改性塑料为注射成型原料时所面对的问题
注射成型也可称之为注射模塑,是塑料制品成型的重要方法之一,采用注射成型得到塑料制品的总量占各种成型方法制得的塑料制品的30%以上。
注射成型的三大要素是注射成型机、模具和工艺条件(参数)。本文主要涉及施用改性塑料为注射成型原料时所面对的不懂的题目,因此会商的基础是在一台比较完善的注射成型机上进行,主要涉及模具设计的制造和工艺条件。
(1)注射成型周期
如果从浇口起头进料算起,应当包括:
浇口进料→充填模具至型腔完全充满→保压→压力释放→模具开启→制件脱离模具→模具闭合→起头下→循环。
(2)注射成型工艺条件
包括温度(料筒温度、熔体温度、喷嘴温度、模具温度等)、压力(力)(塑化压力-违压、注塑压力、保压压力、液压系统油压、合模力、顶出力等)和时间(速度)(注射时间、保压时间、补缩时间、冷却时间以及开模、脱模、闭模、喷脱膜剂、安放嵌件等所需要的时间)。
(3)模具设计与制造
模具经由过程装配形成一个或多个空腔,空腔的外形就是制品表面的外形。和会商改性塑料材料关系最直接的就是改性塑料材料尺寸变化率(成型收缩率)和加工流动性对模具设计的影响不懂的题目。
(4)注射成型制品常出现的缺陷
与所用的改性塑料材料有关的缺陷有:欠注(充填不足)、翘曲、缺刻及缩痕、流痕等
2.2施用改性塑料材料作为注射成型原料带来的不懂的题目
2.2.1增重不懂的题目
在填充改性材料中,或多或少地施用非金属矿粉体材料,如重质碳酸钙、轻质碳酸钙、滑石粉、沉淀硫酸钡、硅灰石粉、云母粉等等,另有最近几年来无卤阻燃电器器件需要施用无机阻燃剂,如化学反映天生的氢氧化镁、氢氧化铝以及水镁石粉碎而成的氢氧化镁等。这些粉体材料的疏密程度凡是都在2.5g/cm3以上,是常用的聚乙烯、聚丙烯、ABS树胶的2~3倍,甚或更多。有些填料的堆积疏密程度似乎不太大,但它们是以非常细小的颗粒像大海中的海岛一样均匀分布在基体塑料的大海之中,此时其真实疏密程度就会闪现出来。因此加有填料的填充改性材料的疏密程度是大于基体材料。当塑料制品的计价方法是以质量为基础时,价格低廉的非金属矿粉体材料当作合成树胶以同样的价格出售就会贡献极高的利润;而当塑料制品是以件数、长度、平面或物体表面的大为计价基础时,因为同样重要的物料,填充有疏密程度大组分的其体积自然减少,体此刻件数减少、长度减小、平面或物体表面的大减小,直接影响到销售总收入。
注塑制品的模具型腔是一定的,将纯塑料材料换成疏密程度大的填充改性材料后,单体制品的体积不变,质量增加,同样质量的物料得到的制品件数减少,当减少件数酿成的损失超过施用填充材料带来的效益时,这种填充改性对于减低原材料费用的意义就丧失了。从长期积累的经验看,因为疏密程度增大,制品件数减少,在注射成型的塑料制品中填料量如少于20%,其综合效果是带来的经济效益不明显,而填料量超过20%时,其疏密程度的增加已经可以明显感觉到,这就是为何在注射成型加工中施用填充改性材料受到制约的重要原因。
应当指出的是填充改性材料的疏密程度并不等于不同组分疏密程度的算术加和,如高疏密程度聚乙烯(PE- HD)的疏密程度为0.96g/cm3,而重质碳酸钙(CaCO3)疏密程度为2.7g/cm3,当重钙和PE-HD在填充材料中各占50%时,其疏密程度为1.60g/cm3,而不是按组分算术加和的0.96×50 2.7×50%=1.83(g/cm3),这是因为在填充材料中重钙颗粒与塑料基体之间没可能完全贴紧,存在一定空隙,只不过这种空隙因为注射成型时的高注射压力而十分狭小罢了。反之在吹塑薄膜历程中,因为膜泡吹胀使材料受到径向拉伸,牵引提膜又受到纵向拉伸,因此加有填料的高分子在拉伸历程中相互之间形成空隙。在同样操作条件下,材料中的高分子数目越少(填料量越多),则这种空隙就越大,而填料颗粒就藏在这些空隙之中。因此加有30%重钙填料的聚乙烯薄膜的疏密程度仅为1.1g/cm3左右,而不像注塑制品至少要达到1.25g/cm3以上。单向拉伸工艺制作的聚丙烯扁丝也存在同样的环境,既使加入 15%的填料,同样质量的物料将能得到薄厚不异的同样长度的扁丝,只不过加有填料的扁丝从微观上看高分子之间存在更大的空隙(像渔网的网洞一样)罢了。
2.2.2加工流动性
热塑性塑料凡是都具有三态,即玻璃态、高弹态和黏流态。注射成型加工是将物料加热到熔化,也就是处于黏流态时,才进行注塑,使其物料进入模具型腔并充满,然后冷却定型成为制品。从出产效率讲要求注塑周期越短越好,就要求熔化物料在一定压力下易流动,流的快并能快速充满型腔,出格是型腔复杂的、流道狭小的、投影平面或物体表面的大大的、有薄片状部位的模具,更加注重熔化物料的加工流动性。
凡是大家关注的是合成树胶的熔体流动速度。熔体流动速度的确可以反映合成树胶在熔化后是否容易流动,例如PE-HD,注塑级的各种商标树胶,其熔体流动速度都在5g/10min以上,而吹膜级、中空级的树胶,其熔体流动速度大都低于1g/10min,像7000 F的熔体流动速度仅为0.05g/10min。
对于改性材料,如果没有填料和出格加入的助剂,仅只是不同类的聚合物共混,共混物的加工流动性往往是各组分加工流动性的算术加和,但如果相互之间或与另外添加的助剂发生了化学反映,就会具有全新的加工流动性,尤其是橡胶类改性剂或热塑性弹性体存在的环境下,答对这种改性材料加以透彻的研究,不仅要得到静态环境下熔体流动速度数据,并且还要了解在动态环境下熔体黏度的环境。
因为本身不具备熔化可能的非金属矿粉体填充改性材料的存在,如果不加入必要的表面处置惩罚剂和润滑剂,那将大大影响熔体的加工流动性。如果粉体填料的表面已经被偶联剂等表面处置惩罚剂有机化,并且在体系中存在适量的润滑剂,填充材料是可以或许具有杰出的加工流动性的。
需要指出的是不同的粉体填料因其颗粒的几何外形(球状、块状、片状、纤状等)不同,对加工流动性的影响大不不异;同时,偶联剂或其他表面处置惩罚剂以及外润滑剂的用量对整个体系的加工流动性影响很大,在制作填充改性专用料时应当充分思量这些因素对整体填充材料加工流动性的影响。此外因为填料颗粒越细,所需的表面处置惩罚剂越多,所需降服的流动阻力越大,在制作填充改性母料或专用料时应当注意到所用的填料不宜过细,至少在整个粒度分布中,过细的颗粒所占比例应尽可能少,以保证填充改性材料在熔化状态有较好的加工流动性。
2.2.3填料存在的环境对注射成型周期的影响
因为矿物填料比聚合物有着大得多的热导率,因此含有填料的聚合物被加热到一定温度所需的时间要比纯聚合物短得多。例如将含有碳酸钙(体积分数为0.25)的PVC片材加热到200℃(测量点为PVC片材中心,即1/2厚度处)所需时间仅为3.5s,而纯PVC片材在不异条件下所需的时间为10.8s,两者相差3倍。冷却时也是这样,加有矿物粉体填料的聚合物冷却快得多。这种本身热性能上的特点好居于于加热快速、冷却快,有利于缩短成型周期,提高注塑出产效率,但也需要注意模具的温度,因为熔化物料冷却过快将会使流动性变差,甚或不遑充满型腔就被冷到熔化温度以下了。
2.2.4对制品外形和尺寸变化率(成型收缩率)方面的影响
不同几何外形的填料在熔化物料流进型腔时城市按照阻力最小的原则排列,就像漂在水上的树梢其长度标的目的会与河水流动标的目的相符,水中的衣服会成为片状被河水托着运动一样,纤状的填料其长度标的目的往往会与熔体流动标的目的相符,而片状填料会在流动标的目的上像房上的瓦片一样叠落起来,而不会是混乱无序。因为纤状和片状填料(如玻璃纤维、硅灰石为纤状,云母粉、滑石粉为片状)其热膨胀系数在不同标的目的有区别,在它们取向后会导致注塑制品冷却时收缩不均匀,造成翘曲变形。
聚合物从熔化状态冷却到常温都要孕育发生收缩现象,出格是对结晶聚合物,其尺寸变化率(成型收缩率)随结晶程度变化面不同。如聚丙烯的结晶度分别为0和100%时,其疏密程度分别为0.851g/cm3和0.936g/cm3。疏密程度越大,说明分子排列的越紧密,从宏观上看就是尺寸变化率(成型收缩率)越大。表1列出常见的一些聚合物的结晶温度和结晶度。
表1几种聚合物的熔点(结晶温度)和结晶度
聚合物PE-HD均聚PPPETPA66PA6
熔点/'C 151172275272223
结晶度/%0.800.630.500.700.50
各种改性剂(聚合物或填料)加入到某一基体聚合物中时城市影响到其结晶行为,凡是都是不利于基体聚合物分子整齐排列,即使结晶度降落,而有的有机化合物或细小的无机粉体颗粒还能起到成核剂的效用,使基体聚合物分子结晶变细,不易长大,从而影响到收缩行为。表2列出一些改性剂对聚丙烯成型收缩率的影响。
表2几种改性剂对PP成型收缩率的影响
改性剂用量/%成型收缩率/%
纯PP1.7 POE301.2 SBS 301.05 EPDM 301.12 PE-LD301.3 PE-HD301.2
碳酸钙(800目)300.8
滑石粉(1250目)300.85
云母粉(325目)200.75
玻璃纤维300.54
其他聚合物如热塑性弹性体或聚乙烯的加入,影响了PP的结晶行为,并且跟着用量增加,这种影响呈线性递增,PP的成型收缩率逐渐降落。尽管不同聚合物的影响程度稍有区别,但它们的变化规律是相符的。非金属矿物粉体材料如碳酸钙、滑石粉和云母粉等对PP的成型收缩率影响也有着不异的趋势,跟着用量增加,PP的成型收缩率逐渐减小,并且这种减小的幅度要大于等量聚合物的影响。这是因为一方面无机粉体材料本身不随温度降落而收缩;另一方面无机粉体材料的存在减低了 PP大分子结晶度,并且微细的粒子起到成核剂的效用,阻止了大球晶的形成,都使得PP的结晶行为受到限定。
玻璃纤维对PP的成型收缩率影响最大,并且经过表面处置惩罚的玻璃纤维影响更为明显,当添加量达到30%时,PP的成型收缩率从纯PP的1.7%~2.2%左右降落到0.5%。
在实际注射成型出产中,模具的尺寸设计需要思量所用物料的成型收缩率。如果物料改变,而先后两种物料的成型收缩率相差较大,就会带来两方面的不懂的题目:一是制品表面凹凸不平;二是脱模困难。如ABS的成型收缩率为0.5%,而改性PP的成型收缩率往往在1%以上,因此当用改性PP代替ABS作为制品原料时,尽管改性技术已是可以使材料性能不差于ABS,但如果仍然施用本来的模具就不能得到外观满意的制品,甚或脱不下于模来。一般电器外壳的模具每套需要几万元,如果因更换物料就废掉本来的模具,重新设计和制造,对于很多制品加工厂来讲是很难接管的,这也是目前注塑制品加工企业不轻易用改性材料替换价格更高的本来施用的材料的重要原因。
2.2.5注塑机螺杆的掺混能力不懂的题目
螺杆式注塑机的机筒和螺杆承担着对成型物料加热、塑化、运送和注塑的任务。因为在设计注射成型机时,针对的物料是单一组分的聚合物,最多也是加人一点着色用的色母料,因此主要思量能否在有效时间和螺杆长度上能将物料充分加热到熔化温度,不用思量物料中各种组分的均化不懂的题目。为了使注射成型制品施用的原材料达到改性目的,施用经过完全混合混炼好的专用料长短常必要的,这样在注射成型时只需调整到最佳工艺条件即可顺遂操作。但有很多环境下基础料一定,而实现改性目标靠的是在基础料中加入改性组分,最简单的例子就是在PE-HD、ABS或HIPS等基础料中加入以碳酸钙、滑石粉等为填料的填充母料。常用的比例为基础料:填充母料=7:3或8:2。注塑机的螺杆长径比往往只有12:1,而螺杆旋转的时间(即后退的时间)也仅只几秒钟,要在这样短的时间里,依靠以运送为主要功能的长径比仅12:1的螺杆可以或许把基础料和填充料或其它功能母料完全混合均匀,熔化塑化并达到微观"海-岛"结构状态,长短常困难的事情。不同组分的混合均匀是塑料制品外观与性能达到要求的基本条件,不仅要求改性组分在基体组分中的分布要均匀(即任何一个局部区域里各组分的比例都不异),并且要求分散均匀,即分散相不能有明显的团聚现象。对此一方面要求填充母料或功能母料具有比基础料更好的易塑化能力,也要求在可能的条件下施用改性材料的注射成型机的螺杆有更好的混合混炼能力,或者在设计制造注射成型机时引入振动场或其他外力效用,增强剪切效用和物料的运动幅度,才能在短短的螺杆旋转时间里让改性材料和基础材料掺混到最佳状态。固然, 如果施用事先经过改性造粒而得到的专用料进行注塑加工,是再好不过的了。
3展望
跟着塑料工业的发展和成型加工技术的进步,改性塑料不可避免地将越来越多地被关注和施用。和其他塑料成型加工方法不同,注射成型方法是在险些严密封闭的型腔里,在高压下将熔化物料充满整个型腔。这种成型历程使得长期以来困扰人们的增重不懂的题目得不到解决,尽管改性材料性能已经可以达到预定的要求。例如纯PE-HD注射成型的货物托盘 (1.2m×1.2m)每个质量20kg,而采用界面调控技术制成的重钙含量达50%的改性PE-HD材料,抗冲击强度甚或优于纯PE-HD,但其疏密程度达到1.6g/cm3,险些增加60%,仍然用本来的模具注塑,得到的托盘质量已达到30kg以上。在周转箱类的大宗塑料制品上,每件制品质量的增加不仅要思量因制件数目减少带来的损失,并且要承担施用历程中整个运输质量增加带来的额外费用。因此改性塑料能否更大阵势迈人注射成型制品领域,关键在于能否有效地解决增重不懂的题目。
最近几年来有的企业从填料的几何外形和表面处置惩罚方法两方面解决填料颗粒在基体塑料中的存在状态不懂的题目, 在非金属矿物粉体材料含量达到45%时,其改性聚丙烯的疏密程度仅为1.18g/cm3,用这种低烟无卤改性聚丙烯代替阻燃级HIPS制造电视机外壳,一台20寸彩电的后盖仅比原用材料增重10%,但价格降落30%左右,导致电视机行业的高度重视。
施用新的材料,在带来利润或预先期待的性能的同时,必然会出现新的不懂的题目,像本文中所提到的各种不懂的题目以及尚未提到的其它不懂的题目,这就需要改性塑料行业的从业人员、学者、专家和科技人员和注射成型加工企业的带领、科技人员一起,赐与这些不懂的题目以高度的重视,认真地、诚恳地面对并加以探索,共同走出一条在注射成型加工中施用改性塑料材料的平坦大路来,为塑料工业的发展和人类社会做出更大贡献!