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1. 塑料的模塑性和可加工性
塑料與成型工藝的相互影響是製造業中一項關鍵的話題。塑料的工藝性能,不僅涉及到材料本身的一系列物理與化學特性,更是決定了其成型過程的成功與否。了解並掌握這些性能,是確保塑料製品質量和有效成型的基石,同時也對模具設計提出了特定的要求。
塑料的工藝性能除了熱力學性能、結晶性、取向性外、還有收縮性、流動性、熱敏性、水敏性、吸濕性、相容性等(圖1)。塑料的工藝性能是一個多方面的概念,涵蓋了材料的多種物理和化學特性。對這些特性的深入了解與掌握,對於確保塑件的質量、順利完成成型過程以及有效的模具設計來說,都是不可或缺的。

2. 塑料熔體流動性
在成型過程中,塑料熔體在一定的溫度、壓力下充填模具型腔的能力稱為塑料的流動性。塑料流動性的好壞,在很大程度上影響成型工藝的許多參數,如成型溫度、壓力、周期、模具流道系統的尺寸及其他結構參數。在決定塑件大小和壁厚時,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。高聚熔體的滑移是通過分子鏈段的運動來實現的。顯然,流動性主要取決於分子組成、相對分子質量大小及其結構。只有線性分子結構而沒有或很少有交聯結構的高聚物的流動性好,而體型結構的高聚物(如酚醛塑膠、環氧樹脂等)一般不產生流動。高聚物中加入填料會降低樹脂的流動性;加入增塑劑、潤滑劑可以提高流動性。
流動性差的熱塑性塑料,在射出時不易充填型腔,易產生缺料。有時當採用多個澆口時,塑料熔體的匯合處不能很好地熔接而產生熔接痕,這些缺陷甚至會導致塑件報廢。若材料流動性太好,射出時容易產生流延,造成塑件在分型面、活動成型零件(如滑塊、斜銷)、頂針等處產生毛邊。因此,成型過程中應適當選擇與控制材料的流動性,以獲得滿意的塑料塑件。
● 【塑料熔體流動性】(按圖超連結)

3. 塑料的結晶性
根據塑料內部分子排列可將熱塑性塑料分為(半)結晶性塑料與非結晶性塑料(也稱為無定型)塑料兩大類。(半) 結晶性塑料內部大部分分子排列規則,而非結晶性塑料內部分子排列無規則。
● 【結晶性塑料與非結晶性塑料】(按圖超連結)

4. 塑料的取向性
鏈狀大分子具有很大的長徑比,可以達到數百、數千、數萬甚至數十萬,這樣的分子在外力作用下,分子鏈會沿外力作用方向程某種方式和某種程度的平行排列,稱為取向。宏觀上取向一般分為拉伸取向和流動取向兩種類型。拉伸取向是由拉應力引起的,取向方位與取向應力作用方向一致;而流動取向是在剪切應力作用下沿著熔體流動方向形成的。
● 【塑膠的取向性】(按圖超連結)

5. 塑料的收縮性
塑料通常是在高溫熔融狀態下充滿模具型腔而成型,當塑件從塑模中取出冷卻到室溫後,其尺寸會比原來在塑模中的尺寸小,這種特性稱為收縮性。它可用單位長度塑料收縮量的百分數來表示,既收縮率(S)。
由於這種收縮不僅是塑料本身的熱脹冷縮造成的,而且還與各種成型工藝條件及模具因素有關,因此成型後塑件的收縮稱為成型收縮。可以通過調整工藝參數或修改模具結構,以縮小或改變塑件尺寸的變化情況。
● 【塑膠產品成型收縮率】(按圖超連結)

6. 塑料的吸濕性
吸濕性是指塑料對水分的親疏程度。根據此特性塑料大致可分為兩類:一類是具有吸水或黏附水分性能的塑料,如聚醯胺、聚碳酸酯、聚碸、ABS等:另一類是既不吸水也不易黏附水分的塑料。如聚乙烯、聚丙烯、聚甲醛等。
凡是具有吸水性傾向的塑料,如果在成型前水分沒有去除,含量超過一定限度,那麼在成型加工時,水分將會變為氣體並促使塑料發生分解,導致塑料起泡和流動性降低,使成型變得困難,而且使塑件的表面質量和力學性能降低。因此,為保證成型的順利進行和塑件的質量,對吸水性和黏附水分傾向大的塑料,在成型前必須除去水分,進行乾燥處理,必要時還應在射出機的料斗(筒)內設置紅外線加熱裝置。常用塑料的含水量與乾燥溫度件(圖2)。引起塑料中水分和揮發物多的原因主要有以下三個方面。
- (a) 塑料(或樹脂)的平均分子量低。
- (b) 塑料(或樹脂)在生產時沒有得到充分的乾襙。
- (c) 吸水性大的塑料因存放不當而使其吸收了周圍空氣中的水分,不同塑料有不同的乾燥溫度和乾燥時間的規定。

7. 水敏性
塑料的水敏性是指它在高溫、高壓下對水降解的敏感性,如聚碳酸酯即是典型的水敏性塑料。即使含有少量水分,在高溫、高壓下也會發生分解。因此,水敏性塑料在成型前必須嚴格控制水分含量,進行乾燥處理。
8. 熱敏性
熱敏性是指某些塑料對熱較為敏感,在高溫下受熱時間長或進澆口截面過小、剪切作用大、料溫升高,易發生變色、降解、分解,具有這種特性的塑料稱為熱敏性塑料。如硬聚氯乙烯(PVC)、聚偏氯乙烯(PVDC)、乙酸乙烯共聚物、聚甲醛、聚三氟氯乙烯等。
熱敏性塑料在分解時產生單體、氣體、固體等副產物,特別是有的分解氣體對人體、設備、模具都有刺激性、腐蝕作用或毒性。因此,模具設計,選擇射出機及成型時都應注意,應選用螺桿式射出機,澆注系統截面宜大,料管和模具應鍍鉻(或者模仁材質用S136H等耐腐蝕性的材料),不得有死角滯料,必須嚴格控制成型溫度,並在在塑料中加入穩定劑,減弱熱敏性。
9. 塑料的硬化性
熱塑性塑料塑件在生產是在其處於熔融流動狀態時在外壓力作用下借助一定的型腔獲得要求的形狀和尺寸,再經冷卻變硬(定型)使已獲得的形狀和尺寸永久保持,成為塑件。在冷卻定型過程中,材料經歷了集聚態改變或相變。即非結晶聚合物從黏流態變為高彈太,在變為玻璃態,結晶型聚合物從黏流態變為晶態等過程。熱固性塑料則是在充滿型腔後進一步受熱產生交聯反應,使之固化變硬定型成為塑件。塑料塑件的定型過程統稱為硬化。
不同塑料具有不同的硬化特性。在熱塑性塑料硬化時的聚集態或相變態過程中,其體積縮小,熔融剪切流動中(充模時)取向的分子鏈會產生鬆弛。如果材料的比熱容較小,冷卻變硬的速度就快,給分子鏈鬆弛所提供的時間較短,此時若材料分子鏈的鋼性較大,取向分子鏈解取向(鬆弛)的速度就慢,這兩種因塑結合就很容易在塑件內產生凍結應力。反之,如果材料的比熱容較大,冷卻變硬的速度就慢,使分子鏈得到充分的鬆弛,就可消除或大大減小內應力。聚碳酸脂和聚乙烯可作為上述兩種不同材料的典型代表。聚碳酸脂的比熱容約為1225J/(kg。K),熔體冷卻硬化較快,加之分子鏈剛性大,不易鬆弛,很容易產生內應力。聚乙烯的比熱容約為230 J/(kg。K),熔體冷卻硬化較慢,加之分子鏈柔軟,容易鬆弛,塑件產生的內應力就小得多。當然,熔體冷卻硬化的速率與模具溫度也有很大關係,也會影響到分子鏈的鬆弛情況。
熱固性塑料成型時要求在最佳的塑化流動狀態下充模,充模後又能以最快的速度交聯固化。同樣,不同熱固性塑料的硬化特性也有很大的差別,主要表現在固化反應速度的不同。由於提高溫度一方便可以使塑料的流動性增大,另一方面又能加速固化反應使流動性減小,因此恰當地調節模具溫度和塑料受熱時間(包括射出時料管內和充模過程中兩段時間)就成為取得優質塑件的關鍵。模具溫度偏低的塑料流動性欠佳,充模速度慢,難以充滿複雜型腔;偏高時又會使塑料在尚未完成充模時就過早地發生固化反應,也不能順利充模並帶來塑件缺陷。不同塑料品種固化反應速率差別很大,酚醛塑料較慢,脲-甲醛和三聚氰胺-甲醛塑料就快得多。
10. 塑料的開裂性
有的塑料對應力敏感,成型時易產生內應力,且質脆易裂,塑件在外力作用下或在溶劑作用中即發生開裂現象。質脆的塑料有聚苯乙烯、有機玻璃(PMMA)等。防止塑料開裂的措施有:
- (a) 在原料內加入添加劑提高抗裂性。
- (b) 對原料應注意乾燥。
- (c) 合理地選擇成型條件,以減小內應力和提高抗裂性。
- (d) 選擇合理的塑件形狀,不宜設置嵌件等,盡量減少硬力集中。
- (e) 模具設計時增大脫模斜度,選用合理的進澆口及頂出機構。
- (f) 成型時,應是當地調節料溫、模具溫度、射出壓力及冷卻時間,盡量避免在塑件過於冷卻時脫模。
- (g) 成型後塑件還宜進行後處理提高抗裂性,消除內應力並禁止與溶劑接觸。
11. 玻璃化轉變溫度
熱塑性塑脂隨著溫度的升高,其狀態由堅硬的固體逐漸轉變為橡皮狀彈性體,並最終轉化為黏流體。熱塑性樹脂開始轉變為橡皮狀彈性體的溫度稱為玻璃轉變溫度(Tg)。在玻璃化轉變溫度以下,其彈性模量高,變形能力很小,不宜進行大變形加工,只能進行機械加工,玻璃化轉變溫度是大多數聚合物加工的最低溫度,是選擇和合理應用材料的重要參數之一,改變塑件形狀的加工處理等可以在剝離轉變溫度以上進行。此外,希望提高塑件的結晶度時,也可以在玻璃化轉變溫度以上進行處理。常用塑料的加工溫度範圍見(圖3)。

12. 流長比與型腔壓力
熔體流動長度與塑件壁厚的比值稱為流長比。流常比和型腔壓力是兩個很重要的參數,從前者出發可以考量塑件最多能做多寬多薄,後者為鎖模力的計算提供了參考。(圖4)是幾種常見的塑料的流長比和型腔壓力。

13. 降解
高聚物成型塑件常常是在高溫和應力作用下進行的。因此,高聚物分子可能由於受到熱和應力的作用或由於高溫下高聚物中微量水分、酸、鹼等雜質及空氣中氧的作用而導致其相對分子質量降低,使高聚物的大分子結構發生化學變化。通常人們把高聚物相對分子質量降低的現象稱為高聚物的降解,也稱為裂解。
降解的實質表現為斷鏈、分子鏈結構的改變、側基的改變以及它們的綜合作用。在成型加工中,高聚物的降解一般都難以完全避免,而降解大多都是有害的。輕度降解會使高聚物變色,進一步降解會使高聚物分解出低分子物質,導致相對分子質量降低,塑件出現氣泡和流紋等缺陷,並因此降低塑件的各種物理性能、力學性能。嚴重的降解會使高聚物焦化變黑,產生大量的分解物質。
對塑料的成型加工來說,在正常操作情況下,熱降解是主要的,由力、氧氣和水引起的降解是次要的,但它們也都能通過溫度對高聚物的降解起重要
高聚物在成型過程中出現降解後,塑件外觀變壞,內在質量降低,使用壽命縮短。因此,在加工過程中應設法減少和避免高聚物降解。為此,通常可採取如下措施:
- (a) 嚴格控制原材料的技術指標,使用合格的原材料。若原材料不合格,高聚物的穩定性和加工性將變壞,所含雜質可對降解起催化作用。
- (b) 使用前對高聚物進行嚴格乾燥,特別是對聚酯、聚醚和聚酰胺等吸濕性強的塑料,使用前通常應將水分的質量分數降低到0.05%以下。
- (c) 確定合理的加工工藝和加工條件,使高聚物在不易產生降解的條件下加工成型,這對於那些熱穩定差、加工溫度和分解溫度非常接近的高聚物尤為重要。
- (d) 採用結構良好的成型加工設備和模具。
- (e) 當加工溫度較高時,在配方中考慮使用抗氧化劑、穩定劑等,以加強高聚物對降解的抵抗力。
14. 交聯
高聚物在加工過程中,形成立體網狀分子結構的反應稱為交聯,通過交聯反應可生成體型高聚物。和線型高聚物相比,體型高聚物的機械強度、耐熱性、耐溶劑性、化學穩定性和塑件的形狀穩定性均有所提高。所以在一些對強度、工作溫度、蠕變等要求較高的場合,體型高聚物有著廣泛的應用。交聯反應主要發生在熱固性的成型過程中,例如,採用壓塑、壓注和層壓等成型方法來產生熱固性塑料製品,就是典型的交聯反應。但這種交聯是非正常的,會使高聚物性能變壞,再加工中盡量避免。
高聚物的交聯反應很難完全進行。高聚物的交聯度高,說明交聯反應進行的程度深。在交聯反應進行時,高聚物逐漸失去了可溶性和可熔性。交聯度不宜過高或過低,過高的交聯度會引起高聚物發脆、變色和起泡;交聯度過低,則高聚物的機械強度、耐熱性等較差,塑件表面灰暗,易產生細微裂紋,吸濕性也大。在塑料成型工業中,交聯一詞常常用硬化代替。交聯度過低稱為”硬化不足”,反之成為”硬化過度”。一般來說,加工溫度高則交聯速度快,硬化時間長則交聯度高。加工過程中的流動、攪拌都有利於交聯反應速度的交快。但所謂”硬化得好”或”硬化得完全”並不意味著交聯反應進行的完全,而是指交聯作用發展到了一種最為適宜的程度,以至於塑料製品的物理性能、力學性能等達到最佳狀況。顯然,交聯程度不會達到100%,但是硬化程度卻可以。一般硬化過程大於100%的稱為”過熟”,反之則為”欠熟”。
15. 相容性
塑料的相容性又稱為塑料的共混性,是指兩種或兩種以上的塑料共混後得到的塑料合金,在熔融狀態下各種參與共混的塑料組份之間不產生分離現象的能力。共混是改進塑料性能的重要途徑之一,不同的塑料進行共混以後,可以得到單一塑料所無法擁有的性質,例如聚碳酸酯與ABS塑料共混,就能改善聚酸碳酯的工藝性(主要是流動性)。
塑料間的相容性好,共混後可形成均相體系;如果相容性不好,共混後可能會形成多相結構,嚴重的則出現分層、脫皮等表面缺陷,當然,在一定條件下也可能形成均勻的分散體系。因此,相容性對塑料合金的結構影響很大,半段共混體系的相容性是研究高分子合金的一個非常重要的問題。
不同塑料的相容性與分子結構有一定的關係,分子結構相似者較相容,例如低密度聚乙烯、高密度聚乙烯、聚丙烯匹此之間的共混等;分子結構不同時較難相容,另如聚乙烯和聚苯乙烯之間的共混。共注塑(又成為夾心注塑)就要求順序注入模具的塑料融體間要具有很好的相容性。常見塑料相容性見(圖5)。

☆ 其他參考資料及文章
● 【塑料物性表性能說明及使用性能(上)】(按圖超連結)

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