塑料成型工藝與模具設計第1章(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 的彈性恢復及塑性變形等原因產生的尺寸線性收縮外，還會按塑件形狀、料流方向及成型工藝參數的不同產生收縮方向性。此外，塑件脫模后殘余應力的緩慢釋放和必要的后處理工藝也會使塑件產生后收縮。顯然，影響塑件成型收縮的因素主要有： ? （ 1）塑料品種 ? 各種塑料都具有各自的收縮率。同一種塑料由于樹脂的相對分子質量、填料及配方比等不同，其收縮率及各向異性也不同。例如，樹脂的相對分子質量高，填料為有機的，樹脂含量較多，則塑料的收縮率就大。 上一頁 下一頁 返回 第四節 塑料的工藝性能 ? （ 2）塑件結構 ? 塑件的形狀、尺寸、壁厚、有無嵌件、嵌件數量及其分布對收縮率的大小也有很大影響。如塑件的形狀復雜、壁薄、有嵌件、嵌件數量多且對稱分布，收縮率就小。 ? （ 3）模具結構 ? 模具的分型面、加壓方向、澆注系統形式、布局及尺寸等因素直接影響料流方向、密度分布、保壓補縮作用及成型時間，因而也對收縮率及方向性影響很大。如采用直接澆口和大截面的澆口，可減少收縮，但方向性強；若澆口寬且短，則方向性小；距離澆口近的或與料流方向垂直的部位收縮大等。 上一頁 下一頁 返回 第四節 塑料的工藝性能 ? （ 4）成型工藝 ? 擠出成型和注射成型一般收縮率大，方向性也很明顯。塑料的裝料形式、預熱情況、成型溫度、成型壓力、保壓時間等對收縮率及方向性都有較大影響。例如采用壓錠加料，進行預熱，采用較低的成型溫度、較高的成型壓力，延長保壓時間等均是減小收縮率及方向性的有效措施。 ? 由上述可知，影響塑料收縮率變化的因素很多，而且相當復雜。不同品種的塑料，其收縮率各不相同，即使同一品種而批號不同的塑料，或同一塑件的不同部位，其收縮率也經常不同。因此收縮率不是一個固定值，而是在一定范圍內變化的，這個波動范圍越小，塑件的尺寸精度就越容易保證，否則就難于控制。在模具設計時應根據以上因素綜合考慮選取塑料的收縮率；對精度高的塑件應選取收縮率波動范圍小的塑料，并留有試模后修正的余地。 上一頁 下一頁 返回 第四節 塑料的工藝性能 ? 2. 流動性 ? 在成型加工中，塑料熔體在一定的溫度與壓力作用下充填模腔的能力，就是塑料的流動性。塑料流動性的好壞，在很大程度上影響了成型工藝的許多參數，如成型溫度、壓力、周期、模具澆注系統的尺寸及其他結構參數。在決定零件大小與壁厚時，也要考慮流動性的影響。 ? 從分子結構來講，流動的產生實質上是分子間相對滑移的結果。高聚物熔體的滑移是通過分子鏈段運動來實現的。顯然，流動性主要取決于分子組成、相對分子質量大小及其結構。只有線型分子結構而沒有或很少有交聯結構的高聚物流動性好，而體型結構的高分子一般不產生流動。高聚物中加人填料會降低樹脂的流動性；加人增塑劑、潤滑劑可以提高流動性。流動性差的塑料，在注射成型時不易充填模腔，易產生缺料。有時當采用多個澆口時，塑料熔體的會合處不能很好地熔接而產生熔接痕。 上一頁 下一頁 返回 第四節 塑料的工藝性能 ? 這些缺陷甚至會導致零件報廢；相反，若材料流動性太好，注射時容易產生流涎、造成塑件在分型面、活動成型零件、推桿等處的溢料飛邊。因此，成型過程中應適當選擇與控制材料的流動性，以獲得滿意的塑料制件。 ? 塑料流動性的好壞采用統一的方法來測定，對熱塑性塑料常用的方法有熔融指數測定法和螺旋線長度試驗法。熔融指數測定法是將被測塑料裝入如 圖 13所示的標準裝置內，在一定的溫度和壓力下，通過測定熔體在 10min內通過標準毛細管（直徑為 Φ2 . 09 mm的出料模孔）的塑料重（質）量值來確定其流動性的狀況，該值叫做熔融指數。熔融指數越大，流動性越好。熔融指數的單位為 g/10min 。螺旋線長度試驗法是將被測塑料在一定的溫度與壓力下注人如 圖 14所示的標準的阿基米德螺旋線模具內（圖中所示數字，單位為cm ）來表示該塑料的流動性。流動長度越長，流動性就越好。 上一頁 下一頁 返回 第四節 塑料的工藝性能 ? 熱塑性塑料的流動性分為三類：流動性好的，如聚酰胺、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、醋酸纖維素等；流動性中等的，如改性聚苯乙烯、 ABS 、 AS 、聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲醛、氯化聚醚等；流動性差的，如聚碳酸酯、硬聚氯乙烯、聚苯醚、聚砜、氟塑料等。 ? 影響流動性的因素主要有： ? （ 1）溫度 ? 料溫高，則流動性大。但不同塑料也各有差異。聚苯乙烯、聚丙烯、聚酰胺、聚甲基丙烯酸甲酯、 ABS、 AS 、聚碳酸酯、醋酸纖維等塑料的流動性隨溫度變化的影響較大；而聚乙烯、聚甲醛的流動性受溫度變化的影響較小。 上一頁 下一頁 返回 第四節 塑料的工藝性能 ? （ 2）壓力 ? 注射壓力增大，則熔料受剪切作用大，流動性也增大，尤其是聚乙烯、聚甲醛較為敏感。 ? （ 3）模具結構 ? 澆注系統的形式、尺寸、布置（如型腔表面粗糙度、澆道截面厚度、型腔形式、排氣系統）、冷卻系統的設計、熔料的流動阻力等因素都直接影響熔料的流動性。凡促使熔料溫度降低，流動阻力增加的因素，就會使流動性降低。 ? 3. 相容性 ? 相容性是指兩種或兩種以上不同品種的塑料，在熔融狀態不產生相互分離現象的能力。如果兩種塑料不相容，則混熔時制件會出現分層、脫皮等表面缺陷。不同塑料的相容性與其分子結構有一定關系，分子結構相似者較易相容，例如高壓聚乙烯、低壓聚乙烯、聚丙烯彼此之間的混熔等；分子結構不同時較難相容，例如聚乙烯和聚苯乙烯之間的混熔。 上一頁 下一頁 返回 第四節 塑料的工藝性能 ? 塑料的相容性又俗稱為共混性。通過塑料的這一性質，可以得到類似共聚物的綜合性能，是改進塑料性能的重要途徑之一，例如聚碳酸酯和 ABS塑料相容，就能改善聚碳酸酯的工藝性（主要是流動性）。 ? 4. 吸濕性 ? 吸濕性是指塑料對水分的親疏程度。據此塑料大致可以分為兩種類型：第一類是具有吸濕或粘附水分傾向的塑料，例如聚酰胺、聚碳酸酯、 ABS 、聚苯醚、聚砜等；第二類是吸濕或粘附水分極小的材料，如聚乙烯、聚丙烯等。造成這種差別的原因主要是由于其組成及分子結構的不同。如聚酰胺分子鏈中含有酰胺基 CO一 NH極性基因，對水有吸附能力；而聚乙烯類的分子鏈中是由非極性基因組成，表面是蠟狀，對水不具有吸附能力。材料疏松使塑料的表面積增大，也容易增加吸濕性。 上一頁 下一頁 返回 第四節 塑料的工藝性能 ? 凡是具有吸濕或粘附水分的塑料，如果水分含量超過一定的限度，則由于在成型加工過程中，水分在成型機械的高溫料筒中變成氣體，會促使塑料高溫水解，從而導致材料降解，成型后的塑件出現氣泡、銀絲與斑紋等缺陷。因此，塑料在加工成型前，一般都要經過干燥，使水分含量在 0. 5％～ 0. 2％以下。并要在加工過程中繼續保溫，以防重新吸潮。 ? 5. 熱敏性和水敏性 ? ①熱敏性是指某些熱穩定性差的塑料，在高溫下受熱時間較長或澆口截面過小及剪切作用大時，料溫增高就易發生變色、降解、分解的傾向。具有這種特性的塑料稱為熱敏性塑料，如硬聚氯乙烯、聚甲醛、聚三氟氯乙烯等。 上一頁 下一頁 返回 第四節 塑料的工藝性能 ? 熱敏性塑料在分解時產生單體、氣體、固體等副產物，尤其是有的分解氣體對人體、設備、模具都有刺激、腐蝕作用或有毒性，同時，有的分解物往往又是促使塑料分解的催化劑（如聚氯乙烯的分解物為氯化氫，能促使高分子分解作用進一步加劇）。為了防止熱敏性塑料在成型過程中出現過熱分解現象，可采取在塑料中加人穩定劑、合理選擇設備（如選用螺桿式注射機）、正確控制成型溫度和成型周期、及時清理設備中的分解物等辦法。此外，也可采取合理設計模具的澆注系統、模具表面鍍鉻等一些措施。 ? ②水敏性 ? 在高溫下，熔體對水降解的敏感性，稱為水敏性。具有水敏性的塑料，稱為水敏性塑料，如聚碳酸酯等。水敏性塑料在成型過程中，即使含有很少水分，也會在高溫及高壓下發生水解，因此這類塑料在成型前必須進行干燥處理。 上一頁 下一頁 返回 第四節 塑料的工藝性能 ? 二、熱固性塑料的工藝性能 ? 熱固性塑料同熱塑性塑料相比，具有制件尺寸穩定性好，耐熱好和剛性大等特點，所以在工程上應用十分廣泛。熱固性塑料在熱力學性能上明顯不同于熱塑性塑料。其主要的工藝性能指標有收縮率、流動性、水分及揮發物含量、硬化速度等。 ? 1. 收縮率 ? 同熱塑性塑料一樣，熱固性塑料也具有因成型冷卻而引起的尺寸減小。計算方法與熱塑性塑料收縮率相同。產生收縮的主要原因有： 上一頁 下一頁 返回 第四節 塑料的工藝性能 ? （ 1） .熱收縮 ? 這是因熱脹冷縮而引起的尺寸變化。由于塑料是由高分子化合物為基礎組成的物質，線膨脹系數比鋼材大幾倍至十幾倍，制件從成型加工溫度冷卻到室溫時，就會產生遠大于模具尺寸收縮的收縮，這種熱收縮所引起的尺寸減小是可逆的。收縮量大小可用塑料線膨脹系數的大小來判斷。 ? （ 2） 結構變化引起的收縮 ? 熱固性塑料的成型加工過程是熱固性樹脂在模腔中進行化學反應的過程，即產生交聯結構，分子鏈間距離縮小，結構緊密，引起體積收縮。這種由結構變化而產生的收縮，在進行到一定程度時，就不會繼續產生。 上一頁 下一頁 返回 第四節 塑料的工藝性能 ? （ 3）彈性恢復 ? 塑料制件固化后并非剛性體，脫模時，因成型壓力降低，會產生一彈性恢復值，這種現象降低了收縮率。在成型以玻璃纖維和布質為填料的熱固性塑料時，這種情況尤為明顯。 ? （ 4）塑性變形 ? 這主要表現在制件脫模時，成型壓力迅速降低，但模壁緊壓著制件的周圍，產生塑性變形。發生變形部分的收縮率比沒有發生變形部分的收縮率大。因此，制件往往在平行加壓方向收縮較小，而垂直加壓方向收縮較大。為防止兩個方向的收縮率相差過大，可采用迅速脫模的辦法。 上一頁 下一頁 返回 第四節 塑料的工藝性能 ? 影響熱固性塑料收縮率的因素與熱塑性塑料相同，有原材料、模具結構或成型方法及成型工藝條件等。塑料中樹脂和填料的種類及含量，直接影響收縮率的大小。當所用樹脂在固化反應中放出的低分子揮發物較多時，收縮率較大；放出低分子揮發物較少時，收縮率較小。在同類塑料中，填料含量增多，收縮率小；填料中加無機填料比加有機填料所得的塑料件收縮小，例如以木粉為填料的酚醛塑料的收縮率，比相同數量無機填料（如石英粉）的酚醛塑料收縮率大，前者收縮率為 ％～ % ，后者為 ％～ % 。 ? 凡有利于提高成型壓力，增大塑料充模流動性，使塑件密實的模具結構，均能減少制件的收縮率，例如用壓縮或壓注成型的塑件比注射成型的塑件收縮率小。凡能使塑件密實，成型前使低分子揮發物溢出的工藝因素，也都能使制件收縮率減少，例如成型前對酚醛塑料的預熱、加壓等。 上一頁 下一頁 返回 第四節 塑料的工藝性能 ? ? 流動性的意義與熱塑性塑料流動性雷同，但熱固性塑料通常以拉西格流動性來表示，而不是用熔融指數表示。測定原理如 圖 15所示 ,將一定重量的欲測塑料預壓成圓錠 ,將圓錠放人壓模中，在一定的溫度和壓力下，測定它從模孔中擠出的長度（毛糙部分不計在內，以 mm計），數值大則流動性好。 ? 流動性過大容易造成溢料過多，填充不密實，塑件組織疏松，樹脂與填料分頭聚集，易粘模而使脫模和模具清理困難以及過早硬化等缺陷；流動性過小則填充不足，不易成型，成型壓力增大。因此選用塑料的流動性必須與塑件要求、成型工藝及成型條件相適應。模具設計時應根據流動性來考慮澆注系統、分型面及進料方向等。 上一頁 下一頁 返回 第四節 塑料的工藝性能 ? 影響流動性的因素主要有以下三點： ? （ 1）塑料品種 ? 不同品種的塑料，其流動性各不相同，即使同一品種塑料，由于其中相對分子質量的大小、填料的形狀、水分和揮發物的含量以及配方不同，其流動性也不相同。 ? （ 2）模具結構 ? 模具成型表面光滑，型腔形狀簡單，有利于改善流動性。 ? （ 3）成型工藝 ? 采用預壓錠及預熱，提高成型壓力，在低于塑料硬化溫度的條件下提高成型溫度等都能提高塑料的流動性。 上一頁 下一頁 返回 第四節 塑料的工藝性能 ? 3. 比容和壓縮比 ? 比容是單位重量的松散塑料所占的體積。壓縮比是塑料的體積與塑件的體積之比，其值恒大于 1 。比容和壓縮比都表示粉狀或短纖維狀塑料的松散性。它們都可用來確定模具加料室的大小。比容和壓縮比較大，則要求模具加料室尺寸要大，這樣會使模具體積增大，操作不便，浪費鋼材，不利于加熱。同時，比容和壓縮比大，使塑料內充氣增多，排氣困難，成型周期變長，生產率降低；比容和壓縮比小，使預壓錠和壓縮、壓注容易，而且壓錠重量也較準確。但是，比容太小，則影響塑料的松散性，以容積法裝料時造成塑件重量不準確。比容的大小也常因塑料的粒度及顆粒均勻度不同而有誤差。 上一頁 下一頁 返回 第四節 塑料的工藝性能 ? 4. 硬化速度 ? 熱固性塑料在成型過程中要完成交聯反應，即樹脂分子由線型結構變成體型結