聚丙烯注塑加工成型收縮率的影響因素
時間：2019-11-25 03:40
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來源：互聯網
塑料制品的質量取決于材料(樹脂、加工助劑等)的選擇和注塑加工條件。塑料成型加工是一門科學與工程緊密結合的交叉學科，其任務是：了解材料的特性，確定最適宜加工條件，制取最佳性能產品。熱塑性塑料注塑制品成型時收縮率與結晶度及球晶大小密切相關，球晶與聚合形式及助劑有關，而結晶直不僅取決于化學結構而且還受到加工過程中冷卻速率、熔體溫度、模具溫度、制品厚度等的影響，給模具設計確定型腔尺寸和控制制品尺寸精度帶來困難。生產中迫切需要了解注塑工藝對各種塑料收縮率的影響規律。聚丙烯具有較高的結晶性，給產品帶來較好的剛性，但也決定了其較大的制品成型收縮率，給其在注塑領域的應用帶來了不少的限制，通常，PP的結晶度通常為40～70％，其它為非定形區，由此它的成型收縮率會出現在1~2.5％范圍內。在與一些下游應用廠家的交流中經常碰到需要解決降低PP的成型收縮率的問題。因此不少石化研究院所對在PP的生產和加工兩個過程中如何降低其收縮率等問題進行了研究。
2 常用聚丙烯加工技術
聚丙烯作為增長最為強勁的通用塑料，與其具有較寬的成型加工適應性有很大關系。如PP可注塑、吹塑、真空熱成型、涂覆、旋轉成型，也可熔接、機加工、電鍍和發泡等，并可在金屬表面噴涂。目前，常用的聚丙烯成型加工技術有注塑、擠塑、薄膜、發泡等。
常用聚丙烯按聚合方式及其鏈段結構的不同，可分為均聚、無規共聚以及嵌段共聚，通常注塑采用均聚和嵌段共聚PP，擠塑三種都可以使用，吹塑和薄膜(如BOPP)可采用均聚和無規共聚PP。目前市場上注塑成型和擠出PP使用量較大。一般注塑溫度在180~210℃之間，注塑壓力在65~140MPa，模具溫度為40~70℃。預干燥溫度在80℃左右[1]。
3 聚丙烯的成型收縮性與注塑工藝
聚丙烯的成型收縮率一直是注塑廠家所關心的指標，成型收縮率包括結晶收縮，取向收縮、熱收縮、負收縮和后收縮。通常，PP從注射溫度降低到室溫時，體積收縮較大，收縮率一般在1％~2.5％，且具有各向異性，并存在占總收縮宰10％-15％的后收縮[2]。
成型收縮率的大小與樹脂性能、注塑工藝參數、制品壁厚及是否有顏料存在有關。其中注射壓力和樹脂溫度的提高對降低成型收縮率有利，且對產品的其它性能無不利影響。因此在注塑過程中，往往選用較高的注射壓力，以防止物料在充模時的冷卻效應給流動性帶來不利的影響。以下分別是注射壓力、注射時間、模具溫度及樹脂溫度對成型收縮率的影響[3]。
3.1 注射壓力
注射壓力是指螺桿端面處作用于塑料熔料單位面積上的力，也可以指注射時的充模壓力，隨著充模壓力的提高，制品成型收縮率隨之減小。如進行塑瓶生產時，當充模壓力從5MPa增大到10DMPa，瓶體收縮率由1.66％降低到1.62%。因此采用高壓注射使充模壓力增加有利于降低制品收縮率，其降低收縮率的原因是當高壓注射時，塑料分子間受到的壓縮程度增大，分子與分子之間的結合更緊密，進而制品收縮程度相應變小。
封口壓力是指熔體在特定溫度和壓力下交入模腔并一直持續到澆口封口這一段壓力。封口壓力對制品收縮起決定性作用，封口壓力越高，制品收縮越小；如果注射時的工藝條件和設備不能保證穩定的封口壓力，就會使制品產生收縮被動，影響制品的尺寸穩定性。封口之前的模腔壓力取決于保壓壓力，保壓壓力實際上可看作維持保壓階段的注塑壓力，如果澆口凍封時間是一定的，那么提高保壓壓力必須使澆口的封口壓力提高，保壓壓力對澆口封口壓力的影響實際上就反映了對收縮率的影響，而保壓壓力實際上也是注塑壓力的直接反映。圖3顯示注射壓力核成型收縮率的關系。
充模速率是指充模時的線速度，充模速率對PP制品收縮率的影響較復雜。從料溫與傳壓的角度來說，提高料流的速率有利于壓力的傳導，使收縮下降。但注射速度太大，摩擦生熱大，制品體內應力增大，增加各向異性，制品收縮率也增大。
充模速率是由注射速度確定的。另外也受模具結構影響(如澆口截面高度與模腔深度的比值)。充模速率對成型收縮宰的影響具有雙重性，如果從分子結構方面來看，提高充模速率將會使結晶和取向作風加強，結晶收縮和取向作用都會增大，成型收縮率具有增大趨勢；但是充模速率增大以后，有助于克服熔體進入膜腔時的困難，如果注射時間不變，則模腔內的進料量必然會增加，這意味著補縮時間相對延長，于是成型收縮率將會下降。圖4顯示注射時間與成型收縮率之間的關系。
注射時間/s
圖4 注射時間與成型收縮率的關系(沿料流方向)
3.3 模具溫度
模具溫度是控制制品冷卻定型的主要因素，它對成型收縮率的影響主要表現在澆口凍結后制品脫模之前這段過程。澆口發生凍結后，模具溫度對澆口封口后PP制品的收縮起主導作用。它通過分子的凍結取向影響型腔表層凍結層的厚度和形成速度，此時注射壓力和保壓力的影響將會消失。隨著模溫的升高，冷卻定型時間亦將延長，故脫模后制品收縮率一般都會增大，這是因為模溫高會使塑料結晶固化層的增長速度減慢，此溫度因與環境溫度的差別加大，引起制品熱脹冷縮的作用相對增大，因而收縮率相應增大。而降低模溫可使凍結層迅速變厚，減小制品收縮率。圖s示出模具溫度與收縮率的關系。
圖5 模具溫度與成型收縮率的關系(沿料流方向)
3.4 熔體溫度
PP制品在保壓流動和冷卻定型階段的收縮都隨熔體溫度升高而增大，其中料流方向收縮率降低得尤為明顯，當熔體溫度較低時，料流方向的收縮率大于垂直方向的收縮率，隨熔體溫度升高，收縮的方向性較小，并出現一拐點，注塑溫度應高于此溫度為宜。但在實驗過程中，也有隨著機筒加熱溫度的提高，其收縮率反而有所降低的情形。圖6示出機簡溫度與制品收縮率的關系，這可解釋為熔體溫度升高導致粘度降低，若保持注塑壓力和保壓壓力不變，則傳遞到模腔的壓力會相應增高，由于澆口處溫度較高，澆口的封口時間就可能延長，這有利于補充物料和增加密實程度，也可減少收縮。
但是，在試驗過程中還發現，熔體溫度高時要相應提高鎖模功率；這勢必增加模具和頂出機構的負擔，同時也延長了制品的冷卻周期，導致生產率降低，因此在實際生產時最好不要采用提高機筒溫度和熔體溫度的辦法來提高充模能力，盡量使用低溫模塑。
機筒溫度（熔體溫度/℃）
圖6 機簡（熔體）溫度與成型收縮率的關系
3.5 PP的結晶性對成型收縮率的影響[2、4]
PP屬結晶型聚合物，其結晶度最高可達到70%，PP熔體在模具中冷卻時伴隨著結晶，最大結晶速度在120℃以下出現，并放出大量的結晶熱，因此模具的冷卻控制很重要。冷卻過程還有明顯收縮（高于熔點30℃下熔融，然后冷卻到室溫25℃時的比容變化為16%），導致成型收縮率較大。PP注塑制品，由于表面與模具接觸，冷卻較快，溫度較低，晶核形成容易，球晶難以長大；內部冷卻較慢，則溫度較高，晶核形成較難，晶核密度小，球晶可以長得很大。因此表面球晶小而內部球晶大，球晶的大小對PP的物理機械性能影響很大。一般而言，凡能降低結晶生長速率的因素，都可以減小制品中的結晶度，有利于減小收縮率，如降低模溫，提高熔體溫度等。
另外，PP結晶的后期可能會出現二次結晶，主要分布在殘留的非晶區和結晶不完善的部分區域內，是一次結晶的延續、因此二次結晶速度很慢。另外，有些制品的成型中還會發生一種后結晶現象，這些結晶區是在成型前或成型過程中形成的，但不完全，在成型后球晶進一步長大，這也是一次結晶的延續。二次結晶和后結晶都會使制品的性能和尺寸在使用和貯存過程中發生變化，通常在厚壁和驟冷時容易出現。解決辦法是退火處理，退火溫度一般控制在Tg～Tm范圍內，最佳溫度是在最大結晶速度的溫度附近，是一個接近于等溫和靜態的結晶過程。
3.6其它因素
有研究表明[5]，配混料的收縮較聚合級材料下降50％，尤為值得一提的是，聚合級材料的收縮率在1.3％至2.2%之間，而配混級物料的收縮率在0.5%至1.0%之間。同時隨著彈性體用量的提高,材料的收縮率下降。無論對于大型模還是小型模，收縮率隨著型腔壓力增加而減小，與模的大小無關。
設備加料機構和頂出機構也會影響制品收縮率，如頂出不良，加料不正常，螺桿回位不充分，螺桿轉速不穩定，背壓不均，液壓系統止回閥工作不正常，熱溫元件控制不靈，冷卻過早等，都可能影響制品收縮率。
從材料本身考慮，也可能有幾方面的原因影響制品收縮率。最常見的是材料顆粒不均、含水量不充分，螺桿材料成分有變化等。有時加入著色劑也會引起制品收縮，因為有些顏料體系含有影響尺寸穩定的成分，而且這些顏料即使非常微量(如0.001％)，也會影響成型收縮宰，使得收縮率增大，并使得收縮出現各向異性，垂直于料流方向的收縮率大于流動方向的收縮率。另外，有研究表明顏料的濃度對成型收縮率影響不大。
4 總結
PP的成型收縮率與原料和加工條件都相關。從原料角度來講，可以優化PP的結晶形態，調整聚合工藝或是添加適合的成核劑，使得球晶細化，達到改善成型收縮率的目的：從加工條件來講，可以從澆口尺寸、制品壁厚、注射壓力、充模速率、機簡及模具溫度等方面來調節，當然，這其中的因素根多，相互之間的影響關系也很復雜，很多問題還有待于進一步深入研究。
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