注塑工艺对塑料性能的影响综述

注射成型工艺对塑料性能的影响摘要：塑料有很多种成型方法，其中注塑成型是最重要的成型方法之一。注塑成型过程中主要由三方面的工艺条件控制。其中，与温度有关的条件有：机筒温度、模具温度以及由于摩擦引起的温度升高；与时间有关的条件有：塑化时间、注射速率、保压时间以及冷却时间等；与压力有关的条件有：塑化压力、注射压力和保压压力。本文主要论述注塑压力，注塑时间，冷却时间，保压时间，保压压力，模温以及后处理条件等对塑料拉伸或冲击等性能影响。关键词：注射成型、成型工艺、塑料性能、温度、压力、时间塑料成型是一门工程技术，它所涉及的内容是将塑料转变为具有使用价值并能保持原有性能，甚至超过原有性能的材料和制品。塑料有很多种成型方法，其中注塑成型是最重要的成型方法之一。注塑成型亦可称之为注射成型，或者简称为注塑。注塑成型过程是一个典型的间歇操作的循环过程，其基本过程是：颗粒状的高分子材料经过注塑机螺杆的挤压和加热成为熔融状态的可以流动的熔体，在螺杆的推动下，塑料熔体通过注塑机喷嘴、模具的主流道、分流道和浇口进入模具型腔，成型出具有一定形状和尺寸制品的过程。注塑周期主要由闭模、注射座前进、注射、保压、预塑、冷却、开模、顶出制品等程序组成。在注塑成型过程中，注塑机的工艺参数会对注塑制件的性能有较大的影响，使塑件不可避免得产生这样或那样的缺陷，影响其力学性能。要研究注塑工艺对塑料制品性能的影响，首先要了解塑料成型的理论基础。一、塑料成型的理论基础1.聚合物的加热与冷却聚合物在成型加工中为使流动和成型，加热和冷却是必须的。任何物料加热与冷却的难易是由温度或热量在物料中的传递速度决定的，而传递速度又决定于物料的固有性能热扩散系数，这一系数的定义为：。聚合物在加热时不能将推动传热效率的温差提得过高，因为聚合物的传热不好，局部温度就可能过高，会引起降解。聚合物熔体在冷却时不能使冷却介质与与熔体之间温差头太大，否则就会因为冷却过快而使其内部产生内应力。因为聚合物熔体在快速冷却时，皮层的降解速率远比内层快，此时皮层坚硬。当内层获得进一步冷却时，必会因为收缩而使其处于拉伸的状态，同时也使皮层受到应力作用。这种情况下的聚合物制品，其物理性能都比应有数值低。2.聚合物的结晶聚合物加热过程中，伴随有加热、冷却和保压等作用，这将强烈影响到结晶聚合物的形态和最终产品质量，因为结晶聚合物的形态结构不仅与聚合物本身的分子结构有关，还与其结晶形成的历史密切相关。二、注射成型工艺对塑料性能的影响1.注射速率在注塑成型过程中，注射速率是影响材料充填和最终分布的最主要的工艺因素之一。注射速率是指在注射时，单位时间内所能达到的体积流率，是注射容量与注射时间的比值。注射速率对塑件有很大影响，而注射速率的确定，应根据不同的注塑制品的结构、形状和尺寸，浇道系统和塑料的性质，以及有关的流变数据而确定。总的来说，注射速率必须保证流变数据中对指定材料所允许的切变速率和最短流动长度，必须保证由剪切而产生的热效应不超过聚合物热物理性质和切变强度所允许的程度。注射速率主要影响熔体在型腔内的流动行为，注射速率的高低直接影响注塑制件的抗冲击性能。注射速率的提高将使充模压力提高，高速率充填可以维持熔体有较高温度，使熔体的粘度降低，流道阻力损失减小，这样，熔料得以以较高压力进入模腔，使之具有较高模腔压力，可使流动长度增加并使塑件质量均匀而密实，从而使制件强度会随注射速率的增大而增大。但是，过高的充模速率会增加压力损失，会造成熔料的不稳定流动而发生弹性湍流，造成胀模而出现熔料溢出现象。另外，在高速注射时，模腔里的气体往往来不及排出，混杂于熔料中而严重影响塑件的质量，故而使强度降低。2.保压时间保压时间，即注射成型时在塑料充满模腔后对模内塑料实行补料的一段时间。当原料为结晶型塑料时，保压时间的控制十分重要。在一定时间内逐渐增大保压时间，试样简支梁强度随保压时间的增大而增大，当保压时间达到某一特定值后，制件强度相对稳定。因为保压时间太短会造成聚合物熔体的致密程度和收缩程度不一致，导致制件强度降低。3.机筒温度提高机筒温度有利于改善充模状况以及熔体在模腔内的传递，降低取向性等，有利于制品的综合性能的提高，但温度过高也不可取。当机筒温度接近注塑上限温度时，一方面容易产生较多气体，使塑料产生气泡，变色，烧焦等，也因黏度过低产生飞边；另一方面，温度过高会使塑料降解。因此机筒温度要进行很好的控制。4.模具温度模具温度是指在注塑过程中与制品接触的模具型腔表壁的温度。塑料熔体注入模具型腔后，会释放大量的热量而凝固，此时需要模腔维持在一适当温度。在此温度下，将最有利于塑件的成型，塑件成型效率最高，内应力和翘曲变形最小。模具温度是控制制品冷却定型的主要因素，它直接影响着熔体的冲模流动行为，塑件的冷却速度及成型后的性能。如果模具温度选择合理，则可有效地改善塑件的内在性能和外观质量。在注塑成型过程中模具温度是由冷却介质控制的。模具温度越低，冷却速度越快，熔体温度降低得越迅速，使熔体粘度增大、造成由于冷却不均匀而引起的收缩上的差异，严重时甚至于引起充模不足，这都将导致制件强度降低。随着模具温度的增加，熔体流动性增加，所需充模压力减小，制件表面质量提高。对于结晶型塑料，由于较高温度有利于结晶，所以升高模具温度能提高制品的密度或结构晶度。在较高的模温下制品中聚合物大分子松弛过程较快，分子取向作用和内应力都会降低。所以，在一定范围内升高模具温度会使制件强度提高，但是模具温度亦不能太高，否则会造成顶出困难。同时，模具温度过高会使冷却时间增长，从而使制品的生产率下降。5.注塑压力压力与塑件的许多特征有关，提高注塑压力有助于熔体充模，增加制件密度，减少制件收缩，并提高尺寸的稳定性。但塑件内应力以及取向也随之增加，造成制件脱模困难，损伤制品表面，还有可能产生飞边。一般较高的注塑压力对产品的综合性能是有益的6.保压压力保压压力是在注射完给模具型腔中的物料补充时的压力，防止物料回流或冷却产生缺陷。保压过程中注塑机的喷嘴不断向型腔补料，以填充由于制件收缩而空出的容积。在注塑过程将近结束时，螺杆停止旋转，只是向前推进，此时注塑进入保压阶段。保压阶段的作用是持续施加压力，压实熔体，增加塑料密度，以补偿塑料的收缩行为。在保压过程中，由于模腔中已经填满塑料，背压较高，在保压压实过程中，注塑机螺杆仅能慢慢地向前作微小移动，塑料的流动速度也较为缓慢，这时的流动称作保压流动。由于在保压阶段，塑料受模壁冷却固化加快，熔体粘度增加也很快，因此模具型腔内的阻力很大。在保压的后期，材料密度持续增大，塑件也逐渐成型，保压阶段要一直持续到浇口固化封口为止，此时保压阶段的模腔压力达到最高值。当压力低于或高于最佳保压压力时，强度都会降低。因为保压压力过小，补缩作用小，注塑制件内部会因收缩而形成气泡，塑件表面也会形成凹痕；保压压力过大，在浇口周围易产生较大的内应力，从而都导致制件强度降低。7.塑化压力塑化压力是指螺杆顶部熔体在螺杆后退时受到的压力，也称为背压。一般来说，增大背压，螺杆后退速度减小，熔体收到压力增大，塑化时的剪切作用加强，塑化效果提高。但增大背压后，一方面熔体在螺槽边缘的反流和漏流而减少了塑化量，引起计量段物料不足；另一方面，会使剪切过高，剪切应力过大而使物料降解，产生气泡或烧焦，影响制件质量。通过以上分析可以看出，注塑成型工艺的不同对成型产品的质量的影响是大不相同的，只有各种成型工艺参数控制在相应的参数范围时，才能保证塑料制品的综合性能达到最优。而最优的工艺参数范围需要大量的生产实践和理论分析相结合来确定。参考文献黄锐主编.塑料成型工艺学（第二版）.北京：中国轻工业出版社，2011刘廷华主