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热流道应用分析:塑胶材料特性

塑胶材料特性之介绍:

  射出成形之加工就是(塑化)→(流动)→(成形)→(固化结晶化)的工程。
  因此对于塑料的特性,就格外重要了。例如:溶解温度、压力、黏度、比热……等都必须予以重视。由於塑料之领域非常广阔,於此无法深入其间,不过我们将针对其常识部份加以说明。
  1.可塑化
  塑胶之所以能够成形加工,是由於它在温度与压力的作用下产生变形,依受热的温度不同,可分为四种状态,即玻璃状态、高弹性状态(橡胶态)、粘流态(可塑化状态)、分解状态,如图示:
  玻璃状态:0~T1,分子在冻结状态,硬且脆,遇压力则易破裂。
  高弹性状态(橡胶态)、:T1~T2,因外力可变形,未达溶化状态不易成形。
  粘流态(可塑化状态):T2~T3,可随意加工成形。
  分解状态:T3,塑胶开始裂解,出现气体分解物,甚至达烧焦状态。
  2.成形条件:
  (注)以下为一般形塑料之成形条件
  对于每一种不同塑料,其相对的成形区域或有不同,不过其过程分析皆相同。因此对于优秀的模具设计者而言,应确实了解每一种塑料之成形区域及加工特性。
  3.熔化塑胶的流动性
  一般的流体(例如:水、油……)其流动状态,皆依照牛顿定义进行。而塑胶熔液看似普通的流体,其实乃是非牛顿流体。例如:在牛顿流体中,虽然剪断应力有变化,但其粘度却不变。而塑胶熔液,当剪断应力发生变化时,粘度也有明显的变化产生。例如:在牛顿流体中,压力从1增加到了10的时候,则流出量增加了10倍。以塑胶熔液来做同样的实验,当压力从1增加到10,其流出量可能增加了100倍,或500倍,甚至1000倍(依照不同的塑胶而定)。
  因此在这种非牛顿流动中,压力增大则流动抵抗减小。因此射出成形时,虽然浇口相当狭小,但却很容易填充於模穴内,至於牛顿流体,再加分类有两种,如图:
  射出成形是将塑胶溶液采用高速度使其产生变形的一种加工法,因塑胶溶液有压缩性,在高速的流动下,容易引起弹性的压力变动。这个现象,当流动阻力有急速变化时,即可看出这种弹性的压力变动变生後,流体前端的扩散方向极为混乱不安定。但是采用高速填充时,塑胶溶液又像是非压缩性的现象。这种弹性的压力变动(不安定的脉动)是因何而起的?以下分析如图所示:
  【当塑胶溶液之流动类似层流状态时,即模穴在正常且安定的状态下填充】
  在图中,富有压缩性的塑胶溶液以螺旋状的弹簧表示,叙想在弹簧施加压力,使往管子中央移动时,当用一样的速度使弹簧由左往右移动的活动,这是理想的层流状态,由於射出压力与阻力在平衡状态时,弹簧的移动很平滑。【如C】
  可是在某些情况,必需以急速填充时,射出压力及速度也就异常的增高。因此富有弹性的塑胶溶液(弹簧),头一瞬间时承受过程的压缩,第二瞬间时引起强大的阻力,其原因是压力的起伏变动和流动体前端的乱流所发生的,这种流动状况称为弹性乱流。
  4.塑胶材料之选择:
  设计制品之初即应选择所用塑料,但大都未将模具并入考虑。但可能的话,所选用的材料应使模具之制造简单才好。
  成形收缩率小者(PS、ABS、PC)的尺寸精度较易达成。而成形收缩率大者(PP、PE、POM)较难做到尺寸精度(模具的公差为成形品公差之1/6)。
  流动时黏度比较大者(ABS等),溶液较不易流入缝隙中,但黏度小者(如PA、POM)即使间隙很小溶液亦易於进入。
  成形时之温度较低者(PS等)较易成形且成形周期亦快,但成形温度高者(PC)则较慢。
  成形时不易变质或分解者(PS、PE、PP等),量产时不易引起品质不稳的不良品,但成形时易发生变质或分解者,若不严格要求成形条件(模具可以精密控制成形条件)则无法量产。此在热浇道之情形下问题尤其严重。
  5.结晶性塑胶与非结晶性塑胶
  从分子的结构观察,结晶性塑胶─线状高分子,依样其化学构造,有些分子的一部份,乃以有规则地集合,将其称为结晶性塑胶。不是所有的分子都变成此状态,依据冷却条件在重量比有40~80%程度变成结晶状态。此程度称为「结晶度」。结晶之内都是称为Lamella的分子链弯曲、折叠,而未进入产生单位结晶之结晶部分的分子链存在於Lamella或球晶之间,产生非结晶部分。非结晶性塑胶……与结晶性塑胶不同,分子无法有规则地集合。这是由於形成高分子链之原子团太大、架桥妨碍结晶。
  从容积变化的观察结果,亦可将热可塑性塑胶分为两大类,一种是非结晶性塑胶,另一种是结晶性塑胶。对于结晶性与非结晶性之分类,在表中有关各种塑胶的习性已有注明。对于其容积与温度间之变化,我们可由以下例子来做更进一步的了解。例如:PS(非结晶性塑胶之代表)从20℃加热到200℃时约膨胀8.3%,以密度而言,从0.97 cm/g减少到1.012 cm/g(结晶性塑胶之代表)在同条件下有下列的变化:
  20℃容积:1.03 cm/g
  200℃的容积:1.33 cm/g
  容积增加率:29%
  已溶融的非晶性聚合物,采用现在所使用的射出成形机,可做大幅度的压缩。因条件而异,过剩的溶融体也可强制填充於模穴内,在这种条件下做出的成形品,残留著很大的内应力而固化。对成形品的性能有很大的影响。它会在脱模的瞬间被破坏,稍受到外力或因化学药品的作用也很容易受破坏。
  结晶性塑胶,因加热使结晶完全融解,溶融体成了非晶状态,其动作与非结晶性聚合物一样。值得注意的是压力变高时,从结晶质到非结晶质的转移温度也会提高。结晶性塑胶成形时,在成形品的品质上有一点很重要,即聚合物在非结晶状态时必需要完成成形的动作。这件事,特别是对保压期间而言,保压中的变形即是因流动而引起的。
  结晶性塑胶的溶融体急速冷却後,成形品的某些部份,其再结晶化受到妨碍,再结晶化的现象无法瞬间完成,而随时继续进行,密度和结晶化程度之间有直接的关系,结晶化程度高,则密度提高。相反地,结晶化程度低,则密度降低,因急激的冷却,而使再结晶化受到妨碍的部份,因温度、时间因素的差异下,或多或少继续进行後结晶化。後结晶化继续进行,直到回复原本此部份的密度为止。因此可以了解後结晶化与後收缩是相关连的,後结晶化和後收缩也是造成成形品弯曲变形和尺寸变化(成形品变小)的原因。
  模穴表面温度高的话,成形收缩起初很大,热处理时却少有变化。因此,在很高的模具表面温度下做出的成形品,虽然在高温下使用,但其尺寸安定性却很好。因此,决定结晶性塑胶的模穴尺寸时,必需要考虑後结晶、後收缩的关系,而重要的是,模穴表面温度从成形开始就要正确地掌握。当然,要使模穴的表面温度完全无温度差是不可能的,但可使用有效的温度控制系统,尽量减少温度差。

 
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