聚丙烯注塑制品成型收缩率的影响因素

1、2005年南京复合材料技术发展研讨会论文聚丙烯注塑制品成型收缩率的影响因素 徐宏彬 笪文忠 (扬予石化股份有限公司研究院南京 210048)摘要：本文对聚丙烯加工过程中出现的成型收缩率大的问题进行了分析，重点讨论了注塑过程中的剪切 应变、压力、模具温度、机筒温度以及充模速率等几个方而的因素对收缩率的影响，也对其它一些影响 因素进行了归纳总结。关键词：聚丙烯 成型收缩率 注塑1前言塑料制品的质量取决于材料(树脂、加工助剂等)的选择和成型加工条件。塑料成型加工是一门科学 与工程紧密结合的交叉学科，其任务是：了解材料的特性，确定最适宜加工条件，制取最佳性能产品。热塑性塑料注塑制品成型时收缩率与结晶度

2、及球晶大小密切相荚，球晶与聚合形式及助剂有关，而结晶 度不仅取决于化学结构而且还受到加工过程中冷却速率、熔体温度、模具温度、制品厚度等的影响，给 模具设计确定型腔尺寸和控制制品尺寸精度带来困难。生产中迫切需要了解注塑工艺对各种塑料收缩率 的影响规律。聚丙烯具有较高的结晶性，给产品带来较好的刚性，但也决定了其较大的制品成型收缩率， 给其在注塑领域的应用带来了不少的限制，通常，pp的结晶度通常为4070，其它为非定形区，由此 它的成型收缩率会出现在l25范围内。在与一些下游应用厂家的交流中经常碰到需要解决降低pp的 成型收缩率的问题。因此不少石化研究院所对在pp的生产和加工两个过程中如何降低其收缩

3、率等问题进 行了研究。2常用聚丙烯加工技术聚丙烯作为增长最为强劲的通用塑料，与其具有较宽的成型加工适应性有很大关系。如pp可注塑、 吹塑、真空热成型、涂覆、旋转成型，也可熔接、机加工、电镀和发泡等，并可在金属表面喷涂。目前， 常用的聚丙烯成型加工技术有注塑、挤塑、薄膜、发泡等。常用聚丙烯按聚合方式及其链段结构的不同，可分为均聚、无规共聚以及嵌段共聚，通常注塑采用 均聚和嵌段共聚pp，挤塑三种都可以使用，吹塑和薄膜(如bopp)可采用均聚和无规共聚pp。目前市场 上注塑成型和挤出pp使用量较大。一般注塑温度在180210c之间，注塑压力在65140mpa，模具温 度为40彳0。预干燥温度在舳左右

4、|11。3聚丙烯的成型收缩性与注塑工艺聚丙烯的成型收缩率一直是注塑厂家所关心的指标，成型收缩率包括结晶收缩，取向收缩、热收缩、 负收缩和后收缩。通常，pp从注射温度降低到室温时，体积收缩较大，收缩率一般在1-25，且具有各向异性，并存在占总收缩率10一15的后收缩。成型收缩率的大小与树脂性能、注塑工艺参数、制品壁厚及是否有颜料存在有关。其中注射压力和 树腊温度的提高对降低成型收缩率有利，且对产品的其它性能无不利影响。因此在注塑过程中，往往选 用较高的注射压力，以防止物料在充模时的冷却效应给流动性带来不利的影响。以下分别是注射压力、注射时间、模具温度及树脂温度对成型收缩率的影响。31注射压力 注

5、射压力是指嫘杆端面处作用于塑料熔料单位面积上的力，也可以指注射时的充模压力，随着充模压力的提高，制品成型收缩率随之减小。如进行塑瓶生产时，当充模压力从50mpa增大到100mpa， 瓶 体收缩率由166降低到162。因此采用高压注射使充模压力增加有利于降低制品收缩率，其降低收缩率的原因是当高压注射时，塑料分子问受到的压缩程度增大，分子与分子之间的结合更紧密，进 而制品收缩程度相应变小。封口压力是指熔体在特定温度和压力下交入模腔并一直持续到浇口封13这一段压力。封口压力对制 品收缩起决定性作用，封口压力越高，制品收缩越小；如果注射时的工艺条件和设备不能保证稳定的封!竺!壹堇墨全塑茎苎查墨墨竺苎全

6、笙查!塑!：!：!里! 口压力，就会使制品产生收缩波动，影响制品的尺寸稳定性。封口之前的模腔压力取决于保压压力，保 压压力实际上可看作维持保压阶段的注塑压力，如果浇口冻封时间是一定的，那么提高保压压力必须使 浇口的封口压力提高，保压压力对浇口封口压力的影响实际e就反映了对收缩率的影响，而保压压力实际e也是注塑压力的直接反映。图3显示注射压力核成型收缩率的关系。4透3粪z擎l03050709en0 130150注射压力巾pa图3 注射压力与成型收缩率的关系(沿料流方向)32充模速率充模速率是指充模时的线速度，充模速率对pp带,j品收缩率的影响较复杂。从料温与传压的角度来说， 提高料流的速率有利于

7、压力的传导，使收缩下降。但注射速度太大，摩擦生热大，制品体内应力增大， 增加各向异性，制品收缩率也增大。充模速率是由注射速度确定的另外也受模具结构影响(如浇口截面高度与模腔深度的比值)充模 速率对成型收缩率的影响具有双重性，如果从分子结构方面来看，提高充模速率将会使结晶和取向作用 加强，结晶收缩和取向作用都会增大，成型收缩率具有增大趋势；但是充模速率增大以后，有助于克服 熔体迸a模腔对的困难，如果注射聍闻不变，则模腔内的进料量必然会增加，这意味着脊缩对阗相对延 长，于是成型收缩率将会下降。图4显示注射时间与成型收缩率之间的关系。4桨3 篓z 掣l0l2 3 45 6 7注射时间s雷4 注射时间

8、与成型收缩率的关系(沿耨流方向)33模具温度 模具温度是控制制品冷却定型的主要因素，它对成型收缩率的影响主要表现在浇口冻结后制品脱模之前这段过程。浇口发生冻结后，模具温度对浇口封口后pp制品的收缩起主导作用，它通过分子的冻结 取向影响型腔表层冻结层的厚度和形成速度，此时注射压力和保压力的影响将会消失。随着模温的升高， 冷却定型时间亦将延长，故脱模后制品收缩率般都会增大，这是因为模温高会使塑料结晶固化层的增 长速度减慢，此温度因与环境温度的差别加大，引起制品热胀冷缩的作用相对增大，因而收缩率相应增 大。两降低模温可使冻结层迅速变厚，减小制品收缩率。图5示出模具湿度与收缩率的关系。!塑童墨全翌鲨查

9、查!塑苎竺竺圭2010 鬟 00 糌 90好80擎706050304050607080模具温度c图5 模具温度与成型收缩率的关系(沿料流方向)34熔体温度 pp制品在保压流动和冷却定型阶段的收缩都随熔体温度升高而增大，其中料流方向收缩率降低得尤为明显，当熔体温度较低时，料流方向的收缩率大于垂直方向的收缩率，随熔体温度升高，收缩的方向 性较小，并出现一拐点，注塑温度应高于此温度为宜。但在实验过程中，也有随着机筒加热温度的提高， 其收缩率反而有所降低的情形。图6示出机筒温度与制品收缩率的关系，这可解释为熔体温度升高导致 粘度降低，若保持注塑压力和保压压力不变则传递到模腔的压力会相应增高，由于浇口处

10、温度较高， 浇口的封口时间就可能延长，这有利于补充物料和增加密实程度，也可减少收缩c但是，在试验过程中还发现，熔体温度高时要相应提高锁模功率；这势必增加模具和顶出机构的负 担，同时也延长了制品的冷却周期，导致生产率降低，因此在实际生产时最好不要采用提高机筒温度和 熔体温度的办法来提高充模能力，尽量使用低温模塑。250装230 蒋2-10 姆190娶170150190 210230250270290310机筒温度(熔体温度)c图6 机筒(熔体)温度与成型收缩率的关系35 pp的结晶性对成型收缩率的影响”pp属结晶型聚合物，其结晶度最高可达70，pp熔体在模具中冷却时伴随着结晶，最大结晶速度在12

11、0c以下出现，并放出大量的结晶热，因此模具的冷却控制很重要。冷却过程还有明显收缩(高于熔 点30 9c下熔融，然后冷却到室温25 6c时的比容变化为16)，导致成型收缩率较大。pp注塑制品，由于 表面与模具接触，冷却较快，温度较低，晶核形成容易，球晶难以长大；内部冷却较慢，则温度较高， 晶核形成较难，晶核密度小，球晶可以长得很大。因此表面球晶小而内部球晶大，球晶的大小对pp的物 理机械性能影响很大。一般而言，凡能降低结晶生长速率的因素，都可以减小制品中的结晶度，有利于 减小收缩率，如降低模温，提高熔体温度等。另外，pp结晶的后期可能会出现二次结晶，主要分布在残留的非晶区和结晶不完善的部分区域内

12、，2 005年南京复台材料技术发展研讨会论文2005 1 11819是一次结晶的延续，因此二次结晶速度很慢。另外，有些制品的成型中还会发生一种后结晶现象，这些 晶区是在成型前或成型过程中形成的，但不完全，在成型后球晶进一步长大，这也是一次结晶的延续。 二次结晶和后结晶都会使制品的性能和尺寸在使用和妒存过程中发生变化，通常在厚壁和骤冷时容易出 现。解决办法是退火处理，退火温度一般控制在tgtm范围内，最佳温度是在最大结晶速度的温度附 近，是一个接近丁等温和静态的结晶过程。36其它因素有研究表明”，配混料的收缩较聚合级材料下降50，尤为值得一提的是，聚台级材料的收缩率在13至2，2之间，而配混级物

13、料的收缩率在05至1o之间。同时随着弹性体用量的提高，材料的收 缩率下降。无论对于大型模还是小型模，收缩率随着型腔压力增加而减小，与模的大小无关。设备加料机构和顼出机构也会影响制品收缩率，如顶出不良，加料不正常，螺杆叫位不充分，螺杆 转速不稳定，背压不均，液压系统止回阀工作不正常，热温元件控制不灵，冷却过早等，都可能影响制 品收缩率。从材料本身考虑，也可能有几方面的原因影响制品收缩率。最常见的是材料颗粒不均、含水量不均、材料成分有变化等。有时加入着色剂也会引起制品收缩，因为有些颜料体系含有影响尺寸稳定的成分， 而且这些颜料即使非常微量(如o001)，也会影响成型收缩率，使得收缩率增大，并使得收

14、缩出现各 向异性，垂直于料流方向的收缩率大于流动方向的收缩率。另外，有研究表明颜料的浓度对成型收缩率 影响不大4总结pp的成型收缩率与原料和加工条件都相关。从原料角度来讲，可以优化pp的结晶形态，调整聚合工 艺或是添加适合的成核剂，使得球晶细化，达到改善成型收缩率的目的；从加工条件来讲，_j以从浇口尺寸、制品壁厚、注射压力、充模速率、机筒及模具温度等方前来调节，当然，这其中的因素很多，相互之间的影响关系也很复杂，很多问题还有待于进一步深入研究。参考文献1)瞿金平、黄汉雄等，塑料工业手册，化学工业出版社，20012)洪定一主编，塑料工业手册，化学工业出版社19993)曹民干，注射工艺条件与pp成

15、型收缩率的关系工程塑料应用，2002，30(1)：21-23；4)赵文聘、黄海清等，聚丙烯改性料的收缩率的探讨，工程塑料应用，2000，28(11)：8105)王松杰等，聚丙烯精密注射成型收缩率的研究塑料加工，2003，37(5)：33-34；the influencing factors ofpolypropylene molding shrinkage in injection processinghongbin xu wenzhong daresearch institute ofyangzi petrochemical co，nanjing210048abstract：the molding shrinkageof ppin injection processmg was described inthis paper,some key influence factors were discussed emphasisly which included剪切应变、injection pressure、moldtemperature、melt temperature and filling rate，also method