我国的塑料工业近几十年来得到迅猛发展,塑料工业取得了举世瞩目的成就。据统计,2008年我国塑料制件产量已达3 000万 t,在世界上排名居第2位。
注塑成型也称注射成型, 可用来生产空间几何形状非常复杂的塑料制件。由于它具有应用面广,成型周期短,生产效率高,模具工作条件可以得到改善,制件精度高,生产条件较好, 生产操作容易实现机械化和自动化等优点,因此在整个塑料制件生产行业中,占有非常重要的地位。目前,除了少数几种塑料外,几乎所有的塑料都可采用注塑成型。据统计,注塑制件约占所有塑料制件总产量的30%,全世界每年生产的注塑模数量约占所有塑料成型模具数量的50%。
早期的注塑成型方法主要用于生产热塑性塑料制件。随着塑料工业的发展及塑料制件应用范围的不断扩大,目前注塑成型方法已推广应用到热固性塑料制件和一些塑料复合材料制件的生产中。 例如, 日本的酚醛制件, 过去基本上都采用压缩和压注方法成型, 但现在已有70%被注塑成型所替代。 注塑成型方法不仅用于通用塑料制件的生产, 而且就工程塑料而言, 也是一种十分重要的成型方法。据统计,目前工程塑料制件中, 80%以上都采用注塑成型方法生产 。
3.1 注塑成型工艺过程
注塑成型是利用塑料的可挤压性与可模塑性,首先将松散的粒状或粉状成型物料从注塑机的料斗送入高温的机筒内加热熔融塑化,使之成为黏流状态熔体,然后在柱塞或螺杆的高压推动下,以很大的流速通过机筒前端的喷嘴注射进人温度较低的闭合模具中,经过一段保压冷却定型时间后,开启模具便可从模腔中脱出具有一定形状和尺寸的塑料制件。其生产工艺过程如图75、76所示。
图75 注塑成型工艺过程
图76 注塑成型工艺过程循环图
3.1.1 成型前的准备
为了使注塑成型生产顺利进行,确保制件质量,成型前应对塑料原料的外观色泽、颗粒情况、有无杂质等进行检验,并测试其热稳定性、流动性和收缩率等指标。如不满足要求,应及时采取措施解决。对于吸湿性或黏水性强的塑料,如聚酰胺(尼龙)、聚碳酸酯、ABS等,应根据注塑成型工艺允许的含水量进行适当的预热干燥, 以避免制件表面出现银纹、斑纹和气泡等缺陷。部分塑料成型前允许的含水量见表22。
表22 部分塑料成型前允许含水量
塑料 | 允许含水量(质量分数)/% | 塑料 | 允许含水量(质量分数)/% | ||
聚酰胺 | PA6 | 0.10 | 聚碳酸酯 | 0.01~0.02 | |
PA66 | 0.10 | 聚苯醚 | 0.10 | ||
PA9 | 0.05 | 酸砜 | 0.05 | ||
PA11 | 0.10 | ABS(电镀级) | 0.05 | ||
PA610 | 0.05 | ABS(通用级) | 0.10 | ||
PA1010 | 0.05 | 纤维素塑料 | 0.20~0.50 | ||
聚甲基丙烯酸甲酯 | 0.05 | 聚苯乙烯 | 0.10 | ||
聚对苯二甲酸乙二醇酯 | 0.05~0.10 | 高冲击强度聚苯乙烯 | 0.10 | ||
聚对苯二甲酸丁二醇酯 | 0.01 | 聚乙烯 | 0.05 | ||
硬聚氯乙烯 | 0.08~0.10 | 聚丙烯 | 0.05 | ||
软聚氯乙烯 | 0.08~0.10 | 聚四氟乙烯 | 0.05 |
生产中如需改变塑料品种、更换塑料、调换颜色,或发现成型过程中出现了热分解或降解反应,均应对注塑机的料筒进行清洗或拆换。对于有金属嵌件的塑料制件,由于金属与塑料两者收缩率不同,嵌件周围的塑料容易出现收缩应力和裂纹。为了防止这种现象,成型前可对嵌件预热.以减小成型时与塑料熔体的温差,从而避免或抑制嵌件周围的塑料产生收缩应力和裂纹。若塑料分子链柔顺性大,且嵌件较小时,可以不预热。为了使塑料制件易于从模腔内脱出,有的注塑模还需涂上脱模剂。常用的脱模剂有硬脂酸锌、液体石腊和硅油等。除了硬脂酸锌不能用于聚酰胺之外,上述三种脱模剂对于一般塑料均可使用,其中尤以硅油脱模效果最好,只要对模具施用一次,即可长效脱模,但价格很贵。硬脂酸锌多用于高温模具,而液体石腊多用于中低温模具。
3.1.2 注塑过程
塑料在料简内经加热达到流动状态后, 进入模腔内的流动可分为充模、 压实、 倒流和冷却四个阶段。 在连续的四个阶段中, 熔体温度将不断下降,而压力则按图77所示的曲线变化。图中t0代表螺杆或柱塞开始注射熔体的时刻。由图可见,当模腔充满熔体(t=t1)时,熔体压力迅速上升达到最大值p0。从时间t1~t2,塑科仍处于螺杆(或柱塞) 的压力下, 熔体会继续流人模腔内以弥补因冷却收缩而产生的空隙。由于塑料仍在流动, 而温度又在不断下降, 定向分子(分子链的一端在模腔壁固化, 另一端沿流动方向排列) 容易被凝结, 所以这一阶段是大分子定向形成的主要阶段。 这一阶段的时间越长, 分子定向的程度越高。 从螺杆开始后退到结束(时间从 t2~t3) ,由于模腔内的压力比流道内高,会发生熔体倒流,从而使模腔内的压力迅速下降。 倒流一直进行到浇口处熔体凝结时为止。
图77 注塑成型周期中塑料压力-时间曲线
若螺杆后退一开始浇口处熔体就已凝结, 或注射机喷嘴中装有单向阀, 则倒流阶段就不复存在,也就不会出现 t2~t3段压力迅速下降的情况。塑料凝结时的压力和温度是决定塑料制件平均收结率的重要因素, 而压实阶段的时间又直接影响着这些因素。从浇口处的塑料完全凝结到顶出制件(时间从 t3~t4) ,为凝结后的制件冷却阶段,这一阶段的冷却情况对制件的脱模、 表面质量和挠曲变形有很大影响 。
3.1.3 制件后处理
由于成型过程中塑料熔体在温度和压力作用下的变形流动行为非常复杂, 再加上流动前塑化不均以及充模后冷却速度不同, 制件内经常出现不均匀的结晶、 取向和收缩, 导致制件内产生相应的结晶、 取向和收缩应力, 脱模后除引起时效变形外, 还会使制件的力学性能、光学性能及表观质量变坏,严重时还会开裂。为了解决这些问题,可对制件进行适当的后处理。常用的后处理方法有退火和调湿两种 。
退火是为了消除或降低制件成型后的残余应力。 对于结晶型塑料制件, 利用退火能对它们的结晶度大小进行调整, 或加速二次结晶和后结晶的过程。 此外, 退火还可以对制件进行解除取向, 并降低制件硬度和提高韧性。生产中的退火温度一般都在制件的使用温度以上10~20℃至热变形温度以下l0~20℃之间进行选择和控制。保温时间与塑料品种和制件厚度有关,如无数据资料,也可按每毫米厚度约需0.5 h的原则估算。退火冷却时,冷却速度不宜过快,否则还有可能重新产生热应力。
调湿处理是一种调整制件含水量的后处理工序, 主要用于吸湿性很强且又容易氧化的聚酰胺等塑料制件。调湿处理所用的加热介质一般为沸水或醋酸钾溶液 (沸点为12l℃),加热温度为l00~12l℃,保温时间与制件厚度有关,通常约取2~9 h。
表23列出了部分热塑性塑料后处理工艺条件。 但应指出, 并非所有塑料制件都要进行后处理,通常,只用于带有金属嵌件、使用温度变化较大、尺寸精度要求高和壁厚大的制件。
表23 部分热塑性塑料后处理工艺条件
塑料 | 加热温度/℃ | 保温时间/h |
ABS | 70 | 2~4 |
聚酰胺1010 | 90~100 | 4~10 |
增强聚酰胺66 | 100~110 | 4~10 |
聚甲基丙烯酸甲酯 | 70 | 4~6 |
聚碳酸酯 | 100~130 | 2~8(或1~2 h/mm) |
聚甲醛 | 90~145 | 4 |
聚苯醚 | 150 | 4 |
聚苯乙烯 | 70 | 2~4 |
聚酰亚胺 | 150 | 4 |
增强聚对苯二甲酸乙二醇酯 | 130~140 | 0.33~0.5 |
聚砜 | 110~130 | 2~8(空气) |
160~165 | 2~4(空气)、1~5 mm(甘油) |
3.2 注塑成型工艺条件
注塑成型具有三大工艺条件,即温度、压力和时间,此外,还有用料量与合模力等工艺条件。
3.2.1 温度
注塑成型过程中需要控制的温度有料筒温度、喷嘴温度和模具温度等。塑化物料的温度(塑化温度)和从喷嘴注射出来的熔体温度(注射温度)主要取决于料筒和喷嘴两部分的温度。热塑性塑料在受热时的变化曲线如图78所示,图中A、B、C、D四区分别对应于塑料的玻璃态、高弹性态、可塑态和分解态,料筒温度应参照C区的流动温度tb和分解温度tc来确定。喷嘴温度通常略低于料筒的最高温度,以防止熔料在直通式喷嘴口发生“流涎现象”。模具温度一般通过冷却系统来控制。部分塑料适用的料筒和喷嘴温度范围见表24。部分塑料的注射温度与模具温度见表25。为了保证制件有较高的形状和尺寸精度,应避免制件脱模后发生较大的翘曲变形,模具温度必须低于塑料的热变形温度。常用热塑性塑料的热变形温度见表26。
图78 恒压下热塑性塑料的温度-变形曲线
表24 部分塑料适用的料筒和喷嘴温度 ℃
塑 料 | 料筒温度 | 喷嘴温度 | ||
后段 | 中段 | 前段 | ||
PE | 160~170 | l80~190 | 200~220 | 220~240 |
HDPE | 200~220 | 220~240 | 240~280 | 240~280 |
PP | l50~210 | l70~230 | 190~250 | 240~250 |
PS | 150~180 | 180~230 | 210~240 | 220~240 |
ABS | ||||
SAN | ||||
SPVC | 125~150 | l40~170 | 160~180 | 150~180 |
RPVC | l40~l60 | 160~l80 | 180~200 | l80~200 |
PCTFE | 250~280 | 270~300 | 290~330 | 340~370 |
PMMA | 150~180 | 170~200 | 190~220 | 200~220 |
POM | 150~180 | 180~205 | 195~215 | 190~2l5 |
PC | 220~230 | 240~2S0 | 260~270 | 260~270 |
PA6 | 210 | 220 | 230 | 230 |
PA66 | 220 | 240 | 250 | 240 |
PUR | 175~200 | 180~210 | 205~240 | 205~240 |
CAB | 130~140 | 150~175 | 160~190 | 165~200 |
CA | 130~140 | 150~160 | 165~175 | 165~180 |
CP | 160~190 | 180~210 | 190~220 | 190~220 |
PPO | 260~280 | 300~310 | 320~340 | 320~340 |
PSU | 250~270 | 270~290 | 290~320 | 300~340 |
IO | 90~170 | 130~215 | 140~215 | 140~220 |
TPX | 240~270 | 250~280 | 250~290 | 250~300 |
线型聚酯 | 70~100 | 70~100 | 70~100 | 70~100 |
醇酸树酯 | 70 | 70 | 70 | 70 |
表25 部分塑料的注射温度与模具温度 ℃
塑料 | 注射温度(熔体温度) | 模腔表壁温度 |
---|---|---|
ABS | 200~270 | 50~90 |
AS(SAN) | 220~280 | 40~80 |
ASA | 230 ~260 | 40~90 |
GPPS | 180 ~280 | 10~70 |
HIPS | l70~260 | 5~75 |
LDPE | 190~240 | 20~60 |
HDPE | 2l0~270 | 30~70 |
PP | 2 506~270 | 20~60 |
GRPP | 260~280 | 50~80 |
TPX | 280~320 | 20~60 |
CA | 170~250 | 40 ~70 |
PMMA | 170~270 | 20~90 |
聚芳酯 | 300~360 | 80~130 |
软 PVC | 170~190 | 15~50 |
硬 PVC | 190~2l5 | 20~60 |
PA6 | 230~260 | 40~60 |
GRPA6 | 270~290 | 70~120 |
PA66 | 260~290 | 40~80 |
GRPA66 | 280 ~310 | 70~l20 |
矿纤维PA66 | 280 ~305 | 90~l20 |
PAl1、 PAl2 | 2l0~250 | 40~80 |
PA610 | 230 ~290 | 30~60 |
POM | 180~220 | 60~120 |
PP0 | 220~300 | 80~1l0 |
GRPP0 | 250~345 | 80~110 |
PC | 280~320 | 80~100 |
GRPC | 300~330 | 100~l20 |
PSF | 340~400 | 95~l60 |
GRPBT | 245~270 | 65 ~110 |
GRPET | 260~3l0 | 95 ~140 |
PBT | 330~360 | 约200 |
PET | 340~425 | 65~175 |
PES | 330~370 | 110~150 |
PEEK | 360~400 | 160 ~180 |
PPS | 300~360 | 35~80、l20~150 |
表26 常用热塑性塑料的热变形温度 ℃
塑料 | 热变形温度 | |
1.82 MPa | 0.45 MPa | |
聚酰胺66(PA66) | 82~121 | 149~176 |
30%玻纤增强PA66 | 245~262 | 292~265 |
聚酰胺610(PA610) | 57~100 | 149~185 |
40%玻纤增强PA610 | 200~225 | 215~226 |
聚碳酸酯(PC) | 130~135 | 132~141 |
20%~30%长玻纤增强PC | 143~149 | 146~157 |
20%~30%短玻纤增强PC | 140~145 | 146~149 |
聚苯乙烯PS(一般型) | 65~96 | - |
聚苯乙烯PS(抗冲型) | 64~92.5 | - |
20%~30%玻纤增强PC | 82~112 | - |
丙烯腈-氯化聚乙烯-苯乙烯(ACS) | 85~100 | |
丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS) | 83~103 | 90~108 |
高密度聚乙烯(HDPE) | 48 | 60~82 |
聚甲醛(POM) | 110~157 | 168~174 |
氯化聚醚 | 100 | 141 |
聚酰胺6(PA6) | 80~120 | 140~176 |
30%玻纤增强PA6 | 204~259 | 216~264 |
聚酰胺1010(PA1010) | 55 | 148 |
PMMA和PS共聚物 | 85~99 | - |
聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA) | 68~99 | 74~109 |
聚苯醚(PPO) | 175~193 | 180~204 |
硬聚氯乙烯(HPVC) | 54 | 67~82 |
聚丙烯(PP) | 56~67 | 102~115 |
聚砜(PSU) | 174 | 182 |
30%玻纤增强PSU | 185 | 191 |
聚四氟乙烯(PTFE)填充PSU | 100 | 160~165 |
丙烯腈-丙烯酸酯-苯乙烯(AAS) | 80~102 | 106~108 |
乙基纤维素(EC) | 46~88 | - |
醋酸纤维素(CA) | 44~88 | 49~76 |
聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBTP) | 70~200 | 150 |
注:塑料中的百分数为质量分数