塑料成型工艺性能分析

2023-06-30 理论教育版权反馈

【摘要】：塑料成型工艺性能是塑料在成型加工过程中表现出来的特有性质。当塑料的流动性差时，在注射成型过程中，就不易充满型腔而造成缺料。塑料的流动性有统一的测定与表征方法。塑件成型后由成型温度冷却至室温时会产生收缩，这是主要的成型收缩因素。成型时的注射压力高，塑料的弹性恢复大，则收缩小。常用热塑性塑料、热固性塑料的收缩率，见表23和表24。

塑料成型工艺性能是塑料在成型加工过程中表现出来的特有性质。作为模具设计者必须有所了解。

1.流动性

在成型过程中，塑料熔体在一定的温度与压力作用下充填型腔的能力称为塑料的流动性。其流动性的好坏，在很大程度上直接影响着许多成型工艺参数的选择，如成型温度、压力、浇注系统类型和尺寸、生产周期等。

从分子结构来看，产生流动的实质是由于分子间产生相互滑移，而熔体分子间的滑移又是通过分子链段运动来实现的。所以，熔体的流动性主要取决于分子组成、相对分子质量大小及其结构。当塑料的流动性差时，在注射成型过程中，就不易充满型腔而造成缺料。相反，若熔体流动性太好，则成型时容易产生流涎而在分型面、活动成型零件、推杆等处造成滋料飞边和毛刺。

塑料的流动性有统一的测定与表征方法。对热塑性塑料，常用熔融流动指数测定法和螺旋线长度试验法。

熔融指数的测定是在图2⁃4所示的标准装置内进行。将被测塑料装入其中，在一定的温度和压力下，通过测定熔体在10min内通过小孔的塑料质量来表征其流动性，单位为g/10min，通常以MI代表。

螺旋线试验法是在螺旋线模具中进行的。其模具结构为从中央进料，由里往外按阿基米德螺旋线方向将型腔线逐层延伸（盘式蚊香式）。每转一周，其半径增大12.5mm，槽断面是半圆形，直径为4.9mm，螺旋线槽总长为1925mm，如图2⁃5所示。将塑料熔体注射入螺旋形槽中央，制成蚊香形状的试件，测定其螺旋线的总长度即为被测塑料的流动距离，并以此来表征其流动性。

图2⁃4 熔融流动指数测定仪示意图

1—热电偶 2—料筒 3—出料孔 4—保温层 5—加热棒 6—柱塞 7—重锤（加柱塞共重2160g）

图2⁃5 标准阿基米德螺旋线模具流道示意图

热塑性塑料的流动性分为三类。

1）流动性好的，如聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯和醋酸纤维等。

2）流动性中等的，如改性聚苯乙烯、ABS、AS、有机玻璃、聚甲醛和氯化聚醚等。

3）流动性差的，如聚碳酸酯、硬聚氯乙烯、聚苯醚、聚砜和氟塑料等。

对热固性塑料通常是以拉西格流动值来表征其流动性。其测定原理如图2⁃6所示。测定方法如下。

1）称取7.5g塑料粉，在20℃±5℃温度下并以50MPa的压力下在内径为28mm的模子内预压成圆锭（片）。

2）将拉西格模具加热至150℃±5℃，并保温5min。

图2⁃6 拉西格流动性测定模

1—组合模块 2—模套 3—流料孔 4—加料室

3）将圆锭放入拉西格模的加料室，并在20s左右将压模增至30MPa，保压3min。

4）压好后，卸掉压板，顶出锥形组合模，取出试样，测其长度L即其流动值，数值越大则表明流动性越好。

每种热固性塑料又可分为三个不同的等级。其中，Ⅰ级L=100～130，适用于压制无嵌件、形状简单且壁厚一般的塑件；Ⅱ级L=131～150mm，适用于压制中等复杂程度的塑件；Ⅲ级L=151～180mm，适用于压制结构复杂、型腔很深和嵌件多的薄壁塑件或用于压注成型。

2.收缩性

塑件从模具中取出冷却到室温后16～24h，塑件各部分尺寸都比原来在模具中的尺寸有所缩小，这种性能称为收缩性。因为这种收缩是在成型过程中受到各种因素的影响而造成的，所以又称为成型收缩。

（1）收缩率计算塑件的成型收缩值可用以下两种方法计算，即：

实际收缩率

计算收缩率

式中 S_实——实际收缩率（%）；

S_计——计算收缩率（%）；

a——塑件在成型温度时的单向尺寸（mm）；

b——塑件在常温下的单向尺寸（mm）；

c——模具型腔在常温下的单向尺寸（mm）。

由于上述两种收缩率相差不大，且a值难以测定，所以通常在模具设计中采用S_计作为设计参数对型腔及型芯的尺寸进行计算。

（2）造成成型收缩的原因

1）热胀冷缩。塑件成型后由成型温度冷却至室温时会产生收缩，这是主要的成型收缩因素。

2）因弹性回复造成的收缩。塑件从模具中取出后，作用其上的压力消失，由于弹性回复会造成膨胀（负收缩）。

3）结晶收缩。对结晶型热塑性塑料，在成型后的冷却过程中伴随着结晶而引起体积收缩。

4）定向收缩。塑料熔体在注入模具型腔时，塑料中的分子沿着流动方向被定向拉直而呈有序排列。而在冷却过程中，这些分子要恢复原来状态而引起收缩，即称定向收缩。

（3）影响收缩率变化的因素在实际生产过程中，不仅不同品种的塑料其收缩率各异，而且同品种及同塑件的不同部位其收缩也会不同。具体影响因素如下。

1）塑料品种。塑料品种不同，其收缩不同，分子质量大小不同，其收缩率也不同。例如，热塑性塑料因在成型过程中存在着结晶化及分子定向的收缩，其收缩率比热固性塑料大，且方向性也较明显，即沿流动方向收缩大，垂直流动方向收缩小。此外，热塑性增强塑料比普通塑料收缩小，但各向异性大，沿流动方向收缩小，而垂直流动方向收缩大；靠近浇口处的收缩小，远离浇口处的收缩大。

2）塑件特征。塑件的形状、壁厚、有无嵌件对收缩的影响也很大。一般地说，塑件的形状越复杂、尺寸越小、壁厚越薄且有嵌件或有较多型孔时，收缩小。

3）模具结构。压缩成型时，沿加压方向的收缩小。注射成型时，直接进料浇口切面大，浇口处凝固慢，可对型腔补施压力而使塑件致密性提高，故成型收缩小。点浇口由于能有效地延长保压时间和增大型腔压力，故成型收缩小。

4）成型工艺参数。成型时的注射压力高，塑料的弹性恢复大，则收缩小。成型温度（即料筒温度）与模具温度高，塑件热胀冷缩大，则收缩大。成型时间越长，塑件质量增加，收缩小，但当注射时间超过某一范围之后，由于浇口早已凝封，即使再延长注射时间，塑件质量也不会再增大，收缩率不会再减小。冷却时间长，一般地说可使模具内的物料得以充分固化，收缩率变小，但是对于结晶型塑料来说，冷却时间长，结晶得以充分进行，结晶度增加，而造成制品收缩率增大。

常用热塑性塑料、热固性塑料的收缩率，见表2⁃3和表2⁃4。

表2⁃3 常用热塑性塑料的收缩率

表2⁃4 常用热固性塑料的收缩率

3.结晶性

热塑性塑料按其冷却时是否出现结晶现象可将其分为结晶型与非结晶型（或称无定型）。结晶型的常用塑料有聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、聚甲醛、聚酰胺和氯化聚醚等，非结晶型的塑料有聚苯乙烯、聚氯乙烯、有机玻璃、聚碳酸酯、ABS和聚砜等。

塑料在冷却结晶时，通常生成球形晶体，而这种球形晶体会引起光波的散射。所以一般来说，结晶型塑料是不透明的或半透明的，而非结晶型塑料是透明的。但也有例外，如典型的离子聚合物聚4-甲基戊烯-1属于结晶型塑料，但却高度透明；ABS本属于非结晶型，但却不透明。

（1）结晶度对制件质量的影响通常结晶度大的塑件密度大，强度、硬度高，刚度、耐磨性好，耐化学性和电性能好；结晶度小的塑料，柔软性、透明性较好，伸长率和冲击韧度较大。

（2）影响结晶度的因素一般地说，结晶型塑料不大可能形成完全的晶体，只能有一定程度的结晶，其结晶度随着成型条件的变化而变化。研究表明，塑料的结晶温度范围在T_g～T_m之间（图2⁃7），在接近T_m的高温区，晶核不稳定，单位时间生核少。而在接近T_g的低温区，由于能量低，结晶时间长，结晶速度慢。故在这一区域内存在着一个最高的结晶速度V_max和一个相对应的结晶温度T_Vmax。

图2⁃7 结晶速度与温度的关系

T_g—玻璃化温度 T_m—熔点温度

塑料熔体从T_m冷却到T_g以下的速度称为冷却速度。冷却速度的大小取决于熔体温度与模具温度之差。当冷却速度太慢时则形成大的球晶而导致制品变脆；冷却速度过快，来不及结晶，所以生产中通常采用中等冷却速度，即将模具温度控制在T_g与T_Vmax之间。这样，能保证晶体生长良好，结晶完整且生产周期短。

4.热敏性及吸湿性

热敏性是指某些塑料对热较为敏感，在高温下受热时间长或浇口截面小，剪切作用大而摩擦生热时易发生变色、分解的倾向。对这种特性表现较明显的塑料称为热敏性塑料，如硬聚氯乙烯、聚偏氯乙烯、氯乙烯和醋酸乙烯共聚物（EVA）、聚甲醛和聚三氟氯乙烯等。热敏性塑料在分解时产生的气体对人、设备及模具都有刺激、腐蚀作用或有毒性。通常选用螺杆式注射机进行成型加工并增大浇注系统截面尺寸，同时严格控制成型温度、模具温度、加热时间、螺杆转速及背压大小等措施。除此之外，还可以在塑料中添加稳定剂。

吸湿性是指塑料对水分的亲疏程度。吸湿性的大小取决于聚合物组成及分子结构。例如，聚酰胺、聚碳酸酯、ABS、聚苯醚和聚砜等，在其分子链中由于含有极性基因，对水有吸附能力，故属于吸湿倾向大的塑料。而像聚乙烯、聚丙烯类的分子链中是由非极性基团组成，表面呈蜡状，对水不具有吸附能力，故属于吸湿倾向极小的塑料。

5.聚合物降解

塑料的成型加工通常是在高温、高压下进行的。聚合物分子在受到热、应力、微量水、酸和碱等杂质，以及空气中的氧作用，导致聚合物链断裂、分子变小或相对分子质量降低的现象称为聚合物降解（也称裂解）。

轻度降解会使聚合物变色，进一步降解会使聚合物分解出低分子物质，使制件出现气泡和流纹弊病，削弱制件各项物理性能及力学性能。严重的降解会使聚合物焦化变黑并产生大量的分解物质。

减少和消除降解的办法是依据降解产生的原因相应采取措施。

6.聚合物的定向

塑料在成型加工过程中分子发生不同程度的定向排列称为定向（或称取向）。一旦这种排列在塑料凝固前来不及消除而留在固态塑件中，则分子的定向及效应则将保存下来。聚合物的定向可分为流动定向和拉伸定向两种情况。

（1）流动定向即聚合物分子和纤维状填料在剪切流动时沿流动方向作平行的排列，如图2⁃8所示。影响流动定向的因素很多，熔体温度和模具温度越高，则定向程度越小；注射压力和保压压力越大，则定向程度越大；采用大浇口，则定向作用更明显，尤其在浇口处。

图2⁃8 流动定向

a）单轴定向 b）、c）多轴平面定向

（2）拉伸定向热塑性塑料在高弹态区域进行拉伸时，聚合物分子链很大程度上顺着拉伸方向作平行的排列。

无论哪种定向，都会导致塑件力学性能的各向异性，即沿定向方向的机械强度总是大于与其垂直方向上的机械强度。

分子的定向对某些塑料是需要的，如生产薄膜与拉丝，会使塑件沿拉伸方向的拉伸强度与光泽度均有所增加。对某些壁厚较大的塑料件，要力图消除这种各向异向，否则塑件会产生翘曲和变形。

实验结果表明，在塑料成型过程中，影响其定向的因素有以下几个方面。

1）随着模具温度、成型温度及塑件型腔深度的增加，分子定向程度也随之增加。

2）浇口的开设位置和形状对分子定向影响很大，为了减少分子定向程度，通常可将浇口开设在型腔深度较大的部位。

3）增加浇口长度、充模压力及充模时间，分子定向程度也随之增加。

7.压缩比与比容

压缩比是塑料粉与塑件两者体积之比。比容（比体积）是单位质量塑料所占的体积。两者都表示了各种热固性塑料的松散程度，都是计算模具加料室高度的依据，在设计时可查相关设计手册。

8.固化特性

热固性塑料在成型过程中，树脂发生交联反应，分子结构由线型变为体型，最后逐渐固化的特性称为固化特性。这一特性与塑料的品种、塑件壁厚及形状、模具预热温度有关。通常情况下，模具预热温度高，预热时间长，则固化速度加快；成型温度高，加压时间长，则固化速度快。

塑料成型工艺性能分析

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