熱塑性聚氨酯(TPU)注塑加工
時間：2019-11-25 03:40
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何為聚氨酯？
所謂的聚氨酯是聚氨基甲酸酯的簡稱，它是由多異氰酸酯與多元醇反應而成，在分子鏈上含有許多重復的氨基甲酸酯基團（—NH—CO—O—）。在實際合成的聚氨酯樹脂中，除了氨基甲酸酯基團外，還有脲、縮二脲等基團。大分子多元醇與二異氰酸酯反應生成的鏈段稱為“軟鏈段”，它賦予聚氨酯較好的軟順性；多異氰酸酯與擴鏈劑生成的鏈段稱為“硬鏈段”，它賦予聚氨酯較好的剛性與硬度。軟硬鏈段組成的聚氨酯樹脂中，氨基甲酸酯只占少數，所以稱為聚氨酯未必恰當，從廣義上講，聚氨酯乃至異氰酸酯的加聚物。
不同類型的異氰酸酯與多羥基化合物反應后，生成各種結構的聚氨酯，從而獲得不同性質的高分子材料，如塑料、橡膠、涂料、纖維、粘合劑等。
聚氨酯橡膠
聚氨酯橡膠于1940年首先在德國研制成功，1952年后開始投入工業生產，而我國是從60年代中期開始研制并投入生產的。聚氨酯橡膠屬于一種特種橡膠，由聚醚或聚酯與異氰酸酯反應而制得。因原料種類、反應條件及交聯方法的不同而有許多品種。從化學結構上看，有聚醚型與聚酯型，從加工方法上看，有混煉型、澆注型、和熱塑型三種。
合成聚氨酯橡膠，一般先由線型聚酯或聚醚與二異氰酯酯反應，制成低分子量的預聚體，經擴鏈反應生成高分子聚合物，然后添加適當的交聯劑，加熱使其固化，成為硫化橡膠，這種方法稱為預聚法或二步法。也可以用一步法——將線型聚酯或聚醚直接與二異氰酸酯、擴鏈劑、交聯劑混合，使反應發生，生成聚氨酯橡膠。
熱塑性聚氨酯橡膠（TPU）
熱塑性聚氨酯橡膠（TPU）是一種（AB）n型嵌段線性聚合物，A代表高分子量的聚酯或聚醚（分子量為1000～6000），稱為長鏈，B代表含2～12個直鏈碳原子二醇為短鏈，AB鏈段間化學結合是用二異氰酸酯。
聚氨酯的結構與物理機械性能之間的關系
1、鏈段的結構
聚氨酯分子中A鏈段使得大分子鏈易于旋轉，賦予聚氨酯良好的彈性，使聚合物的軟化點與二級轉變點下降，硬度與機械強度降低。B鏈段會束縛大分子鏈的旋轉，使聚合物的軟化點與二級轉變點上升，硬度與機械強度提高，彈性降低。調節A與B之間的摩爾比，即可制得不同彈性與硬度的TPU彈性體。
2、交聯結構
聚氨酯的交聯結構除一級交聯外，還必須考慮分子間的氫鍵形成的二級交聯。聚氨酯的一級交聯鍵與羥類橡膠的硫化結構不同，它的氨基甲酸酯基、縮二脲、脲基甲酸酯基等基團規則而間隔地排列成剛性鏈段，故制得的橡膠具有規則的網狀結構，所以具有卓越的耐磨性能及其它的優異性能。其次，由于聚氨酯橡膠中含有很多諸如脲基或氨基甲酸酯基這類內聚能較大的基團，所以分子鏈間形成的氫鍵具有很高的強度，氫鍵形成的二級交聯鍵對聚氨酯橡膠的性能也有重要影響。二級交聯使得聚氨酯橡膠一方面具有熱固性彈性體的特性，另一方面這種交聯又沒有真正地交聯起來，是一種虛交聯，交聯的狀況取決于溫度。隨著溫度的升高，這種交聯又逐漸減弱以至于消失，聚合物具有一定的流動性，可以進行熱塑性加工。當溫度降低時，這種交聯又逐漸恢復并再次形成。少量的填料的加入，使分子間的距離增大，分子形成氫鍵的能力減弱，強度便會急劇下降。
3、基團的穩定性
研究表明，聚氨酯橡膠中各基團穩定性由高到低的順序是：酯、醚、脲、氨基甲酸酯、縮二脲，在聚氨酯橡膠的老化過程中，首先是縮二脲和脲基甲酸酯的交聯健斷裂，接著是氨基甲酸酯和脲鍵斷裂，即主鏈斷裂。
聚氨酯橡膠的物理機械性能
聚氨酯的彈性模量介于橡膠與塑料之間，它的最大特點是，既具有硬度，又有彈性，這種性能是其它的橡膠與塑料所沒有的。
聚氨酯分聚酯型與聚醚型兩類，從物理性質進行比較，低硬度的橡膠以聚酯型的性能較好，而高硬度的橡膠以聚醚型的為優。聚酯型的橡膠耐油、耐熱及金屬的粘合性較好，而耐水解、耐寒及抗菌性以聚醚型號為好。
1、 環境特性
聚氨酯一般都具有較好的耐溫性，連續長期使用溫度為80～90℃，短時間可達120℃左右。聚氨酯的耐低溫性能也較好，聚酯型的脆性溫度為-40℃，而聚醚型的聚氨酯則達-70～-80℃，但低溫下會變硬。
聚氨酯的耐油性都比較好，但有耐水性卻因結構的不同而異。酯形成反應可逆性所引起的TPU降解最為嚴重。當酯與水接觸時，酸的再形成是引致分子解體的自身催化反應的原因。聚酯型的聚氨酯在空氣中和濕氣接觸時解體的程度比完全浸在水中時更甚。這是因為浸在水中，形成的酸會不斷地被沖走。而聚醚型的聚氨酯耐水解性則是聚酯型的聚氨酯的3～5倍，因醚基不會與水發生反應。水的侵入導致聚氨酯性能下降的原因有兩個方面：一是侵入的水與聚氨酯中的極性基團形成氫鍵，使聚合物分子之間的氫鍵減弱，這個過程是可逆的，當干燥后物理性質又得到恢復。二是侵入的水使聚氨酯發生水解，此過程為不可逆。
聚氨酯在長時間的日光照射下會變色發暗，物理性能逐漸降低。酶菌也會導致聚氨酯的降解，因此工業生產中使用的聚氨酯橡膠中都添加了防老劑、紫外線吸收劑、防酶劑等。
2、 機械性能
拉伸強度：聚氨酯橡膠的拉伸強度較高，一般可達28～42 Mpa，TPU居中，約為35 Mpa。
伸長率：一般可達400～600%，最大為1000%。
彈性：聚氨酯的彈性比較好，但它的滯后損失也比較大，因此生熱高。在多次彎曲及高速滾動的負荷條件下容易損壞。
硬度：聚氨酯的硬度范圍較其它的橡膠都寬，最低為邵氏硬度10，其中大多數制品具有45～95的硬度。硬度高于70度時，拉伸強度和定伸強度都高于天然橡膠，其中80～90度時，拉伸強度、定伸強度、抗撕裂強度都相當高。
撕裂強度：聚氨酯的撕裂強度較高，當試驗溫度升高到100～110℃時，抗撕裂強度就與丁苯橡膠相當。
耐磨性：聚氨酯的耐磨性十分優良，比天然橡膠高9倍，比丁苯橡膠高1～3倍。
TPU注塑加工工藝
其它的熱塑性材料中，當加工溫度大于原料的熔融溫度后，熔體主要呈粘流態，加工溫度越高，熔體的流動性越好，當加工溫度較低時，熔體的流動性就差，甚至于不流動，熔體表現出的彈性較小。而對于TPU之類的彈性體來講，當加工溫度高于某一溫度時（分子之間的虛交聯完全解除），熔體的流動性較好，熔體更多地表現出粘流性；而當加工溫度低于某一溫度時（分子之間的虛交聯部分解除），熔體既表現出流動性又表現出彈性，是一種粘彈體。注塑充膠的時候，當熔體的溫度較高時，TPU與其它的熱塑性材料一樣，主要表現出粘流性，產品能獲得較好的外形，尺寸穩定，變形小。而當熔體的溫度較低時，TPU呈現出粘彈性，因流動性不好，產品不是自然地充滿模腔，而是有一定的彈性膨脹而充滿模腔，當注塑壓力撤消后，導致彈性膨脹的外力消失，膨脹的部分恢復形變，因此收縮率大，尺寸變小，變形也就大。
因此，TPU注塑加工成型工藝調整需注意：
1、 加工溫度的控制對產品的最終尺寸、外形及變形具有至關重要的影響。加工溫度要隨TPU的牌號、模具設計的具體情況而定。總的趨勢是，要想獲得小的縮水率，需要提高加工溫度。
2、 慢速與較長時間的保壓會導致分子定向，雖然可能獲得較小的產品尺寸，但產品變形較大，并且橫向與縱向收縮差異大。大的保壓壓力還會導致膠體在模內過壓縮，當產品脫模后尺寸比模腔的尺寸還要大的現象。
3、 注塑速度、壓力轉換的位置要設置準確，位置設置不準確會增加原因分析的難度，不利于快速而準確地進行工藝調整。
4、 注塑機機型的選擇要合適。小尺寸的注塑產品要盡可能地地選擇機型小的注塑機，以便增大注塑行程，便于進行位置控制，合理地進行注塑速度、壓力的轉換。如手機配件，尺寸比較小，如用注塑機比較大，有時螺桿只前進1mm產品就已滿膠，根本就無法進行位置控制。
5、 當TPU的含水率超過0.2%時，不但影響產品外觀，而且機械性能明顯變壞，注塑出的產品彈性差，強度低。因此在注塑前應在80℃～110℃的溫度下干燥2～3小時。
6、 注塑機料筒的清理要干凈，極少的其它原料的混入都會導致產品的機械強度的降低。用ABS、PMMA、PE清洗過的料筒最好在注塑前用TPU水口料再清洗一次，用TPU水口料清除料筒中的殘余物料。料斗清理時要特別注意料斗與注塑機機座連接部分少量殘留其它性質的原料的清理，這部分是絕大多數技術工作者生產中所容易忽略的地方。
模具設計注意事項：
1、 縮水率的修正。
TPU材料的縮水率隨著材料的牌號的不同一般在0.5%～2.0%的范圍內波動。目前市面上出售的TPU原料，絕大部分供應商都不提供原料的縮水率。這是因為TPU制品的尺寸測量結果較其它硬質材料的測量結果誤差大，注塑加工工藝、制品厚度等都對測量的結果有較大的影響，測量的縮水率有較大的波動范圍。
縮水率的取得主要還是靠注塑加工廠根據選定的材料牌號，通過穩定的注塑工藝來獲取。為了獲取比較準確的縮水率數據，需要采用較高的注塑加工溫度，保證注塑時熔體分子內的虛交聯能完全解除，熔體處于粘流態下注塑成型，這樣測量出的縮水率才具有參考價值。比如，有一套模具，選用的TPU為75度，在180 ℃的加工溫度時，產品尺寸符合要求，但產品尺寸不穩定，變形大；而在190℃的加工溫度時，產品尺寸穩定，變形小，但尺寸偏大。這時應該選取190℃的加工溫度下產品的數據來計算材料的縮水率，然后根據這個縮水率來進行模具設計。
2、 澆鑄系統的設計
主流道
因主流道是壓力最大的地方，當注塑壓力解除后，主流道冷凝物因彈性膨脹而增大阻力，導致水口粘前模，因此模具設計時應盡可能地加大主流道的脫模斜度。而主流道的小端尺寸又不能小于注塑機的射咀孔徑，大端尺寸的增加需要額外增加冷卻時間，延長注塑周期，因此脫模斜度的增大主要靠縮短主流道的長度來實現。一般情況主流道小端直徑約為2.5～3.0mm，大羰直徑為6.0mm以下，長度以不超過40mm為宜。主流道末端應設置與大端直徑稍大的冷井，收集冷膠與扣出水口。
在實際注塑生產中常發現這樣個一個問題：冷井設計得比主流道直徑末端大，冷膠收集得比較完全，能得到比較好的產品，但水口易拉斷，粘前模，需要的冷卻時間長。而將冷井設計得比主流道末端直徑小，水口冷卻快，水口易扣出，但冷膠不易排除，產品質量差。
冷井扣針的形式一般有：球頭形、“Z”形、倒錐形等多種形式，下面的一種倒錐形變異形式能比較好地解決上述問題，有興趣的朋友可以一試。
由于TPU的流動性不好，為了避免膠體通過閘口時出現的噴射及分子定向導致的橫向與縱向的收縮不一致，澆口一般應采用大水口，閘口部分的深度與寬度尺寸應比其它的熱塑性材料的尺寸大些，而由分流道到模腔之間的過渡長度尺寸則要比普通的小，以利于膠體的通過。過渡部分尺寸過長的閘口會導致充膠時膠體的噴射，影響產品的外觀。
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