【毕业学位论文】高分子熔胶于弹臂搭接处之射出成形与分子配向性分析-机械工程

國台灣科技大學 機械工程系 碩士學位文 學號：分子熔膠於彈臂搭接處之射出成形與分子配向性分析 of rm 研究生：王遠 導教授：陳炤彰 博士 A. 華民國九十九月二十九日 本研究為探討高分子材射出成形時在按鍵彈臂與外框結構搭接處的分子配向為，使用模具為政佑學長開發的功能按鍵。高分子材選定結晶性材的 定性材 討此種材在搭接處的分子配向為。本研究並用模分析充填為分析，並與射出成形之結果進短射比對。分子配向使用曼光譜作為分子配向的分析工具，在同的模溫分別對垂直與平於射出方向的搭接處，做曼光譜的結果比較。 固化層的鋒值強稍大於核心層，因此模溫對於核心層的鋒值強影響低於固化層 ，從峰值的變化可以得到結晶性材可由曼光譜中判斷分子的配向性。分析 分子配向性，在轉角處的峰值強差大，非晶性材在固化層形成大的分子配向，卻後及鬆弛即固定。一般分子配向研究較著重於平面的分析，本研究 結果可應用於具有高低差特徵的塑膠結構之射出成形特性比較，期 望提供設計者對此特徵的設計考，減少開發期程。 關鍵字：模分析，分子配向性，射出成形，曼光譜 is to of P by 9.1 is to to by is to to by of P is of is as BS be to of of by of 首先要感謝指導教授陳炤彰 博士在研究所最後一厭其煩的教導，對文的研究方向指正引導才能順完成，在此致上誠摯地謝意。 這篇文能夠完成得感謝實驗室的同學們在這段時間的幫忙，首先感謝豐吉 在射出成形與模分析的幫忙，志豪 在文與政事務的幫忙，敬賢 在電腦的協助還有國鴻 在文的最後階段陪同我起做實驗熱心並提供許多寶貴意。 還有感謝實驗室內所有的學弟們能在我需要幫助的時候能義容辭的答應 。另外感謝太松實業朱 先生、奇美陳秋貴 先生提供實驗需要的塑膠，公司的主管王志忠 先生與廖宏達 先生能夠寬容我在這段時間的正常出席。 最後，感謝我摯愛的母親 士與妻子維君 感謝您們對我的關懷與鼓，還有個可愛小寶貝，讓我在這段期間的生與心的到最大的支撐，能夠順完成學業。 遠 2010 6 月 29 日 於製造分析實驗室 中文摘要 . I .謝 . . 目 .目 . 一章 導 . 1 前言 .研究目的與方法 .章節介紹 . 6 第二章 文獻回顧 . 7 高分子材配向性與變特性文獻回顧 .膠射出成形的文獻回顧 . 14 獻回顧總結 . 15 第三章 射出成品高分子特性與實驗原 . 26 高分子性質的概 . 26 熱塑性塑膠. . 熱固性塑膠. . . .影響射出成型品材性質因素 . 28 充填速的影響 . 29 保壓機制的影響 . 29 卻機制的影響 . 30 高分子構造與分子配向性的關係 . 曼光譜分析儀的原與觀察 .彈臂搭接處的殘應測 . .四章 實驗設備與實驗設計 . 42 實驗設備 . 40 電式射出成形機 . 40 實驗模具 . 40 模溫機 . 41 烘機 . 41 塑膠材 . 42 測儀器 . 成型試片的取樣製作 . 曼光譜儀 . 應偏光儀. .實驗程規劃 . 56 模分析. .射出成形實驗 . 測比對分析 .五章 實驗結果與討 .分析、短射實驗 .形視窗實驗 .曼光譜測結果 . 68 曼光譜 分析結果 . 曼光譜 分析結果 .殘應之光彈測 .章 結與建議 . 95 .議 .考文獻 . A 15台規格 . B 大同 之機械性質 . C 奇美 性表 . 106 附 D 日本 性表 . E 曲分析結果 . 108 作者簡介 . 117 目 射出成型之壓 . 彈臂按鍵實 . 4 彈臂分子配向圖 . 5 噴泉現象示意圖 . 17 高分子在模穴的配向為 . 18 試片斷面示意圖 . 18 同比之 . 雙折射的測圖形 . 19 同保壓壓對厚方向的殘應影響 . 微道入子圖 . 同模溫的成型試片 . b 為靜態保壓 . 3D 相型態圖 . M 射出成型示意圖 . 22 . 23 . 23 . 23 . 24 同厚的工件 . 24 導光片上的雙面微溝槽 . 25 彈臂斷面示意圖 . 25 高分子依溫分 . 35 結晶性分子鏈分佈 . 35 定性分子鏈分佈 . 35 比容與溫關係圖 . 36 射出成型週期示意圖 . 37 分子鏈配向性受外影響 . 38 曼散設機制 . 38 瑞及曼散射過程 . 38 曼光譜儀 . 39 光彈光場示意圖 . 39 電式射出成形機 . 43 成品3D 示意圖 . 43 公、母模仁圖 . 44 模具示意圖 . 44 模溫機 . 45 K 電偶之溫感測器 . 45 溫感測器固定位置示意圖 . 46 烘機 . 46 子結構式 . 47 奇美 膠材 . .黏圖 .子結構式 .膠材 . .黏圖 .試片的斷面方向示意圖 . 53 試片完成示意圖 . 53 譜顯微鏡 . 54 射光源供應與光系統 . 54 應光彈分析儀 . 55 實驗程圖 . 60 析程圖 . 61 成品 3D 網格圖 . 62 3. 62 模溫作業示意圖 . 64 曼光譜測試點 . 65 質 A 穴短射比對 . 質 B 穴短射比對 . 質 A 穴短射比對 . 質 B 穴短射比對 . A 穴剖面溫分佈 （ . . A 穴剖面剪分佈 （ . B 穴剖面剪分佈 （ . A 穴動波前的態 . 80 B 穴動波前的態 . 80 .模溫 35 .模溫 65 .模溫 35及 65 4， 5， 6). 84 模溫 35及 65 4， 5， 6). 84 模溫 35與 65 1， 2， 3). 85 模溫 35與 65 1， 2， 3). 85 模溫 35與 65 1， 2， 3) .模溫 35與 65 4， 5， 6) .模擬 . 87 模溫50 4， 5， 6).模溫90B 穴垂直方向 (4， 5， 6). 89 模溫50與 90 1， 2， 3) .模溫50與 90 1， 2， 3) .模溫50與 90 1， 2， 3).模擬分子鏈同方向的照射 . 92 模溫50與 90 4， 5， 6) . 92 . 93 . 94 目 表 2分子配向性與變特性文獻 . 2出成形翹曲考文獻 . 4形設定表 . 4形設定表 . 5 Z 軸翹曲 . 5軸翹曲 . 5子振動模式對照表 . 83 表 5曼位移與分子振動模式對照表 . 83 表 5. 87 1第一章 導 言 高分子材憑藉著本身之優特性與日進的高分子加工技術，高分子製品持續朝著高性能、高效、低成本的方向快速發展。而高分子製品的尺寸與幾何結構也從傳統結構 製造往微米結構製造邁進。傳統的 射出成形主要分個階段，合模、充填、保壓、卻、閉模與頂出，主要的成形時間在充填、保壓與卻，又以所花卻時間最久如示，影響射出成形品機械性質的原因很多，除 已知射出如保壓及卻因素外 1，還有高分子材的性質、塑的結晶性以及分子的配向性等會影響產品的機械性質2 。本文以3的搭接式彈臂的功能按鍵為研究主題，此按鍵的熔膠是由工件薄處（彈臂）向工件厚處（外框） ，因此在搭接處形成阻動較慢，成形時間長，也會產生導致分子配向與熔膠向一致，產生殘應 與機械性質改變的問題。 輕薄短小是消費性電子產品一直變的趨勢，為滿足此產品的設計需求，外觀的件必須求縮小，一般手機與筆記型電腦的塑膠 2外殼大多為 下，而薄殻射出件又以翹曲變形對產品的影響最大，非常於產品的射出成形製造條件。電子產品中少負責與外界接觸的介面：按鍵，現今之按鍵設計可分為設定用之功能按鍵(彈臂機構)與一般輸入用之字 按鍵（彈性矽橡膠軟墊機構）種，功能按鍵之彈臂種依彈臂與外框架構接方式同，可分為側進式與搭接式二種 此探討搭接式的彈臂如因肉厚的變化並以半結晶性 (聚丙烯 非等向性 ( 膠(種材，研究搭接處的射出成形分析與分子配向性的關，期望能得到經常應用於電子產品的按鍵彈臂設計與塑膠肉厚變化時有用的考價值。 究目的與方法 本研究目的是比較結晶性材 非等向性材 充填時的射出成形差分析與彈臂因工件厚 變化產生的分子配向性，目前研究案。目前所知對微射出成形的成形品質控制，有關高分子的動與 變態特性與相對應的結晶效應與配向效應等的高分子結構態還有待進一步的研究與探討。藉由探討高分子在關鍵區域的高分子成形相 關性以提高高分子製品的品質。 3本研究方法包括模分析軟體 出成形實驗、曼光譜儀分析應與偏光儀觀察比較等四部份。茲明如下： （1） 軟體模擬分析：用 成品網格化經由模擬分析，以模溫、保壓與卻時間為模擬，驗證實際射出況是否吻合並可得出內部溫與壓分布情形。 （2） 射出成形實驗：取模分析的成形進上述材的成品取樣，模具以三板小點進膠，一模二穴設計， A 穴彈臂搭接處無導角設計， B 穴彈臂搭接處有導 R 角設計，以相同射出條件進取樣，比較搭接處的分子配向與殘應分佈。 （3） 曼光譜分析：針對平與垂直於熔膠向製作斷面割樣品，以固化層、剪層與核心層作為曼光譜的測試位置，再將同的成形比較對分子配向性的影響。 （4） 應偏光儀的觀察：透過應偏光儀的觀察，可以看到成形結構試片內部結構因材同與成形的關係而使的光線在同的物質的干涉現象（判出應的分佈情形。 4出成形週期時間示意圖 彈臂按鍵實 5A 穴 B 穴 能按鍵 A、 B 穴圖 節介紹 第一章導，內容為文研究背景、目的及方法，並明材性質與分子配向的關。 第二章文獻回顧，針對射出成 形技術與高分子性質研究的各別相關文獻之回顧。 第三章射出成品高分子特性與實驗原 ，討高分子在成形過程後的配向為並明實驗原與方法。 第四章實驗設計與測方法，內容為介紹成形的設計，實驗所使用之設備包含射出成形機 與測設備等並明測方法。 第五章為針對模分析與實際射出成品的高分子配向為進測，比較測據的結果並進觀察與討。 第章為此研究的結及針對此研究的過程與結的期望進建議。 7第二章 文獻回顧 本研 究延續 3之研究，考對高分子變的文獻回顧，探討高分子在彈臂搭接處的分子配向性的問題，第二部份為使實驗順進，同時也考與射出成形翹曲相關的文。 分子材配向性與變特性文獻 1974 提出分子配向性在成形的表面呈現沿著波前方向穩定的伸長，中心部份則受到波前後的剪 與凝固層間的影響如個態的分子所需的空間大小將由熱傳決定。 1986 以曼光譜儀測質的碟盤上表面層 ,剪層與核心層的分子配向性 義在曼位移635與 703現表面層因為模壁卻的關係在及鬆弛就被定向，同時核心層還在鬆弛的態，剪層則有較好的分子配向性。 1987 以 顯微鏡、掃描式熱卡分析儀（ 、 廣角 與紅外線（ 察試片 子配向性與斷面的相變化與卻時間及保壓設定有關。 1994 7混合苯乙烯丙烯腈（ 苯氧基聚合物（ 射出實驗並以 相變化 以觀察到 界較明顯， 結果為較高時機械性質較佳，黏較高， 較低。 1998 實驗以同成形條件進七種同的熱塑性塑膠（ 505、 收縮實驗，其結果証明保壓變化是主要的因素，熔膠溫次之，模溫及射速則影響大。非等向性材使用一簡單的熱彈模型及可預測其收縮程，半結晶材則較難預測。 1998 用雙折射 的圓型碟片面，發現有三種峰值特性，發現融膠溫與射速影響雙折射的效果較明顯，搭配有限原素分析並依此預測 2002 人 1以 成形材，分別研究薄件射出成形在同製程下對翹曲變形 與殘應的影響，並以田口方法進實驗規劃，最後再比對軟體模擬實作 現模擬與實作結果並無太大差，保壓壓為影響翹曲變形最重要之因子貢獻達 其次分別為模具溫、塑溫、保壓時間，而充填時間與澆口尺寸影響最小。另外提高融膠溫和模具溫及減小保壓壓，可以有效低成品殘應。 92003 0針對高分子熔膠在微道動的變性質做初步的研究。以微道尺寸 0.2 0.3 .5 2004 1 研究保持相同的其它射出 0、 50、 80、 100、 120、 150時相變化與機械性質的關係，研究發現層相的 發展與到達結晶溫時間及高分子配向時間有關，模溫較高時分子配向程較低，增加成形時初使結晶。當結晶溫時間大於分子配向時間因配 向作用較弱則配向層較薄，反之則配向層較厚。 2005 2 用混合同比的 同比的抗強 現 0抗強最佳。 2006 13以固定比 8020混合下材質 由動態保壓成形試驗，用2D 分子配向、機械性質與 果 次為 容性較高的材會低變形與分子配向，很 可能是分子之間的交纏互相影響。 102007 使用方式制融膠的動為，可改善沿著試片厚方向的分子配向與增加抗強。 2008范 14以 討射出對微結構的充填性與其高次結構的組成的影響，並透過偏光顯微鏡作觀察分析。觀察發現模壁至內部依次為固化層、剪層與核心層同相的高次結構，截面的厚約呈現 1:2:4，如保壓壓有助於密實充填微結構的成形。模具溫的提升，也有助於成品內結晶的生成。因 ，所以黏大於因此在微射出成形過程中， 2008陳 15以 用模分析的結果比較變為差，並與范智翔之結果作為比較。發現卻速、剪應變與材的結晶有相當大的關性，如 貼近模壁部分溫急速下，動性變差形成固化層。鄰近固化層的塑受到動時剪應的作用產生剪層，如 穴中央部分溫最高，受到的剪應最小則稱為核心層。提高射出壓讓微結構充填深寬比上升，但結果如提高模溫的明顯。當射出壓提高時，使得模穴內的壓及剪應變上升。 2008 6 ，用曼光譜分析 1元件內的分子配向性。針對截面上固化層和核心層的光譜做一比對，定義在曼位移在635 和 703 703) 現固化層峰值比高於核心層的峰值比，是 因為塑先接觸模壁卻後還及鬆弛就被定向。又將峰值比與各射出的轉寫作比較，發現模溫為影響分子配向最大的因子，這 篇研究主要探討如何有效控制射出條件得到高轉寫和低的分子配向性。 2010 17用同厚的工件 固層）的厚受到剪因模穴的影響而有同，表皮層的厚與工件的厚成反比，並使用 曼光譜的峰值比定義出同厚表皮層的官能基變化。 表 2分子配向性與變特性文獻 作者 代 內容 974 分子配向性在成形的表面呈現沿著波前方向穩定的伸長，中心部份則受到波前後的剪與凝固層間的影響。這個態的分子所需的空間大小將由熱傳決定。 4 986 以曼光譜儀測層與固化層的分子配向性，定義在曼位移635與703的峰值比，發現表面層因為模壁卻的關係在及鬆弛就被定向，同時核心層還在鬆弛的態，剪層則有較好的分子配向性。5 987 以 成形材試片，以顯微鏡、 察試片的斷面表層與中心層的結晶、分子配向性與斷面的相變化與卻時間及保壓設定有關。6 12994 混合 射出實驗並以 察同比的混合的相變化，可以觀察到 較高時，邊界較明顯，結果為較高時機械性質較佳，黏較高，較高時機械性質較差，黏較低。7 998 以同成形條件進七種同的熱塑性塑膠（S、505、收縮實驗，其結果証明保壓變化是主要的因素，熔膠溫次之，模溫及射速則影響大。非等向性材使用一簡單的熱彈模型及可預測其收縮程，半結晶材則較難預測。8 998 用雙折射的測方式測現有三種峰值特性，發現融膠溫與射速影響雙折射的效果較明顯，搭配有限原素分析並依此預測9 002 以 成形材，分別研究薄件射出成形在同製程下對翹曲變形與殘應的影響，並以田口方法進實驗規劃，最後再比對軟體模擬實作，發現模擬與實作結果並無太大差，保壓壓為影響翹曲變形最重要之因子貢獻達 ，其次分別為模具溫、塑溫、保壓時間，而充填時間與澆口尺寸影響最小。另外提高融膠溫和模具溫及減小保壓壓，可以有效低成品殘應。1 003 高分子熔膠微道動的變性質做初步的研究。得知在微道中動時融膠的黏相對於大尺寸道會低。10 004 在模溫30、50、80、100、120、150時並保持相同的其它射出，相變化與機械性質的關係，研究發現層相的發展與到達結晶溫時間及高分子配向時間有關，模溫較高時分子配向程較低，增加成形時初使結晶。當結晶溫時間大於分子配向時間因配向作用較弱則配向層較薄，反之則配向層較厚。11 13005 由動態保壓獲的混合高密聚乙烯與70%規聚丙烯的最佳的抗性質。12 006 以固定比 8020 混合下材質 OE、 由動態保壓成形試驗，用 D 子配向、機械性質與 種材之間的相容性，結果 容性最佳，依次為 完全相容，相容性較高的材會低變形與分子配向，很可能是分子之間的交纏互相影響。 13007 使用改善沿著試片厚方向的分子配向與增加抗強。 2范智翔 2008 以討射出對微結構的充填性與其高次結構的組成的影響，並透過偏光顯微鏡作觀察分析。觀察發現模壁至內部依次為固化層、剪層與核心層同相的高次結構，截面的厚約呈現1:2:4，如圖2壓壓有助於密實充填微結構的成形。模具溫的提升，也有助於成品內結晶的生成。因以黏大於此在微射出成形過程中，14 陳正剛 2008 以用模分析的結果比較變為差，並與范智翔13 之結果作為比較。發現卻速、剪應變與材的結晶有相當大的關性，塑貼近模壁部分溫急速下，動性變差形成固化層。鄰近固化層的塑受到動時剪應的作用產生剪層，如圖2穴中央部分溫最高，受到的剪應最小則稱為核心層。提高射出壓讓微結構充填深寬比上升，但結果如提高模溫的明顯。當射出壓提高時，使得模穴內的壓及剪應變上升。 15 008 用曼光譜分析對截面上固化層和核心層的光譜做一比對，定義在曼位移在635和703 635/發現固化層峰值比 14高於核心層的峰值比，是因為塑先接觸模壁卻後還及鬆弛就被定向。又將峰值比與各射出的轉寫作比較，發現模溫為影響分子配向最大的因子，這篇研究主要探討如何有效控制射出條件得到高轉寫和低的分子配向性。16 010 等人用同厚的工件發現表皮層（凝固層）的厚受到剪因模穴的影響而有同，表皮層的厚與工件的厚成反比，並使用曼光譜的峰值比定義出同厚表皮層的官能基變化。17 膠射出成形翹曲文獻回顧 2001陳 18藉由模分析軟體及值解析方式研究同的製程對成形品表面凹痕及翹曲變形影響 。測方面使用射掃瞄儀及三次元表面粗儀檢測成形品，將測結果與模擬值作比較，發現模具溫為影響翹曲變形的最主要因素，當模具溫低，塑溫增加時，模溫與溫之溫梯 增大，能減少板的表面凹痕。 2005陳 19針對設出成形對雙面微溝槽 究結果顯示微溝槽成形主要影響因素為模溫，次要因素為射速，而同位置的微溝槽 成形會因射速的同而有差 2007張 20設計製