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PPS注塑加工工藝及應(yīng)用
時(shí)間：2019-11-17 10:00
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來源：互聯(lián)網(wǎng)
聚苯硫醚英文名稱Poly phenylene sulfide，簡(jiǎn)稱PPS，是一種新型的工程塑料，在美國(guó)于1973年才開始工業(yè)化生產(chǎn)。近年發(fā)展得很快，已成為繼尼龍（PA）、聚碳酸酯（PC）、聚甲醛（POM）、熱塑性聚酯（PET和PBT）及聚苯醚（PPO）之后的第六大工程塑料和第一大特種工程塑料。
產(chǎn)品分為兩類：一類是支鏈型熱塑性聚合物，粘度較高。另一類是熱固性聚合物，固化前具有線性分子結(jié)構(gòu)，固化后加熱充分也軟化到一定程度。下面主要介紹熱塑性PPS。
PPS是分子主鏈上具有苯硫基的高聚物，由于其結(jié)構(gòu)為苯環(huán)與硫交替連接，分子鏈具有很大的剛性及規(guī)整性，因而PPS為結(jié)晶性聚合物，具有很多優(yōu)異性能，如耐熱性、剛性、阻燃性及電絕緣性。硫原子上的孤對(duì)電子使得PPS與玻璃纖維、無機(jī)填料及金屬具有良好的親和性，易于制成各種增強(qiáng)復(fù)合物及合金材料。
一、PPS的性能
1、物理力學(xué)性能
PPS是一種白色、結(jié)晶度高的聚合物，密度為1.34。其力學(xué)性能優(yōu)良、拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度優(yōu)于PA、PC、PBT等，具有極高的剛性和抗蠕變性，但其脆性較大，缺口沖擊強(qiáng)度較低，低于PA、PC、PBT高于POM。加入玻璃纖維增強(qiáng)后其力學(xué)性能更優(yōu)。PPS屬惰性物質(zhì)，無毒。
2、熱性能
由于PPS為結(jié)晶性聚合物，最高結(jié)晶度可達(dá)65%，其結(jié)晶溫度為127℃，熔點(diǎn)為286℃，熱變形溫度260℃，在空氣中430-460℃以上才分解，熱穩(wěn)定性遠(yuǎn)超出PA、PBT、POM等工程塑料，長(zhǎng)期使用溫度在熱塑性塑料最高，可達(dá)220-240℃。PPS還是具有良好的絕熱性和阻燃性，其臨界氧指數(shù)與PVC相當(dāng)，可達(dá)47%，無需加入阻燃劑，PPS可達(dá)到UL94-V0級(jí)水平。
3、電性能
PPS的分子結(jié)構(gòu)對(duì)稱，無極性，吸水性低，故其電絕緣性十分優(yōu)良，與其他工程塑料相比，其介電常數(shù)小，耐電弧性相當(dāng)于熱固性塑料，在高溫、高濕、變頻等條件下，PPS還能保持優(yōu)良的電絕緣性。加入導(dǎo)電填料，可制得導(dǎo)電性PPS復(fù)合材料，用于防靜電及電磁屏蔽。
4、耐化學(xué)性
由于PPS具有較高的結(jié)晶度，故其具有優(yōu)良的耐化學(xué)藥品性，在200℃以下不溶于任何有機(jī)溶劑，除強(qiáng)氧化性酸外，可經(jīng)受各類酸、堿、鹽的侵蝕，在高溫下經(jīng)各種化學(xué)藥品長(zhǎng)期浸泡后，還保持較高的強(qiáng)度，僅次于聚四氟乙烯。PPS還具有良好的耐候性和耐射性。
5、加工性能
1）吸水性
PPS的吸水性較低，只有0.02%。
2）流動(dòng)性
PPS的流動(dòng)性較好，可加工薄壁制品，其流動(dòng)性根據(jù)PPS的品種、規(guī)格而不同，線性PPS比支化交聯(lián)PPS的流動(dòng)性高，隨溫度升高，物料的流動(dòng)性增加，但溫度過高或物料在機(jī)筒內(nèi)停留時(shí)間過長(zhǎng)，物料會(huì)發(fā)生部分交聯(lián)，導(dǎo)致流動(dòng)降低。
3）結(jié)晶性
PPS為結(jié)晶性聚合物，其結(jié)晶度隨成型時(shí)的冷卻溫度及速率而變，冷卻速度越快，其結(jié)晶度越低。而結(jié)晶度大小又對(duì)其強(qiáng)度、耐熱性、耐候性、尺寸穩(wěn)定性都有較大影響。隨結(jié)晶度增加，制品的熱變溫度提高，剛性、表面光潔度、表面硬收縮率等增加，尺寸穩(wěn)定性也增加。
4）熱穩(wěn)定性
PPS 在高溫下時(shí)間長(zhǎng)會(huì)發(fā)生部分氧化交聯(lián)反應(yīng)，導(dǎo)致物料的流動(dòng)性降低，色澤變深，影響制品的質(zhì)量和性能。此外，PPS對(duì)金屬有較強(qiáng)的粘附性，要防止物料在機(jī)筒內(nèi)固化。
5）收縮性
對(duì)于結(jié)晶性塑料，在成型加工時(shí)，結(jié)晶度隨模具溫度增加而增大，而結(jié)晶度增大，收縮率也增加，故收縮率隨模具溫度而增大。通常PPS的收縮率都較小，但與流動(dòng)方向垂直的收縮率大于流動(dòng)方向的2-4倍。產(chǎn)品厚度、形狀、注射速度也會(huì)對(duì)收縮率須影響。
6）二次加工
PPS制品可以切削、攻絲等機(jī)械加工和超聲波焊接、粘合劑接等加工。
二、成型設(shè)備與模具
1、注塑機(jī)的選用
1）鎖模力
PPS的流動(dòng)性與ABS、POM相近，在計(jì)算鎖模力時(shí)，要考慮流動(dòng)性這個(gè)因素，選擇材料流動(dòng)特性系 K值，可按第四組與ABS、POM等到相同。
2）注射量
根據(jù)產(chǎn)品的重量來選擇合適的注射量，不宜選用注射量超出過多的注塑機(jī)，以免膠料在機(jī)筒內(nèi)停留時(shí)間過長(zhǎng)而發(fā)生氧化交聯(lián)反應(yīng)甚至固化，導(dǎo)致產(chǎn)品變色，影響產(chǎn)品的性能和質(zhì)量。
3）螺桿、機(jī)筒
根據(jù)PPS的特征，PPS沒有腐蝕性，因此，對(duì)于一般的PPS料，可以采用普通螺桿，但由于加工溫度高且有結(jié)晶體熔化吸熱，所以機(jī)筒加熱器的功率須足夠。在多數(shù)情況下，PPS都加入玻璃纖維以增強(qiáng)其各種性能，這些材料對(duì)機(jī)筒和螺桿的磨損很大，必須采用耐磨的機(jī)筒螺桿，臺(tái)鍍硬鉻螺桿或雙金屬螺桿、機(jī)筒。
4）射嘴
采用開放式射嘴，內(nèi)徑φ3-6mm，射嘴的加熱器最好是能單獨(dú)控制，這樣可使成型加工更方便。若有些制品要求防止流涎，可以使用自鎖射嘴，但清理比較困難。
2、產(chǎn)品造型與模具設(shè)計(jì)
1）產(chǎn)品造型
PPS屬結(jié)晶性聚合物，產(chǎn)品的轉(zhuǎn)角及壁厚變化的部位會(huì)引起應(yīng)力集中，導(dǎo)致應(yīng)力開裂、尺寸變化、強(qiáng)度下降等問題出現(xiàn)，產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)產(chǎn)品的轉(zhuǎn)角應(yīng)為圓弧過渡，并盡量避免厚薄不均，一般情況下制品的厚度不要超出7-10mm。
合理的加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)可以增加制品的剛性，防止制品翹曲、消除殘余應(yīng)力、提高流動(dòng)性，增加筋條的數(shù)目比增加筋條的高度與厚度效果更好，通常筋條的選取為制品厚度的一半并圓角過渡，筋條的脫模斜度為2-3°。
2）模具材料
PPS的加工溫度較高，膠料溫度為290-330℃，模具溫度為130-180℃，同時(shí)PPS在大多數(shù)情況下以玻璃纖維增強(qiáng)，內(nèi)含較大量的玻璃纖維，磨損問題必須考慮，故模具材料應(yīng)以140-150℃為基準(zhǔn)，選用合適的合金材料，如SK、SKD、SKH等，硬度為HRC60-65，表面電鍍。
3）流道
流道形狀以圓形、梯形為宜，流道錐度為2-3°，在流道末端設(shè)置冷料井。
4）澆口
澆口可以采用針型、圓盤型、扇型、輪輻型、側(cè)入型等，不宜采用潛伏型澆口，因?yàn)?font face="Times New Roman" style="word-wrap: break-word;">PPS制品硬度大，收縮率小。澆口應(yīng)設(shè)置在制品截面最厚的部位，澆口直徑不小于0.6mm，對(duì)于增強(qiáng)PPS，因結(jié)晶取向引起強(qiáng)度和收縮率的方向各異，故在設(shè)計(jì)澆口形狀及位置時(shí)，必須考慮膠料流動(dòng)方向引起的尺寸變化和強(qiáng)度變化，以及因熔合紋引起的強(qiáng)度下降，垂直使熔合紋出現(xiàn)在沒有負(fù)荷或負(fù)荷較小和不明顯的部位。
5）脫模
為了保證制品的表面光潔平整度及易于脫模，模具的型腔、流道等部位應(yīng)有較高的光潔度和脫模斜度，脫模斜度一般為1-3°。脫模頂針的直徑、數(shù)量、位置的設(shè)計(jì)也很重要，根據(jù)制品的形狀而定，使頂出力均衡和頂出平穩(wěn)，否則，會(huì)使制品產(chǎn)生局部殘余應(yīng)力，從而引起制品裂紋和尺寸精度不一等問題。
6）排氣
PPS制品內(nèi)有氣泡會(huì)使其性能明顯下降，由于排氣不良而引起原燒焦、變色和表面粗糙，影響制品的外觀和質(zhì)量，模具必須合理地開設(shè)排氣槽或排氣孔，也可以利用分型面和脫模頂針間隙來排氣。
7）模具的溫控
由于PPS的成型加工、要求模具溫度在130-180℃，這樣的溫度一般需要加熱，而模具溫度的精確性和均勻性影響到產(chǎn)品的性能和尺寸精度；根據(jù)模具的大小、制品形狀、生產(chǎn)量及溫控設(shè)備等因素，可選擇電熱式和油循環(huán)加熱式溫控，電熱式溫控方便、經(jīng)濟(jì)、溫升快，但溫度均勻性和精確度較差，模溫機(jī)油循環(huán)加熱式溫控的溫度均勻性和精確度較高，對(duì)性能和尺寸精度要求較高的產(chǎn)品可以選用這種方式。為了保證模具溫度的均勻性和防止散熱，可以在模具的側(cè)面和模具與注塑機(jī)模板之間加裝石棉板隔熱。
三、成型工藝
1、原材料干燥
因?yàn)?font face="Times New Roman" style="word-wrap: break-word;">PPS吸水性小，所以加工前可以不干燥。但如果原料開放式放在溫度高、濕度大的環(huán)境下時(shí)間較長(zhǎng)，則需干燥，干燥溫度為150-160℃，時(shí)間2-3H。
2、成型溫度
PPS的成型溫度較高，機(jī)筒溫度在280-360℃之間，在保證順利充模和制品質(zhì)量的前提下，機(jī)筒溫度盡量不要太高，以免引起膠料在機(jī)筒內(nèi)氧化交聯(lián)甚至固化。射嘴溫度要單獨(dú)控制，以保持膠料良好的流動(dòng)性而又不堵塞、不流涎為宜。
3、注射壓力
注射壓力在50-200MPa之間，為了保證制品的力學(xué)性能和尺寸精度，使用較高的注射力為佳，特別是形狀復(fù)雜、薄壁件更應(yīng)如此。
4、注射速度
注射速度快，制品的表面光潔度高、強(qiáng)度也較高，但過高的注射速度會(huì)使產(chǎn)品翹曲、燒焦等現(xiàn)象，一般采用中等注射速度。
5、螺桿轉(zhuǎn)速
螺桿轉(zhuǎn)速可以在50-200rpm之間，高速成型可以采用較高的轉(zhuǎn)速，這時(shí)膠料因剪切速率大而溫升大，必須將機(jī)筒溫度調(diào)低。
6、保壓壓力
為了防止內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生，保存壓壓力應(yīng)盡量低，滿足補(bǔ)縮便可，以制品不出現(xiàn)凹陷為準(zhǔn)。
7、背壓
一定的背壓有利于膠料的排氣和混合，以便得到質(zhì)量較穩(wěn)定的制品，一般背壓在0.5-1.5MPa之間，對(duì)于干燥不好的材料，背壓可以大些。
8、模具溫度
PPS是結(jié)晶性聚合物，模具溫度直接影響制品的結(jié)晶度，從而得到不同的性能和尺寸精度，模具溫度不同引起結(jié)晶的差異很大，如94℃時(shí)結(jié)晶為8%，而150℃時(shí)則為48%。模具模具高，得到制品的結(jié)晶度也高，其力學(xué)性能較好，但有收縮大、凹陷、翹曲、耐沖擊強(qiáng)度差等問題，模具溫度低，制品的結(jié)晶度低，收縮小、尺寸再現(xiàn)性好（制品尺寸與模具尺寸的復(fù)制程度）、耐沖擊強(qiáng)度增大、超聲波焊接性提高，但力學(xué)性能較差。因此，要根據(jù)產(chǎn)品的要求來確定成型模具溫度。
9、成型周期
由于PPS 為結(jié)晶性聚合物，為了得到良好的力學(xué)性能，需采取較高的模具溫度，較長(zhǎng)的冷卻時(shí)間，以提高結(jié)晶度，對(duì)于厚壁制品，注射時(shí)間、保壓時(shí)間、冷卻時(shí)間都應(yīng)長(zhǎng)于薄壁制品。為了防止冷卻收縮和內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生，對(duì)復(fù)雜件，薄壁產(chǎn)品，也需要適當(dāng)延長(zhǎng)保壓時(shí)間。
10、制品后處理
為了提高制品的性能，消除內(nèi)應(yīng)力以及保持制品的性能和尺寸穩(wěn)定性，可以將制品放入烘箱內(nèi)進(jìn)行退火處理，條件通常為200-240℃，2—4H，具體根據(jù)制品的厚度和用途而定，厚制品時(shí)間長(zhǎng)些，退火處理使制品再結(jié)晶從而結(jié)晶度提高，其性能也隨之而提高，但也導(dǎo)致再收縮而使制品的尺寸變化，模具設(shè)計(jì)時(shí)要考慮這因素。
11、再生料的使用
再生料可以與新料混合一起使用，其比例視制品的性能要求而定，再生料的比例大，制品的性能會(huì)下降，一般不要超過30%，以免造成產(chǎn)品的性能和質(zhì)量明顯下降。
12、停機(jī)處理
由于PPS對(duì)金屬有較強(qiáng)的粘附性，故加工完成后，在停機(jī)之前必須把機(jī)筒內(nèi)、螺桿上粘附的PPS料清洗出來，否則膠料冷卻后會(huì)牢固地粘在螺桿上，影響下次或其它材料的生產(chǎn)，通常可以采用高密度聚乙烯（HDPE）來清洗；為了縮短時(shí)間，也可以先用玻璃纖維示強(qiáng)PC料，再用HDPE料進(jìn)行清洗，這樣清洗效果較好但費(fèi)用較高。生產(chǎn)過程中需要中斷成型一段時(shí)間，必須將機(jī)筒內(nèi)的膠料全部排出，并將機(jī)筒溫度降低至270℃以下，因?yàn)槿哿显诟邷氐臈l件下長(zhǎng)時(shí)間受熱會(huì)分解，并放出毒氣體，所以生產(chǎn)場(chǎng)所必須注意通風(fēng)。
四、常見缺陷與解決方法
1、填充不足
原因：
1）注射壓力不足；2）注射速度慢；3）熔料溫度低；4）排氣不良；5）澆口過小； 6）過膠圈磨損。
解決方法：
1）提高注射壓力 ；2）提高注射速度； 3）提高機(jī)筒溫度 ； 4）在未填滿的部位加排氣孔 ； 5）擴(kuò)大澆口尺寸或縮短澆口流道的距離 ；6）檢查過膠圈的磨損程度，更換。
2、表面無光澤
原因：
1）制品密度不足；2）填充速度慢；3）模具溫度低；4）排氣不良。
解決方法：
1）增加熔膠量，提高注射壓力；2）提高機(jī)筒溫度，提高注射速度； 3）提高模具溫度； 4）充分排氣。
3、翹曲
原因：
1）制品冷卻不均勻； 2）制品壁厚不均勻； 3）填充過度； 4）注射速度過快。
解決方法：
1）調(diào)整模具的溫度控制，使其冷卻均勻；2）產(chǎn)品的設(shè)計(jì)盡量使其壁厚均勻； 3）降低注射壓力和保壓壓力 ；4）降低注射速度。
4、收縮、凹陷
原因：
1）制品密度不足 ；2）熔料含有氣體； 3）制品壁厚過厚 ；4）熱收縮大。
解決方法：
1）增加熔膠量，提高注射壓力，延長(zhǎng)注射時(shí)間； 2）充分干燥材料；3）制品厚度不要超過7-10mm； 4）降低機(jī)筒溫度及模具溫度。
5、內(nèi)部裂紋
原因：
1）制品冷卻過快 2）殘余應(yīng)力
解決方法：
1）提高模具溫度，制品取出后浸入熱水或放入烘箱中緩慢冷卻 ；2）降低注射速度，提高模具溫度。
6、燒焦
原因：
1）排氣不良； 2）熔料溫度過高。
解決方法：
1）增加排氣孔；2）降低機(jī)筒溫度、注射速度； 3）加大澆口 。
7、脫模困難、頂出破裂
原因：
1）模具的脫模錐度不足，表面光潔度不足；2）脫模頂針的位置不當(dāng)或直徑過小
解決方法：
1）加大脫模錐度，模具表面拋光；2）增加頂針數(shù)量或加大頂針直徑；3）延長(zhǎng)冷卻時(shí)間，降低機(jī)筒溫度、模具溫度
五、應(yīng)用
1、電子電器及家電
利用其耐高溫、電絕緣性，用于接插件、變壓器、繼電器、電飯煲、微波爐、風(fēng)筒等零配件。
2、機(jī)械及精密零件
利用其良好的加工性和耐高溫、耐腐蝕等特征，用于照相機(jī)、轉(zhuǎn)速表、手表、復(fù)印機(jī)、電腦等零配件。
3、汽車
利用其耐高溫、耐油、耐腐蝕、強(qiáng)度高等特性，用于發(fā)動(dòng)機(jī)蓋、排氣裝置、散熱裝置、配油器等零配件。
4、石油化工
利用其耐熱、耐腐蝕的特性，用于泵、管、閥、容器等。
