热塑橡胶SBS及其在制鞋工业中的应用十二第十章SBS的注塑成型.pdf

83中外鞋业1999 12 鞋材广场 HOEMAKING MATERIALSS 热塑橡胶SBS 及其在制鞋工业中的应用 十二 邓启明 文 第十章SBS的注塑成型 和普通热塑性塑料一样 注塑成型也是SBS最主要的加 工方式之一 所谓注塑成型 就是先将混合好的物料 通常为 颗粒或捏合好的粉末料 加热熔融 而后借助于强大的机械 压力将熔融料注入闭合的模具中 胶料遇冷后凝固成型 其 特点是生产周期短 效率高 适应性强 易于自动化 然而 由 于SBS分子结构中存在着橡胶态的聚丁二烯嵌段 因此胶料 的流动性较差 为了使SBS的注塑成型良好 一般选用移动 螺杆式注塑机 关于该类设备的结构及使用情况请参阅有关 资料 不赘述 SBS的注塑成鞋分两种情况 一是直接将SBS混合料注 射到鞋帮上 这是最快速而又简单的成型方法 二是将混合 料先注塑成鞋底 而后再用粘合剂粘接到鞋帮上 这种方式 能最大限度地满足制作各种不同花色品种鞋的需要 注塑工艺中 温度 压力和时间是三大要素 根据SBS的 流变特点 其加工基本原则是 加工温度尽可能高些 注射压 力则不宜过高 注射时间和冷却时间对制品质量影响极大 必须严格控制 一 关于注塑温度 流变学的基本点是高聚物熔体的粘度变化 普通橡胶的 粘度受温度影响不大 主要取决于分子量的大小 因此通常需 要通过塑炼来降低分子量 以改善其加工流动性 而分子链呈 刚性的塑料其粘度则随温度的上升而大大下降 所以塑料可 以通过加热来增加流动性而进行加工 熔融聚合物的粘度与 温度的关系 可用阿累尼乌斯 Arrhenius 指数方程来表示 Ae En RT 式中A为与物质有关的常数 R为气体常数 T为绝对 温度 E 为粘流活化能 如将上式改写为对数形式 即为 ln lnA En R 1 T 将 对1 作图 则为一直线 基斜率为E R 粘 流活化能E 越大 直线的斜率越大 温度对粘度的影响也 越大 E 越小 直线的斜率也小 温度对粘度的影响也小 这 和实验结果是吻合的 一般橡胶E 值较小 而塑料的E 值 较大 例如聚丁二烯橡胶为6 2kcal mol 丁腈橡胶为 5 4kcal mol 丁 苯 橡 胶 为3 1kcal mol 天 然 橡 胶 为 0 25kcal mol 而聚苯乙烯塑料为14 2kcal mol 聚氯乙烯 为20 4kcal mol 聚丙烯为10 6kcal mol SBS的E 值为 20 40kcal mol 比一般橡胶大得多而近似于塑料 因此升高 温度对SBS加工是有利的 但也不能太高 以防聚合物分解 和注射前物料从喷嘴处泄漏 即流涎现象 温度太低 不但 流动性不好 而且由于分子的取向强烈 制品各向异性严重 根据胶料性质 产品式样 模具结构 注射设备等条件的不 同 SBS的注塑温度一般控制在160 220 为宜 注射机各 部位温度也应有所差异 料斗部位较低 以防物料过早熔融 因而打滑 下料困难 该段温度一般为160 180 第一加热 段180 220 喷嘴180 220 喷嘴头200 210 模具 温度以30 左右为宜 模温过高 则冷却时间长 效率降低 还可能引起脱模困难 模温过低 流动困难 甚至于充不满模 具 同时也引起各向力学性能差异太大 关于注射温度对SBS性能的影响 前苏联学者布尔柯娃 T 等人指出 当加工温度只略高于聚苯乙烯熔 融温度时 聚苯乙烯硬段物理交联区将沿注射方向排列而 形成各向异性的超分子结构 致使制品的物理 机械性能 也发生各向异性现象 温度过高 除高聚物可能降解外 还 可能使分子产生交联老化 也使制品性能变坏 科尔巴洛夫 1995 2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co Ltd All rights reserved 84 Chinese2Foreign Footwear1999 12 图25熔融温度与注射制温强度各向异性的关系 a为纯SBS b为SBS与PS的共混物 模温 1 15 2 30 3 60 图26SBS及其与PS共混物的强度与注塑温度关系 等人详细地研究了SBS注射制品的各向 异性问题 各向异性的大小可用参数a表示 a 式中 和 分别为与注射方向平行 垂直和平均抗张 强度 a为各向异性系数 结果表明 SBS与 PS 聚苯乙烯 共 混物的各向异性系数是随注射温度的提高而下降的 如图25 所示 不难看出 在同一注射温度下 纯SBS比SBS和PS的 共混物各向异性要大 这一方面是由于纯SBS的熔融粘度比 SBS与PS混合物的粘度大 熔融料在流动过程中受到了较 大的剪切应力 另一方面SBS与PS共混后 PS物理交联区 扩大 这种较大体积的嵌段注射取向较困难 SBS及其与PS共混物的注射制品的强度与注射温度的 依赖关系如图26所示 由图可见 纯SBS注射制品的强度是 随温度增加而下降的 而SBS与PS共混物注射制品的强度 开始随温度上升而增大 在210 220 下有一极值 然后下 降 斯卢金 A C 等人认为 纯SBS注射制品强度 随温度上升而下降是由于嵌段共聚物分子在高温下发生降 解老化 交联之类反应所致 而SBS与PS共混物开始时随 着温度的升高共混效果改善 产品强度上升 温度继续增加 达到最佳的共混效果 强度也最大 此后 温度再增加 聚合 物开始降解或者重新出现相分离 因而强度下降 需要指出的是 注射成型温度除主要来自外部加热以 外 内部的摩擦热 包括物料与机筒壁及螺槽内部物料之间 的摩擦热也不可忽视 例如 在某些情况下 可以用改变螺杆 的转速来达到调节温度的目的 此外 摩擦热本身具有一种 很好的自动调节温度作用 当温度升高时 聚合物粘度降低 摩擦热减少 反之 温度降低时 聚合物粘度增加 摩擦热增 大 因此 摩擦热对注射工艺来说是一种在料筒内部进行热 传递的有利因素 二 注射压力 前苏联学者阿里齐泽尔 B C A 等人的研究结 果表明 SBS在不同剪切应力下其流变性能不同 当剪切应 力小于某一数值 即其对数值 lg 5 7 6 3 就 出现熔体破裂 以至于无法成型 根据这一研究结果 不难理 解 SBS在加工时不宜过高地提高注射压力 一般控制在 35 50MPa之间为宜 然而 在生产上为了有效地提高劳动 生产率 在尽可能高速注射的条件下 仍保持SBS良好的流 变特性 可加入一定量的软化剂 因此许多商品牌号的SBS 都进行充油 既可降低SBS的粘度 又不会使其物理机械性 能显著下降 目前最广泛采用的是环烷系油 充油量高达 50 60重量份 注射成型过程中 模腔中压力是不断变化的 从注射螺 杆沿轴向开始推进起 至物料充满模腔止 这一过程称为注 射充模阶段 这个过程压力变化的特点是 从未充满模腔的 低压至充满模腔后的最高值 平衡螺杆压力 时间短 变化 大 熔融物料充满模腔到螺杆停止推进并重新开始后退 进 料为止的一段时间 称为保压阶段 模腔压力是恒定的最高 值 尽管由于熔融物料注入低温模腔后产生收缩 导致压力 下降 但由于此时大部分物料仍处于熔融或半熔融状态 尚 具有流动性 而螺杆此时也仍处于最高压力值的施压状态 因而补充了因冷却收缩而产生的模腔空隙 有效地提高了制 品质量 所以这段时间又称为保压补料阶段 从螺杆开始后 退至开模前这一过程称减压封闭阶段 模腔压力在注射嘴离 开模具的一段时间要高于分流道或主流道 如模温高或者保 压时间不够 可产生少量物料倒流 从而引起模腔压力下降 直至浇注口物料固化 模腔封闭为止 从浇口固化到启模 这 是冷却卸压阶段 此时由于模具冷却 制品收缩 模腔压力下 降 如冷却时间足够长 也就与各界压力平衡 为提高效率起 见 一般是稍微冷却 维持模内正压下启模 鞋材广场 HOEMAKING MATERIALSS 1995 2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co Ltd All rights reserved 85中外鞋业1999 12 鞋材广场 HOEMAKING MATERIALSS 表24注射机 移动螺杆式 日本东芝IS 8050Z 各阶段压力的大小对产品质量影响很大 充模过程压力 太低或者保压时间太短 可导致产品变形收缩 表面凹陷 花 纹不清晰等等弊病 压力太高则出现膨胀溢料 严重时甚至 损伤模具 冷却卸压阶段太长或太短 不但制品几何尺寸不 保证 而且内在和外观质量均有影响 压力的大小也取决于其他工艺条件 例如和温度的关 系 一般高聚物的熔融粘度随温度升高而降低 因此温度高 时 施压应较低 需要指出的是 压力与温度 一般来说 应先 调正温度 如温度已调正至一适当范围仍不能满足需要 再 调正压力 三 时间 在注射成型过程中 按工艺控制因素 可分为进料加热 时间 注射时间 保压时间和冷却定型等四个时间 这四个时 间构成一个周期 四个周期的长短是受多种因素决定的 进 料加热时间与螺杆的转速 设备的加热效率 进料量的多少 以及物料的软硬度 均匀度 加料段的温度等等有关 注射充 模时间除受设备及模具形腔结构等因素影响外 也与模腔容 量 即鞋底尺码大小有关 此外 原料配方 物料温度 模具温 度等也直接影响这一过程时间的长短 保压时间 前已述及 这一过程主要是为补充物料进入模腔后骤然遇冷凝聚所引 起的体积收缩 因此该过程时间的长短主要取决于物料和模 具的温度 料温高 模温也高 则保压时间长 反之则短 冷却 定型时间固然一方面取决于物料和模具温度 另一方面也与 设备冷却方式有关 自然空气冷却和强制冷液循环冷却时间 相差很多 在整个成型周期中 以注射时间和冷却时间最为重要 它们对制品的质量具有决定性的影响 为了比较不同尺寸模 具的注射时间 引出充模速率或注射速率这一概念 所谓注 射速率 就是单位时间所注射的容积 注射速率越高 所需注 射时间越短 合适的注射速率是保证制品高机械强度和低收 缩率的重要条件 冷却时间主要取决于鞋底的厚度 过短 产 品变形 过长 不仅生产效率低 还可能脱模困难 以至产生 脱模应力 为便于参考 现列举两个不同类型SBS鞋底的注射成型 条件如表24 四 成型不良及其处理方法 SBS注射成型过程中 由于设备 模具 原辅材料 配方 以及多种工艺因素等的影响 往往出现制品外观和物理机械 性能低劣的现象 如充模不足 翘曲 飞边 气泡 收缩 色差 等等 现择其主要者 分析处理如下 充模不足 一般表现为距浇口位置远的地方鞋底花纹 不清晰或者根本就未填满 严重的甚至缺一块料 这可能由 以下几方面原因造成 a 给料不足 b 模腔排气不良 料充不 进去 c 料温或模温过低 d 注射压力不足 e 注射速度慢 f 料道 浇口阻力大 不符要求等 解决办法是 增加注射 量 提高注射压力 升高物料和模具温度 提高注 射速度 检查主流道与喷嘴和模腔排气孔有无异物堵塞 或者几何形状是否偏小偏长 鞋底呈现扭 翘 裂等形变 这主要是由于冷却定型时 间短 模温过高就生拉硬拽取出 或者取出后存放不当 都可 能引起鞋底变形 解决办法是 延长冷却定型时间 并注意从 模具中取鞋和随后的存放方式 不生拉硬拽 不乱叠乱放 收缩凹陷 浇口处 大底周边 后跟部 甚至整只鞋表 面 都可能出现这种情况 造成的原因是 料温过高 模温又 过低 或者保压时间不足 冷却定型时间也短 当然 料量不 足 或者模具溢料 模具设计不合理 厚薄相差太大等 也都 能引起这方面的问题 为此 应首先降低熔融温度 增加锁模 力和延长保压时间 其次应考虑适当提高模具温度 此外 设 计模具时 空腔部位应尽量作到厚薄一致 飞边 溢料多 注射压力过高 料量过多以及料温太 高 模具变形等 都是导致这一缺陷的原因 因此 要相应降 低熔融温度和注射压力 增加充模时间 调正注胶量 并检查 校对模具是否合缝良好 出现水印 即料流痕迹明显 产生这种现象除了模具 设计方面的原因 如浇口位置不合适 浇口尺寸过小等以外 主要是温度控制不当 应适当提高料温和模温 其他 如制成的鞋底太硬或太软 脱模困难 料流熔合 缝明显等等 这些弊病的产生除了某些模具设计不合理的因 素以外 多数是因温度 压力及注射 保压时间控制不当所 致 为便于参考 表25列出了注射模制鞋类时的故障排除 指南 1995 2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co Ltd All ri