塑料成型工艺特性：重要指标有哪些？

2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：成型后塑件的收缩称为成型收缩。它是比较塑料成型加工难易的一项指标。塑料的相容性又称为共混性。

塑料的成型工艺特性是塑料在成型加工过程中所表现出来的特有性质，它表现在许多方面，有些性能直接影响成型方法和工艺参数的选择，有的则只与操作有关。热塑性塑料与热固性塑料的成型工艺特性所指内容分别为：

1.热塑性塑料的成型工艺特性

（1）收缩性（率）

（2）流动性

（3）相容性

（4）吸湿性与黏水性

（5）结晶性

（6）热敏性和水敏性

（7）应力开裂与熔体破裂

2.热固性塑料的成型工艺特性

（1）收缩性

（2）流动性

（3）比体积与压缩率

（4）水分和挥发物含量

（5）硬化速度

1.塑料的收缩性

塑料在常温下是玻璃态，若加热则变为高弹态，进而变为黏流态，从而具有优良的可塑性，可以用许多高生产率的成型方法来制造产品。当塑料熔体在高温高压下射入模具型腔，并加压成型为塑料制件。

塑件从温度较高的模具中取出冷却到室温后，其尺寸或体积会发生收缩变化，小于模具的型腔尺寸，这种现象称为收缩性。成型后塑件的收缩称为成型收缩。产生收缩的主要原因有以下几种情况。

1）塑料的热胀冷缩。

2）化学结构的变化。

3）残余应力的变化。

4）浇口截面尺寸。

5）塑料品种。

6）塑料壁厚。

2.塑件的收缩率

塑件在模具中取出后，一般要发生收缩，从而引起尺寸和形状的变化，这对塑件的精度产生影响，故在塑件设计时绝对不可忽视。塑件收缩性大小通常用收缩率来表示。其值以单位长度塑件收缩量的百分数来表示，称为收缩率。

由于成形模具（金属）与塑料的线胀系数不同，收缩率分为实际收缩率和计算收缩率两种。

实际收缩率＝塑件在成型温度时的尺寸－塑件在室温时的尺寸

计算收缩率＝室温时模具尺寸－塑件在室温时的尺寸

这两种收缩率的计算可按下列公式求得：

式中 S_s——实际收缩率；

S_j——计算收缩率；

a——模具或塑件在成型温度时的单向尺寸（mm）；

b——塑件在室温时的单向尺寸（mm）；

c——模具在室温时的单向尺寸（mm）。

因实际收缩率与计算收缩率数值相差很小，所以模具设计时常用计算收缩率为设计参数，来计算型腔及型芯等的尺寸。

3.影响塑料收缩率的因素

（1）塑料品种各种塑料都具有各自的收缩率。同种塑料由于树脂的相对分子质量、填料及配方比等不同，收缩率及各向异性也不同。例如，树脂的相对分子质量高，填料为有机的，树脂的含量较多，则塑料的收缩率就大。热塑性塑料成型过程中由于还存在结晶化引起的体积收缩，内应力强，冻结在塑件内的残余应力大，分子定向性强等因素，因此与热固性塑料相比收缩率较大、收缩率范围宽、方向性明显。此外成型后的收缩、退火或调温处理后的收缩一般也都比热固性塑料大。

（2）塑件结构塑件的形状、尺寸、壁厚、有无嵌件、嵌件数量及其分布对收缩率大小也有影响。同一塑件的不同部位，其收缩率也经常不同。如塑件的形状复杂、壁薄、有嵌件、嵌件数量多且对称分布，则收缩率就小。

（3）模具结构模具的分型面、加压方向、浇注系统形式、布局及其尺寸对收缩率及方向性影响也很大，尤其是挤塑及注射成型时更为明显。例如采用直接浇口和大截面的浇口，则收缩小，但方向性大；浇口宽且短，则方向性小。距浇口近的或与料流方向平行的部位收缩大。

（4）成型工艺成型工艺主要指模具温度、成型压力和料温及注射速度等。模具温度高，熔料冷却慢，则密度高，收缩大。尤其对于结晶性塑料，因结晶度高，体积变化大，故收缩更大。模温分布与塑件内外冷却及密度均匀性也有关，直接影响到各部位收缩量的大小及方向性。此外，保持压力及时间对收缩影响较大，压力高，时间长的收缩小，但方向性大。注射压力高，熔料粘度差小，层间剪切应力小，脱模后弹性回跳大，故收缩也可适当地减小。料温高，则收缩大，但方向性小。因此在成型时调整模温、压力、注射速度及冷却时间等因素也可适当改变塑件收缩情况。

4.常用塑料收缩率数值大小的确定

各种塑料的收缩率是不相同的，即使同一品种的塑料，由于成型工艺、模具结构、塑件形状等的不同，其收缩率也不恒定，有一定的波动范围，常用塑料线性收缩率见表6-3。

表6-3 常用塑料的收缩率

注：对精度要求高的塑件，应选取收缩率波动范围较小的塑料，并留有试模后修整的余地。

5.塑料的流动性及其对成型工艺过程的影响

塑料在一定温度与压力下填充型腔的能力称为流动性。它是比较塑料成型加工难易的一项指标。塑料的流动性不仅依赖于成型条件，而且还依赖于聚合物的性质。

热固性塑料的流动性过大，容易造成溢料过多，填充型腔不密实，塑件组织疏松，易粘模，脱模和清理困难，过早硬化等缺陷；流动性过小，填充不足，不易成型，成型压力增大。因此选用塑料的流动性必须与塑料要求、成型条件相适应，模具设计时应根据流动性来考虑浇注系统、分型面及进料方向等。

热塑性塑料若流动性差，在注射成型时不易充填型腔，易产生缺料。有时当采用多个浇口时，塑料熔体的会合处不能很好地熔接而产生熔接痕。这种缺陷会造成制品报废。若塑料流动性太好，注射时容易产生流涎，造成塑件在分型面、活动成型零件、推杆等处的溢料飞边，因此，成型过程中应适当选择与控制好材料的流动性，以获得满意的塑料制品。

热塑性塑料的流动性分为三类：

1）流动性好的，如尼龙、聚乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、醋酸纤维素等。

2）流动性中等的，如ABS、有机玻璃、聚甲醛、聚氯醚等。

3）流动性差的，如聚碳酸酯、硬聚氯乙烯、聚苯醚、聚砜、氟塑料等。

6.塑料的相容性

相容性是指两种或两种以上不同品种的塑料，在熔融状态下不产生相互分离现象的能力。如果两种塑料不相容，则混熔后塑件会出现分层、脱皮等表面缺陷。不同塑料的相容性与其分子结构有一定关系，分子结构相似者较易相容，如高压聚乙烯、低压聚乙烯、聚丙烯彼此之间的混熔等；分子结构不同时较难相容，如聚乙烯和聚苯乙烯之间的混熔。

塑料的相容性又称为共混性。通过塑料的这一性质，可以得到类似共聚物的综合性能，这是改进塑料性能的重要途径之一，例如聚碳酸酯和ABS塑料相容，就能改善聚碳酸酯的工艺性。

7.塑料的比体积和压缩率

比体积又称比热容，是指单位质量的松散塑料所占的体积，以cm³／g计。压缩率是塑料的体积与塑件的体积之比，其值恒大于1。

比体积和压缩率都表示粉状或短纤维状塑料的松散程度，可作为确定压缩模加料腔容积的依据。其数值大则要求加料腔体积要大，同时也说明塑粉内充气多，排气困难，成型周期长，生产率低；比体积和压缩率小，则反之，使压锭、压制容易，而且压锭的重量也较准确。

8.塑料的吸湿性和粘水性

吸湿性是指塑料对水分的亲疏程度。

塑料吸湿性按吸湿或粘附水分能力大小，可将塑料分为吸湿性塑料和不吸湿性塑料两大类。具有吸湿或粘附水分倾向的塑料，如聚甲基丙烯酸甲酯、聚酰胺、聚碳酸酯、聚苯醚、聚砜、ABS等；另一类是既不吸湿也不易粘附水分的塑料，如聚乙烯、聚丙烯、聚甲醛等。

凡是具有吸湿或粘附水分倾向的塑料，如成型前水分未去除，则在成型过程中，由于水分在成型设备的高温料筒中变为气体并促使塑料发生水解，导致塑料起泡和流动性下降，这样，不仅增加了成型难度，而且降低了塑件表面质量和力学性能。因此，为保证成型的顺利进行和塑件质量，对吸湿性和粘附水分倾向大的塑料，在成型之前应进行干燥，以去除水分。通常水分（质量分数）应控制在0.4％以下，ABS的含水量（质量分数）应控制在0.2％以下。

9.塑料的结晶性

在成型过程中，根据塑料冷却时是否具有结晶特性，可将塑料分为结晶型塑料和非结晶型塑料两种。属于结晶型的塑料有聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、聚甲醛、聚酰胺、氯化聚醚等；属于非结晶型的塑料有聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、ABS、聚砜等。

一般来讲，结晶型塑料是不透明或半透明的；非结晶型塑料是透明的。但也有例外的情况，如聚4-甲基戊烯-1为结晶型塑料却有高度透明性；ABS属于非结晶型塑料却不透明。

结晶型塑料一般使用性能较好。但由于加热熔化需要热量多，冷却凝固放出热量也多，因而必须注意成型设备的选用和冷却装置的设计；结晶型塑料收缩大，容易产生缩孔或气泡，塑料各向异性显著，内应力也大，脱模后塑件容易产生变形、翘曲；结晶型塑料熔化温度范围窄，易发生未熔塑料注入模具或堵塞浇口。

10.塑料的热敏性和水敏性

（1）热敏性热敏性是指某些热稳定性差的塑料，在料温高和受热时间长的情况下就会产生降解、分解、变色的特性，具有这种特性的塑料称为热敏性塑料，如硬聚氯乙烯、聚三氟氯乙烯、聚甲醛等。

热敏性塑料产生分解、变色实际上是高分子材料的变质、破坏，不但影响塑料的性能，而且分解出气体或固体，尤其是有的气体对人体、设备和模具都有损害，有的分解产物往往又是该塑料分解的催化剂，如聚氯乙烯分解产物氯化氢，能促使高分子分解作用进一步加剧。为了防止热敏性塑料在成型加工过程中出现分解现象，一方面在塑料中加入热稳定剂，另一方面应选择合适的成型设备，正确控制成型加工温度和加工周期，同时应及时消除分解产物，设备和模具应采取防腐蚀措施等。

（2）水敏性塑料水敏性是指在高温下塑料对水降解的敏感性。典型水敏性塑料有聚碳酸酯等，对于它们必须在成型前进行干燥，以防止其在高温成型过程中发生水降解。

11.塑料的应力开裂与熔体破裂

（1）应力开裂有些塑料如聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚砜等较脆，成型时又容易产生内应力，因此在外力或溶剂作用下容易产生开裂。为防止这一缺陷的产生，一方面可在塑料中加入增强材料加以改性，另一方面应注意合理设计成型工艺过程和模具，如成型前的预热干燥，正确规定成型工艺条件，对塑件进行后处理，合理设计浇注系统和推出装置等。还应注意提高塑性的结构工艺性。

（2）熔体破裂当一定熔体指数的塑料熔体在恒温下通过喷嘴孔时，其流速超过一定值后，挤出的熔体表面发生明显的横向凹凸不平或外形畸变以致支离或断裂，这种现象称为熔体破裂。发生熔体破裂会影响塑件的外观和性能，所以对于熔体指数高的塑料，应增大喷嘴、流道和浇口截面，以减小压力，减小注射速度，从而防止熔体破裂的产生。

12.塑料中水分及挥发物的含量

塑料中的水分及挥发物来自两个方面：一是塑料在制造中未能全部除净水分。或在贮存、运输过程中，由于包装或贮存条件不当而吸收的水分；二是来自压制过程中化学反应的副产物。

塑料中水分及挥发物的含量，在很大程度上直接影响塑件的物理、力学和介电性能。

塑料中水分及挥发物含量大，在成型时产生内压，促使气泡产生或以内应力的形式暂存于塑件中，一旦压力除去后便会使塑件变形，机械强度降低。压制成型时，由于温度和压力的作用，大多数水分及挥发物逸出。但当尚未逸出时，若对于热固性塑料，它占据着一定的体积，严重地阻碍化学反应的有效发生，当塑件冷却后，则会造成组织疏松。当逸出时，挥发物气体又像一把利剑割裂塑件一样，使塑件产生龟裂，降低机械强度和介电性能。此外，水分和挥发物含量过多时，会促使流动性过大，容易溢料，成型周期增长，收缩率增大，塑件容易发生翘曲、波纹和光泽不好。

塑料中水分及挥发物的含量不足，会导致流动性不良，成型困难，同时也不利于压锭。

水分及挥发物在成型时变成气体，必须排出模外，否则影响塑件质量。

13.塑料的硬化速度

热固性塑料在成型过程中要完成交联反应，即树脂分子由线型结构变成体型结构，这一变化过程称为硬化。硬化速度通常以塑料试样硬化1mm厚度所需的时间来表示，以s／mm计。此值越小时，硬化速度就越快。

硬化速度与塑料品种、塑件形状、壁厚、成型温度及是否预热、预压等有密切关系。例如采用压锭，预热，提高成型温度，增长加压时间，都能显著加快硬化速度。此外，硬化速度还应适合成型方法要求。例如挤塑及注射成型时，应要求在塑化、填充时化学反应慢，硬化慢，以保持较长时间的流动状态，但在充满型腔后，在高温、高压下应快速硬化。

硬化速度慢的塑料，会使成型周期增长，生产率降低；硬化速度快的塑料，则不能成型大型复杂的塑件。

塑料成型工艺特性：重要指标有哪些？

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