注塑成型制件尺寸稳定性研究

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g2013vol.31No.7

注塑成型制件尺寸稳定性研究

关于尺寸稳定性的研究我们已经讨论了造成制品尺寸变小的影响因素。但是也存在一些环境因素，它们使得制品的尺寸随着时间增加。其最好的例子是尼龙制品吸收空气中的水分时会出现的尺寸增大。

许多聚合物具有吸湿性，由于大气中总是存在水蒸气，因此这成为聚合物吸水的主要来源。在正常气候条件下许多吸湿性材料经过一定的时间可以吸收0.1%～0.2%的水分。但是对于尼龙材料来说，由于含有氢键，它吸水的程度更大。在相对湿度为35%～65%之间的“正常”环境室温条件下，未填充尼龙的平衡吸水量按重量计算大约在1.5%～2%之间。如果是在连续侵入条件下，这将提高到5%～8%之间。水气吸收水平改变了聚合物的力学性能。许多设计人员和工程师抱怨表示，在低温干燥的冬季几个月内，室内湿度降至5%～10%之间，会引起尼龙制品的韧性不足而开裂，所以有很多生产厂家有意地调湿处理

正在成型的尼龙制品。这样可以在几

天时间内使得尼龙制品吸湿达到平衡状态，而无需花费长达几周或者几个月的时间。

制品从离开模具的那一刻就开始吸收水分。与成型一样，制品的吸水率大约等于进入注塑机的颗粒吸水率。由于我们假设所有的尼龙在成型前得到得当的干燥，因此这将使得未填充尼龙生产的制品吸水率低于0.20%或2000ppm。这就是我们所指的干燥成型。就此来说，0.2%～2.0%的吸水率就可以开始加工过程。

水分对尼龙材料而言也是一种塑化剂。水分可降低尼龙材料的玻璃化转变温度，比如，用尼龙6和尼龙6/6加工的大负载荷制件时，其玻璃化转变温度可从65℃～70℃之间降低到10℃左右。水与尼龙都具有同样的氢键，当水分进入到尼龙制品当中，水分可随机地粘附在各个尼龙分子链节上。

当水分子按照这种方式定位时，使得聚合物链节之间的空间增加。吸收的水分越多，体积膨胀的越大。测量制品的人有时会注意到制品尺寸变大。

如果在室温条件下，尼龙6或尼龙6/6制品的尺寸增加量通常可达到未填充时的0.5%～0.6%。如果温度增加，吸水量将增加，相应的尺寸变化将变得更大。填充料和增强材料能够减少尺寸变化，但即使是在最佳的条件下模塑成型填充量很高的尼龙制品，每英寸制品大小仍然会有大约0.1%或0.001英寸的膨胀。对于加工企业和最终用户在首制品验收时确定测量制品的条件来说，认识到这点很重要。

虽然尼龙材料的吸水性是个极端的实例，但是大量的聚合物都存在一定程度的吸水性能。聚醚砜和聚醚酰亚胺等材料随着时间可以吸收达2%重量份的水。但是，由于这些聚合物是无定形的并且具有极高的玻璃化转变温度，吸收的水分对其尺寸和性能的影响要比对尼龙的要小。但是当环境变得较为苛刻的，即使是认为在潮湿环境下尺寸非常稳定的材料也会产生令人意外的反应，特别是装配件中的有严格公差要求的情况。

聚甲醛经常被当作尼龙的替代材

Dimensionalstabilityaftermolding

治明编译

本系列文章的前三部分（1-2部分刊于第4期，3部分刊于第5期）主要分析了造成成型制品变小的影响因素。但是环境因素也会造成制品尺寸的变化。

材料吸湿性对制品尺寸的影响（4）

料，从而避免了吸收水分相关的困难。聚甲醛在加工之前很少干燥的事实强化了吸收的水分不再令人担心的这一概念。在相对湿度为50%的室温条件下，未填充的聚甲醛仅吸收大约0.2%的水分，膨胀率大约为0.2%，结果所产生的问题要显著低于尼龙材料所遇到的问题。

但是，聚甲醛为极性聚合物，条件合适的情况下能吸收较大量的水。在相对湿度为100%的条件下，吸收率提高到大约0.8%，尺寸增加量达到0.7%。

对于聚甲醛活塞通过匹配件孔进行传

动时，这种特性就会产生显著问题。在

活塞和孔之间积累的公差范围为：每

0.6英寸直径为0.004英寸到0.010英

寸。在室温条件下，装配件按照要求发

挥功能。

验证测试包括在85℃温度和95%

相对湿度条件下的延长调节过程。这

就使聚甲醛制品吸收足够量的水分，容

许其增长0.004英寸。所加工的制品达

到公差的低限，使两个制品之间具有

确保其正常运行的足够公差。但是如果

制品成型时达到公差的高限，因为吸

水而随之产生的膨胀足以造成制品过

紧并限制运动。

在结束尺寸稳定性讨论之前，我

们将讨论源自于所有材料所具有的一

个性能的可逆影响：热膨胀系数。在下

一部分，将讨论该性能是如何影响制

品在不同环境下的检测结果。

所有材料都有一个被称为热膨胀系数（CTE）的性能。大多数材料尺寸随着温度上升而增加，尺寸随着温度下降而下降。

在法国巴黎附近的国际计量局，存放有一个由90%铂及10%铱制造而成的“米原器”，其上有两个非常精密的刻线。这根米原器保存在严格受控的条件下，在0℃条件下两端刻线之间的距离等于1米。70多年来米原器起到全球国际单位体系（SI）测量基本单元标准。

为什么需要付出如此多的努力定义长度单位？答案部分是因为所有材料拥有的性质：热膨胀系数（CTE）。大多数材料尺寸随着温度上升而增加，并且尺寸随着温度下降而减小。对于大多数金属材料而来，该值大约为10×10-6m/m℃。而对于大多数未填充的聚合物来说，该值约高出一个数量级，或者是温度每改变1℃每英寸变化一英寸的万分之一。

来自生产和测量精密公差产品领域的故事证明了该性能的重要性。在本系列文章的第一部分我们评价了未

填充PBT聚酯制品的情况。该制品本

质上是一个圆柱体，高约5英寸，端部

封闭，其上设有浇口。从其底部边缘到

制品另一端的临界深度尺寸为4.941

+0.008英寸。每次生产时保持这一尺

寸都是一项挑战，尤其是标称壁厚是

0.25英寸，并且制品成型后不稳定，直

至成型后经过2小时。

这种不确定性在第一部分探讨过，

通过建立关键尺寸和时间的图形得以

解决。但是该制品在经过几年后产生了

很多难题，它们总是因为一些意外的事

件让我们寻找办法。

这些制品在被运输到客户手中之

前，需先拿去外面的工厂做机械加工，

然后返回到我们工厂内进行最终的检

测。某一次这些制品从机械师那里退

回来，并且尺寸有所减小。这段时间是

在威斯康辛周的一月中旬，当时的户外

温度只有10℉（-12℃），远低于室温

的35℃。

工作人员将制品放进质控实验室

内，质控人员采用深度千分尺再次对

制品做严格的尺寸检查。当我拿起一

件制品进行观察时，注意到它是冰冷

的。我建议质控人员将制品恢复到室

温之后再进行检测。当时他们照做了，

制品神奇般被再次确认是合格的。

观察在研究中的PBT聚酯性能，

预测了其行为。用热膨胀系数0.000075

英寸/英寸℃乘以35℃温度变化量和

接近5英寸的长度，制品尺寸变化了差

不多0.013英寸，或者整个图纸公差的

跨度。这体现了标准化条件下测量关键

尺寸的重要性。

有时候你会看到一张图纸，上面

实际注明应该检查的温度范围。这反

映出意识到制品尺寸热膨胀系数的重

要性，竞而成为重要的因素。正如其它

我们一直在讨论的所有考虑要素一样，

制品越大，重要性变得更加突出。

这还涉及到一条经验，即我们在

1980年代早期首次在注塑机上开始

SPC时学习到经验。在制品运行时，检

查并绘制关键尺寸图的重要性是SPC

大重要信息之一。因此在注塑机上放

置检查工具变得有意义，操作员在作图

环境温度对制品尺寸的影响（5）

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时可以检查并输入尺寸并观察控制图。其中有些仪表被用于测量关键尺寸，精度到一英寸的万分之一。我们在分析Cp和Cpk值数据时，我们发现令人失望的低加工能力结果，即时是在特定的时间内得到的任何给定的一组样品范围内，都不能说明该情况属实。此外，检查员在事后检查SPC用途收集的样品整个运行过程，这一变化仍然非常小。

最初这被认为是质检人员引入到测量过程的更强的专业技术，以及进行全部检测的单个人员降低了仪表某些方面重复性和再现性的事实。但是进一步研究发现原因更多。从尝试将SPC引入到生产地板开始，工厂就没有经受气候控制环境的变化。任何在没有气候控制的注塑车间工作的人员，他知道在夏季的月份，即时是在威斯康辛州，建筑物内的温度也会变化显著，

能从早晨一大早的相对凉爽条件变化

到早晨第二换班时候的闷热气候。

工厂的温度计记录的温度波动高达50℉（28℃）。当我们观察我们的控制图时，我们可以看到和这些温度波动有关的波形，它们叠加在生产工艺的标准变化图上。仅仅由于热膨胀系数的影响，在工厂最热的条件下成型的制品收缩值与较冷的条件下相比，不会收缩相同的量。这不仅仅使得工艺变得不胜任，而且它经常让技术人员和质控人员采取的针对措施不完全与留下的趋势印象一致。

因此，除了我们已经讨论过的尺寸稳定性相关其它考虑因素，我们必须增加一条：在不同的环境条件下检测时，即使已经变得稳定的制品仍将产生不同的测量结果。材料的热膨胀系数、制品尺寸以及和被检查尺寸有关的聚合物取向都会影响检测温度条件下测量值对温度的敏感性。

全球30个铂铱合金材料标准米原器之一，1890年进入美国。（图片来源：美国国家标准与技术局博物馆）

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