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第一章注塑技术篇Injection Moulding of Thermoplastice 本书是一部注塑工序指南，内容是关于一些被视为热塑性的塑料。热塑性塑料对塑料业来说是一种颇具重要性的物料，约占目前世界各国所采用的塑料总数80；大致可分为四类： 1）通用热塑性塑料( commodity/bulk thermophastice)； 2）工程热塑性塑料( engineering thermoplastice )； 3）热塑性弹体或橡胶( thermophastic elastomers/rubbers)；及 4）调配或掺混热塑性塑料 ( blends/alloys)。 上述各种名词一向均为人所共知，但由于现时塑料不断改良，因此各类塑料之间的界线再不能清楚划分。以PP为例，有 时 被 纳 入 工程塑料类，有时又不包括在内。由此说明，某一种塑料可以跳出既定的范围，而扫入另一类别中，例如PP，以前为列为通用塑料类，但经过塑料改良后，现已被列入工程塑料类。 塑料改良技术其实与聚合物工业( Polymer industry)一样，已有相当历史。例如将硫（sulphur）加入交联橡胶（cross-link rubber）内；将橡胶加入聚苯乙浠（polystyene PS）内；这种改良方法能所冲击强度（im-pack strength）差劣的PS改良成一种可供制造高跟鞋鞋跟用的优良塑料。在上述两种情况中，物料之间并不是纯粹的相加作用，而是塑料与塑料之间以化学方法接技接合。在第二个例子中所形成的新聚合物HIPS是一种热塑性塑料，故可以再加工。但交联橡胶则不然，因为这种化学结构在热力下仍颇为稳定。换句话说，最理想的热塑料是能够像其他热塑性塑料般加工，但亦具备交联塑料特有的性质。这引起了现今塑料工业对聚合物调配（poiymer alloying）方面的兴趣，希望能从研制出更理想的热塑料。通用热塑性塑料 包括各种主要塑料；如PP，PVC，PS及PE等，而从中又可 细 分为多个品种，例如PP包括了均聚物（homopolymers）及 共 聚 物（copolymers）；PVC包 括 硬 质（rigid）及塑化（plasticised）品 种；PS分 为 一 般 用途及增韧（toughened）级，简称TPS或HIPS；包括了LDPE、LLDPE及HDPE等。虽然目前所用的塑料这中，约有70是属于这类塑料，但其重要性不应过份抬举。此类塑料之所以被广泛应用，主要原因是生产所须的原料比较便宜，可轻易转化成有用的塑料制 品。此外，据知这类塑料的性质可经改良，与较特别亦较昂贵的塑料竞争。UPVC 就 是其 中一个例子，由于它本身具有防火的优点，故被研制成多种品级，使之在某些用途中可与工程热塑性塑料竞争。工程热塑性塑料：第1页 工程塑料（EP）是一组结合了下列某些性质的聚合物：高强度、刚硬、坚韧、耐磨损、抗化学品及耐高温。（有关个 别 塑 料 的 塑 性 能 已 详 载 于 本 书 作 者 之 另 一 作 者“ Injection Moulding of Engineering Thermoplastice” 内。） 有关工程塑料的资料一般都着重于聚酰胺（PA）、聚甲醛（scetals）、聚碳酸酯（PC）、热注性聚酯及改良聚苯氧PPO（或称改良聚苯醚PPE），因为目前全世界所采用之工程塑料有90以上是属于上述其中一类，（而这五类工程塑料 占 全 球 所 用 的 塑料总数约8。）其他工程塑料如砜类（sulphones）及改良聚酰胺只占总用量中很小比例（约1至2），因为它们大部份是用来代替金属零件，故特别昂贵。至于大量使用的EP，虽然耐热性较低（150以下），而在高温下的抗蠕动性（creep resistance）也特别差，但用途却十分广泛。热塑性弹体： 热塑性弹体（TPE）又称热塑性橡胶（TPR），虽然是较新的塑料，但由于新市场不断开拓，同时在某些情况下可以取代其他塑料或传统橡胶，因此，其用量及使用价值不断提高。它们既具备传统或硫化橡胶的一些性质，亦兼备热塑性塑料加工简便快捷的性能，并且可以再加工，以及有多种颜色可供选择。TPE是以特制聚合物（如SBS，PEEL）或调配橡胶及塑料（如PVCNBR及PPEPDM）为基料研制而成的。调配或掺混热塑性塑料： 调配或掺混塑料的原因很多，包括：要研制出特别的塑料、加强现有塑料的性能、在短期内提高塑料的性能，以廉价成本提高塑料的性能，及将用过的塑料再次使用等。通常，由于时间及金钱所限，不容许研制新塑料，譬如可能要花15年长的时间去发展一种新塑料，成本可能要数百万元；但如采用调配方法，成本就便宜得多。另一原因是制造商认为新塑料难以长期满足市场需求，当市场发展到相当程度时，改良性能的需求亦随之增加。 调 配 塑 料 通 常 是 利 用 双 螺 丝挤压机（ twin screw eztruders ），以反应配料法制成。双螺丝挤压机大多是以模件式设计，因此可根据特定的调配树脂种类而建造出合用的挤压机结构，故能促进生产，更重要的是能令配混塑料达致均一。由于有些工程塑料在某些应用情况下所表现的性能差劣，而且成本昂贵，故目前主要致力于发展掺混工程聚合物（ Enhineering polymer blends , EPB）。 掺混工程聚合物大致上可分为下列各类；工程塑料或工程树脂（EP）与通用塑料调配而成的品级、两种工程塑料调配成的品级、工程塑料与弹体调配的品级，以及由三种或以上 聚 合 物 调 配 成 的 品 级，因 而 产生了各种配搭的品种；PPO/PS, PPO/PA, PC/ABS, PETPBT，PBTPCSAN等；而每种调配成的品级均可用填料增强。总体来说，调配塑料第2页的目的是希望能生产出一种具有最佳成份的新聚合物，同时具备特定情况所要求的主要物质，删除不重要的物质。 在讨论个别塑料及其注塑特性之前，首先解释本书所引用的各个名词及术语的定义：1通称 虽然大部份塑料的专有名称很特别，但有时却不全逻辑或系统化。大部份热塑性塑料的名称都以“poly” （聚）起首，表示多，再接上塑料沿用的单体结构名称，因而产生出“polystyrene” 、“polyethylene” 等名词。但这并非一成不变的常规，有些亦采用独立的名称，如“acetals” 及“cellulosics” 等。曾经有人建议用一个较逻辑化的系统为塑料命名，惟至目前为目仍未被接纳。2缩写 由于塑料的化学名称多数都很复杂，故通常以缩写代表。缩写是由英文大楷组成，每个字母均代表塑料通称的一部份。例如polystyrene 及 polyethylene 分别缩写成PS及PE。多个订定标准的机构如DIN及BSI等均已颁布一些缩写的准则，本书除采用标准化的缩写外，亦引用了一些非标准得广泛使用的缩写。不过，目前似乎还有一种趋向，就是不在塑料名称缩写前加上任何字母，例如低密度聚乙烯（LDPE）会写成PELD。 若塑料是一种均聚物，例如PP homopolymer ，根据上述方式会写成PPH，原不是“H” 改置于PPR后成。至于共聚物则在该塑料缩写后面加上“K”字，而不采用“C”字，因为“C”是用以代表氯化塑料，例如经过氯化工序，以改善耐高温性的PVC，便写成PVCC。3别名： 许 多 塑 料 均 有 多 个 名 称，例 如acetals 又 称 polyformaldehyde或polyoxynethyker，遇 此 情 形，本书亦会同时并列。某些香港工业常用的塑料，本书亦会列出其在香港工业的俗称，以供参考。4供应商： 由于塑料的销售网遍布世界各地，故不能像其他商品般可以尽录制造商的名称，因此，本书只能列出部份有代表性的供应商，如Dow 、Dupont等。5商品名称注册商标： 由于有些注塑厂一向以不只沿用塑料的商品名称或商标为主，故本书尽可能列出各公司产品的商品名称或商标，不过是以规模较大的化学公司为主。6物料性质 本书将介绍热塑性塑料之各项性质。但由于每种塑料是由一系列不同性质的物料构成，故这里举出的只应用为一般性的参考准则。另外，加工条件及添加剂亦会大大改变塑料的性质；例如将不同的添加剂加入塑料基体中，以达到所要第3页求的性质，譬如改良耐热性、耐老化、改良冲击强度等。此外，又可加入填料，以改善塑件的冲击强度、拉伸强度及热变形温度（加 入 织 维 或填料等改良方法广泛应用于工程塑料，务求使塑料达到所要求的性质）。 除此之外，又可加入加工改良剂或性能改良剂，例如抗静电剂、减孔剂或脱模剂等。又或者加入含有起泡剂的浓缩液，以便进行结构泡沫注塑工序。7流动性 塑料之间的流动性（即黏度）相差很大，加上每一类塑料有各个不同的品级，各品级亦有不同的流动性质，故令到问 题 更 有加 复 杂。此外，由于塑料的流动性质是非牛顿式（ non-Newtonian ）的，因此，压力与流动之间并无直接关系，由此所见，单单一个数字并不足以代表塑料的流动性质，故须在各个不同操作条件下进行流动性试验，所得的结果才具有代表性。 Moldfiow（Europe ）Ltd公司之物料数据库贮存了上述物料数据，如有需要可从数据库取出有关资料，以引证塑料的流动性质。所提供之数据包括在固定剪切率（Shear rate ）下改变温度所产生的影响，以及在固定温度下改变剪切率对流动数值的影响。剪切率是以秒的倒数（S1）表示，换句话说，这数值愈大，塑料受剪切或压迫流动的速度就愈快。在多情况下，塑料会表现出假塑性（psuedoplastic），即是 说 如 塑 料 快速移动，其黏度就会较低，因此，流动性较大。表一列出BASF所生产的一些聚苯乙浠（PS）品级的黏度值。表1塑料流动数据物料 于以下温度及1000s1剪切率下的黏度 （Nsm2）：BASF Polystyron180200220240360F392F428F454F易流动级 143E1971379566一般流动性级 165H20315211485慢流动级 168N238184143111物料于220(428F)下的黏度(Nsm1)：1001100011000011000001Polystyron 143E40695222Polystyron 165H596114224Polystyron 168N815143254 表中清楚显示，BASF的三个PS品及黏度相差甚大，第一种的黏度最低，亦即流动性最佳（数值较低表示黏度较低）。这品级主要用于填模困难或流动距离较长的注塑情况。当剪切率增加，这三个品级的黏度随之下降，故填模变得较容易。提高熔胶温度可减少将流量保持于固定速率所须的注射压力。 选定适合的塑料后，下一步便要选择适合的品级。若注第4页塑有是用于机械应力强的用途，就应选择用黏度较高的品级，因为高黏度品级通常有最高份子量及最佳的机械性质，但在某些情况下，却又不宜以此作准，否则会产生过量的冻结应力（frozen-in strains)。注 塑 薄 壁 部份或非常平滑的表面时，则宜采用流动性高的品极。8收缩性： 由于塑料会收缩，故大部份塑料制品的实际体积都比原来模具小。各类热塑性塑料的收缩程度皆不同，非结晶性热塑性塑料的收缩量亦为半结晶体的4倍。此外，各品极之间的收缩量亦各异，而加工条件的转变，亦会影响到收缩性。不同的流动方向，例如顺流与垂直流向的收缩量便显着不同；就半结晶性塑料来说，顺流方向的收缩量约等于垂直流向的双倍。 此外，同一流向的不同点，也有不同的收缩量，例如流径增长时，模腔的压力便会下降，而这些低压区域的收缩量会较多。当制品厚度增加，收缩度亦较大，故这部份的收缩量便与其他部份不同，因此，若制品各部份壁厚不同，便可能形成扭曲的现象。 基于上述原因，各塑料的收缩性通常以一个范围值表示，模具收缩是以百份比（例如0.4）功线性收缩（例如0. 004寸寸或毫米毫米）来表示。 一件制品的总收缩量（TS）是由模具收缩（MS）及注塑后收缩或后收缩（AS）构成。模具收缩（Mould Shrinkage)的定义为：制品从模具顶出24小时后，模腔制品之间的尺寸上的差异。注塑后收缩（Post-moulding shrunk-age）则是制品注塑完成后接受特效处理所出现的收缩现象，亦称为环境收缩（environmental sheinkage）。 当模具温度及或熔胶温度上升时，模塑收缩量亦会随之增加。不过，实际上当模具温度提高时，制品的总收缩量却往往减少，故通常可造出尺寸稳定的制成品。如果模具温度非常高，后收缩便相应地变得微不足道，即使是半晶体塑料亦如是。高模具温度通常用于要求紧密公差的用途。9可抵抗以下物质： 中文所述的抗化学性质，只可作为一般参考性资料，并非绝对，因为每种塑料均有不同的品级，其中有些品级的性质是完全不同的。不过，一般来说，塑料具有良好的抗化学性，而在政党情况下，半结晶性塑料的抗化学性亦比非结晶性佳。当温度上升时，所有塑料的抗化学性都会减退。检查注塑塑料的性质时，必须紧记加工对塑料的性质都有很大影响。如果预先知道注塑塑件的应用环境，最好先向物料制造商查询有关该种塑料在此特定环境下的性能表现，因为即使是表面安全的环境，有晨亦会发生故障。 因此，塑 料 所 表 现的搞化学性主要是视乎应用情况而定，并与所处的时间及温度有密切关系。若制品是应用于极端的环境，或有多种化学品产生作用的话，便须要索取更多第5页资料，始能确定适合的塑料。 本书所介绍的抗化学性主要着重于塑料对强酸、弱酸、碱及溶液的抵抗性质。强酸是指在稀释后仍保持强烈性能的酸液，而弱酸是指经过加浓后性能仍然薄弱的酸液。熔剂则包括极性及非极性；极性溶剂是指物料本身不均衡，故份子之间可以电荷划分。极性溶剂包括水、酒精、酮（Ketones）、酯（esters）及局部卤化（halogentde ）的溶剂。非极性溶剂包括四氯化碳（carbon tetrachloride）、苯（benxene）及碳氢（hydrocarbons）。10不能抵抗以下物质： 塑料的短期抗化学性一般均为人所共知，而较长期的抗化学性及坑环境应力色一裂性（ESC）却较少人熟悉。 一种塑料或许能抵抗某种化学性（例如水），但长期性试验，例如经过数百小时后，却可能出现不同的结果，因此，最可靠的做法是在特定环境对制品本身进行测试。此外，在某些情况下，抗环境应力龟裂性更难以确定。抗环境应力龟裂的定义为：把制品置于某一环境中（譬如一种表面上安全的化学品中），在受应力的情况下会破裂。直至制品破裂，试验才算结束。 另外一点值得注意的是，塑料与金属的表现各有不同，金属及其他塑料所受的化学腐蚀通常只限于表面，使制品重量减轻。惟塑料则不然，它会吸收化学剂，继之软化及膨胀，故制品的重量会增加。在一些极端的情况下，塑料表面溶解或膨胀后分解脱出。使制品重量减轻。11塑料测试或鉴定法： 中文介绍一些较便宜及容易进行的测试鉴定方法，包括密度、熔点及加热表现，测试亦应依照这三个程序进行，假如测试所得的密度颇高，例如超过1.7gcm2，物料样本可能是一种氟化聚合物，而由于它在加热时会有冒烟的危险，故不能进行加热试验。同样道理，进行加热试验时只可使用少量样本，最好在烟橱内进行。12著色： 著色对塑料业来说非常重要，而塑料被工业界广泛利用的其中一个主要原因，就是由于塑料可以加上各种鲜艳夺目的颜色。a化合色料（ Compounded Colour ） 由于非结晶性的热塑性塑料是透明的，故著色范围比半结晶体广泛。传统上所有塑料产品是采用有我胶粒注塑而成，但现时将色粉加入注塑机内注塑著色，过程十分简单，故目前色种（colour concentrae ）及色母料（masterbatch ）有注塑业的用途愈来愈普遍，并可与其他未著色的天然物料连合使用。 直至目前为止，化合色料著色法仍可算是最精确的著色技术，可生产出准确、重复性高而深浅适度的颜色，最适宜小批量生产。虽然注塑机著色法的缺点是各部注塑机的颜色第6页并非完全一致，但此法却渐受欢迎，尤其是采用色母粒料。b色母料著色（masterbatch colouring ）： 色母料分为粒料及液料两种，均可调配成各式各样的颜色，其中以粒料最为普遍，是以蜡状或树脂为基料的通用介体（ universal carries ）或基体聚合物（特定聚合物色种）作为母料，以后者的价格较廉。采用某种通用色母料之前，最重要的是先查明这种锴料是否适用于该种塑料。有些色母料据称是通用的，但采用前仍要小心检查。有时候，即使色母料浓度保持固定，但用于不同塑料时，却会产生出不同的色调；而在另一些情况下；即使塑料色母料的配搭一样，但如使用不同的注塑机生产，亦会生产出有差异的色调。注意：由于色母的颜料浓度非常高（例如50），故大部份色母料的密度都很高，并还超须要著以的物料本身的密度。密度上的差异会引起离析（ separation ）问题，尤其是采用分批混合法 （ batch mixing ）的时候。 至于液料的用途，却不如想像中的普遍，最成功的应用例子是采用单色作长期生产，因为在此操作情况下，可确定并维持精确计料，以达致均一的颜色，不过亦存有一个缺点，就是如液料溅泻，或份量不正确的话难以清理。c干色粉 （dry colour ）： 最廉宜的著色法是采用干色粉，但有一大缺点，就是使用时吸麈及肮脏。市面现有标准份量供应，例如以25公斤或较大份量包装。采用这些标准装可提高生产过程中的颜色均匀度及准确性。使用干色粉著色时，塑胶粒的表面必须盖上一层均匀的著色剂，以便颜色能平均地散布于熔胶内。配混的方法（例如轴或多轴转动）及时间必须有标准，才可确保著色均匀。著色步骤确定后，就必须技之以恒。此外亦在避免色粉在贮存期间吸收水份，否则容易凝结，令注塑品出现斑纹。有些色粉（如镉基 cadium based 色粉）因为有毒，故处理必须十分小心，亦因此原因，干色粉的用途日趋息微。总之，无论采用哪种类型的著色粉，必须紧记；颜料或染料的类型对注塑品的物质及尺寸有重大影响。d螺丝设计及著色： 螺丝设计是决定于注塑机整体操作性能的重要因素之一，虽然如此，但其重要性却常被忽略，尤其是在提高注塑机的著色剂份量（如采用色母粒）时。传统的螺丝设计，缺点是在简单的配混操作中效率不高，即使采用高熔胶温度及高背压亦如是。设有排气孔机筒的变段式螺丝操作效率较佳，亦可考虑采用装有混合段的螺丝。13塑料及制品的处理 制造商的注意力通常只集中于改善注塑工序的操作，而忽略了塑料及制品处理方面的问题。a塑料供应及处理 大部份塑料均以粒状或球状供应，通常以25公斤一袋的第7页半散装容器（载有1000公斤）或以散装式付运，后者的成本较高。无论以何种包装法讨运，塑料都必须小心存放，因为多数塑料的价格昂贵，并且是易燃物品。 所有 贮 存 及 起卸区必须保持清洁干爽。为减低火警危险，贮存室与注塑工场之间必须以防火门分隔。贮存有塑料不能直接受阳光照射，应存放于结实的货架上。一般来说，自然通风、非高温的环境已合乎标准。此外，必须受取严密的措施监管塑料存货，避免存滞过多，应采用先入先出（FIFO）的存货管理制度。严格的存货管制十分重要，因为每次付运都有数批不同的存货，而其中可能有次货；采取严密的管理制度，就可以即时辨认出次货，将之抽起，这样便可进上步防止生产出有缺陷的制品。 假如塑料有一种以上的形式，如果混合使用这些形式，时料时便会出现问题。以输出率来说，圆球状的颗粒（直径约3 毫米）输出率最高，翻磨粒状次之，随之为切方粒料及圆切面切割粒料，而输出率最差者为幼粉末粒状。 用自动化系统输关塑料时，必须防止麈埃产生。所有设备均须安放稳妥。 由于许多注塑厂商都忽略了塑料及制品处理的重在性，致命物料用制品妥到污染。物料的主要污染物质为水份，而制品方面则是油脂。b水份污染及烘干处理： 塑料运抵注塑工场时，首先要将塑料的温度调整至工场温度，此举可防止塑料被凝固的水份污染。举例说，当塑料运抵工场时，无须立即开启容器，应把容器存放于工场内8小时；尤其是在冬天及湿度高的季节，更应预早将每日所须的塑料用量存于工场内。 大部份塑料均以干式供应，可随时使用，只有小部份是湿的，注塑前就必须烘干处理。许多塑料，尤其是工程塑料，都具有吸水性，故使用前必须弄干。（事实上许多注塑厂已习惯事先必定把塑料烘干。）此外，可采用抽湿机将湿塑料的湿度减低至可接受的水平。此举不但可减低塑料的水份，更 能清除那些在达到注塑温度时会挥发成气体的物质。不过，有些塑料如PC，经抽湿机处理时会因与水接触时受热而损失某些物质。至于损失了哪些物质，多数不能从塑件表面察觉出来，例如有些塑件表面看来合乎标准，但使用后却发现冲击强度不足。测量塑料吸水程度的常用方法是量度塑料在室温下24 小时内所吸收的水份，如吸水量超过0.2，塑料通常须要烘干。若在0.2以下，便无此必要。洪干处理所采用的设备为热气炉、干燥机或真空干燥机。后两者较快、吸水力较高，所须的时间只是热气炉的一半；对某些塑料来说更是唯一可取的方法。 塑料经烘干后不应长期置于开放式料斗内，否则会两次吸收水份，特别是ABS及PA66等吸水塑料，吸水后的注塑制品表面会出现水渍或裂纹。注塑机模具配搭使用时，必须先计算出塑料用量，以便确定料斗的准确加料量，这样便可第8页避免塑料长期存放于料斗内。吸水塑料存放于料斗内的时间不可超过1小时。c、计算料斗加料量： 以注塑机模具配搭进行注塑时，必须计算出料斗所须的加料量，目的是避免过多塑料长期贮存于料斗内。所用的料斗通常是加热式的，而塑料于料斗内的存放时间不可超过 1小时。 举例说，某注塑机在24 秒（24s）周期内可生产6 件制品，每件制品及进料流道的重量分别为14 克及12克，因此总射料量是：（6x14）1296克，然后利用下列公式计算出加料量（Q），即每小时的塑料消耗量（kg/h）为：Q总射量量（g）36001000周期时间（s）Q963600 14.4kg/h（公斤小时）100024 由此得知，料斗应加入14.4公斤塑料。加料时要留意水平，不能超过这份量。d、制品污染： 制品顶出后常遭受油脂污染（油脂通常是由肘板toggles、模板衬套platen bushes 及液压油缸密封件hydraulic cylinder seals 滴出）。遇此情况立刻作出修补，并采取预防保养措施，控制油脂漏出。（现时采用全电动操作的注塑机在干净的环境下亦可生产塑件。）导致油脂污染的其中一个主要原因是，顶针周围有油脂漏出，尤以ABS注塑工序为甚。保养模具的方法是先剥脱模具内的物塑料，然后彻底清洁。再用白色的PTFE基润滑剂重新装配模具。许多塑料都很易吸麈，清洁方面甚为困难，成本亦高。故最佳的预防方法是经常遮盖塑件，尽量避免搬动，因为塑件容易磨损（事实上塑件互相轻触亦会磨损）。另外，许多制品因为包装差劣，以致搬动时受损；用手触模塑件时容易留下油脂，导致问题生产，例如使电镀工序出现困难。因此，搬动塑件时应戴上清洁干净的手套，除非已预先实行预防油脂的措施。 每种塑料对于模具设计的要求不同，稍后将会提及。尽管如此，仍有些准则可循：a）模具设计上应与热交换器相似；b）应采用尺寸恰当的进料流道系统；c）注塑件应均匀冷却；d）模具必须有足够的排气；e）尽可能采用标准模具组件及附件；f）尽可能采用无流道式模具；g）采用已预先韧化处理的钢材；h）利用电脑辅助模具设计；I）预留适量的收缩