塑料的组成与工艺特性

塑料的组成与工艺特性   第 3章   塑料的组成与工艺特性   塑料模是应用最广泛的一类模具。国外先进国家对发展塑料模很重视，塑料模比例一般占 30% 40%。近年来，我国塑料模具的种类、设计水平与制造精度发展也很快。本章将对塑料基本知识、塑料成型工艺、塑料制件结构、塑料成型设备进行详细介绍，可为后续章节的塑料模具设计与制造打好基础。   本章要点： 塑料的组成、类型与作用以及成型工艺特性  、注射、压缩成型工艺、塑料成型制件的结构工艺性、塑料注射成型的组成以及有关参数的校核。   本章难点： 注射成型工艺  第 3章   塑料的组成与工艺特性   塑料的组成与工艺特性   塑料成型工艺与塑料制件的结构工艺特性   塑压设备简介   塑料的组成与工艺特性  塑料的组成、类型与应用   热塑性塑料的成型工艺特性   塑料的组成与工艺特性   塑料模具成型的是塑料制件，塑料的种类繁多、特性各异，本节将介绍常用塑料的组成成分与塑压时的工艺特性。   塑料的组成、类型与应用   1. 塑料的组成   塑料是以树脂为主要成分，并加入其他添加剂的高分子材料，它在一定的温度和压力条件下具有流动性，可以被成型为一定的几何形状和尺寸，并在成型固化后保持其既得形状不发生变化。   树脂分为天然树脂和合成树脂两大类型，天然树脂有从树木分泌出来的脂物，如松香；有热带昆虫的分泌物，如虫胶；有从石油中得到的，如沥青。合成树脂是用人工合成的方法制成的树脂，如环氧树脂、聚乙烯、聚氯乙烯、酚醛树脂、氨基树脂等。因为天然树脂产量有限，性能较差等原因，远远不能满足目前工业生产的需要，所以在生产中，一般都是采用合成树脂。各种合成树脂都是人工将低分子化合物单体通过合成方法生产出的高分子化合物，它们的相对分子质量一般都大于 1万，有的甚至可以达到百万级，所以化学上也常将它们称为聚合物或高聚物。   聚合物虽然是塑料中的主要成分，但是单纯的聚合物性能往往不能满足成型生产中的工艺要求和成型后的使用要求，要想克服这一缺陷，必须在聚合物中添加一定数量的如填充剂、增塑剂、稳定剂、着色剂、润滑剂等助剂。例如，添加增塑剂可以改善聚合物的流动性能和成型性能，添加增强剂可以提高聚合物的强度，等等。因此可以认为，塑料是一种由聚合物和某些助剂结合而成的高分子化合物。   塑料的组成、类型与应用   2. 塑料的类型   塑料的品种很多，塑料的分类方法也很多。   (1) 按塑料中合成树脂的分子结构及热性能分为热塑性塑料和热固性塑料。这是一个较科学的分类方法，因为它反映了高聚物的结构特点、物理性能、化学性能及成型特性。   热塑性塑料：这种塑料中树脂的分子是线型或支链型结构。它在加热时软化并熔融，成为可流动的粘稠液体 (即聚合物熔体 )，可成型为一定形状，冷却后保持已成型的形状。如果再次加热，又可以软化并熔融，可再次成型为一定形状的制品，如此可反复多次。因此，在塑料加工过程中产生的边角料及废品可以回收掺入原料中使用。在上述过程中，一般只有物理变化而无化学变化。属于热塑性塑料的有聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、丙烯腈 苯乙烯共聚物 (，聚甲基丙烯酸甲酯 (有机玻璃 )、聚酰胺 (尼龙 )、聚甲醛、聚碳酸酯、热塑性的聚酯、聚砜、聚苯醚、聚四氟乙烯、聚三氟乙烯、聚全氟乙丙烯、氯化聚醚等。   热固性塑料：这类塑料中树脂的分子最终是呈体型结构。它在受热之初，因分子呈线型结构，故具有可塑性和可熔性，可成型为一定形状，当继续加热时，线型高聚物分子主链间形成化学键结合 (即交联 )，分子呈网型结构，当温度达到一定值后，交联反应进一步发展，分子变为体型结构，树脂变为既不熔融也不溶解，形状固定下来不再变化，称为固化。如果再加热，不再软化，不再具有可塑性。因此制品一旦损坏便不能回收再用。在上述成型过程中，既有物理变化又有化学变化。属于热固性塑料的有酚醛塑料、氨基塑料、环氧塑料、聚邻苯二甲酸二烯丙酯、有机硅塑料、硅酮塑料等。   (2) 按塑料的性能及用途，可分为通用塑料、工程塑料和增强塑料。   通用塑料：通用塑料是指产量大、用途广、价格低的塑料。酚醛塑料、氨基塑料、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯等六大品种塑料属于通用塑料。   工程塑料：工程塑料是指在工程技术中作为结构材料的塑料，这类塑料的力学性能、耐磨性、耐腐蚀性、尺寸稳定性等均较高。由于它既有一定的金属特性，又有塑料的优良性能，所以在机器制造、轻工、电子、日用、宇航、导弹、原子能等工程技术部门得到广泛应用。目前在工程上使用较多的塑料有聚酰胺、聚碳酸酯、聚甲醛、热塑性的聚酯、聚苯醚、 砜、聚苯硫醚、聚酰亚胺等。   增强塑料：在塑料中加入玻璃纤维、碳纤维等填料作为增强材料，以进一步改善塑料的力学、电气性能，这种新型的树脂基复合材料通常称为增强塑料。增强塑料具有优良的力学性能，比强度和比刚度高。增强塑料分为热固性增强塑料和热塑性增强塑料。   塑料的组成、类型与应用   3. 塑料的特点及应用   作为日常用品，塑料的用途已经广为人知，而且由于它们的一些特殊优点，塑料在工业中的应用也已经非常普遍，主要表现如下。   (1) 密度小、质量轻   塑料的密度约为 ( 2.3)g/大多数都在 ( 1.4)g/中聚 41的密度最小，大约 g/相当于钢材密度的 果采用发泡工艺生产泡沫塑料，则塑料的密度将会更小，其数值可以小到 ( 0.5)g   塑料具有这样小的密度意味着在同样体积下，塑料制品要比金属制品轻得多。因此，若要减轻工业产品的重量，将金属制品改换成塑料制品是一个很重要的途径，即所谓的“以塑代钢”。利用塑料减重的方法在汽车工业中应用得最多，这就是人们经常讲到的汽车塑料化问题，汽车塑料化的主要目的是减轻车重、降低油耗。从而提高经济效益，促使世界各国汽车工业采取各种方法和措施来加速汽车零件塑料化的发展步伐。除此之外，塑料零件在航空航天工业中应用也很多，例如，美国波音 747客机有 2500个总重量达 2 国全塑火箭中所用的玻璃钢占总重量 80。飞机和火箭使用塑料零件除了减重之外，还能满足其他一些特殊的性能要求。   (2) 比强度高   按单位质量计算的强度称为比强度，由于塑料的密度小，所以其比强度比较高，若按比强度大小来评价材料的使用性能，则一些特殊的塑料品种将会名列前茅。例如，一般钢材的拉伸比强度约 160用玻璃纤维增强的塑料拉伸比强度可高达 (170 400) (3) 绝缘性能好、介电损耗低   金属导电是其原子结构中自由电子和离子作用的结果，而塑料原子内部 般都没有自由电子和离子，所以大多数塑料都具有良好的绝缘性能以及很低的介电损耗。因此，塑料是现代电工行业和电器行业不可缺少的原材料，许多电器用的插头、插座，开关、手柄等等，都是用塑料制成的。   (4) 化学稳定性高   生产实践和科学试验已经表明，绝大多数塑料的化学稳定性都很高，它们对酸、碱和许多化学药物都具有良好的耐腐蚀能力，其中聚四氟乙烯塑料的化学稳定性最高，它的抗腐蚀能力比黄金还要好，可以承受“王水” (镪酸 )的腐蚀，所以称为“塑料王”。   由于塑料的化学稳定性高，所以它们在化学工业中应用很广泛，可以用来制作各种管道、密封件和换热器等。  塑料的组成、类型与应用   (5) 减摩、耐磨性能好   如果用塑料制作机械零件，并在摩擦磨损的工作条件下应用，那么大多数塑料都具有良好的减摩和耐磨性能，它们可以在水、油或带有腐蚀性的液体中工作，也可以在半干摩擦或者完全干摩擦的条件下工作，这是一般金属零件无法与其相比的。因此，现代工业中已有许多齿轮、轴承和密封圈等机械零件开始采用塑料制造，特别是对塑料配方进行特殊设计后，还可以使用塑料制造自润滑轴承。   (6) 减振、隔音性能好   塑料的减振和隔音性能来自于聚合物大分子的柔韧性和弹性。一般来讲，塑料的柔韧性要比金属大得多，所以当其遭到频繁的机械冲击和振动时，内部将产生粘性内耗，这种内耗可以把塑料从外部吸收进来的机械能量转换成内部热能，从而也就起到了吸振和减振的作用。塑料是现代工业中减振隔音性能极好的材料，不仅可以用于高速运转机械，而且还可以用作汽车中的一些结构零部件 (如保险杠和内装饰板等 )。据报道，国外一些轿车已经开始采用碳纤维增强塑料制造板簧。   除了上述几点之外，许多塑料还都具有透光和绝热性能，还可以与金属一样进行电镀、着色和焊接，从而使得塑料制品能够具有丰富的色彩和各种各样的结构形式。另外，许多塑料还具有防水、防潮、防透气、防辐射以及耐瞬时烧蚀等特殊性能。   塑料虽然具有以上诸多优点和广泛用途，但它们还有一些比较严重的缺陷至今未能克服 (如不耐热，容易在阳光、大气、压力和某些介质作用下老化，等等 )。这些缺陷的存在，严重地影响了塑料应用范围进一步扩大，使得塑料制品在许多领域还不能从根本上取代金属制品。例如，被称为耐高温塑料的聚酰亚胺和聚四氟乙烯等，能够连续工作的最高温度也只不过 250 ，这与许多金属材料是无法相比的。在成型加工生产中，塑料还具有加热时线膨胀系数大、冷却后成型收缩率大等工艺问题，这些问题常常使得塑料制品的精度不容易控制，因此从精度方面讲，塑料制品的使用范围也受到一定限制。换句话说就是，如果采用成型加工的方法生产塑料制品，要达到某一精度所遇到的加工难度要比金属制品成型时来得大。因此，在目前的塑料成型工业中，塑料制品的精度 (即公差等级 )有其自己单独的标准，一般都不套用金属制品的精度。  热塑性塑料的成型工艺特性   塑料的成型工艺特性是塑料在成型过程中表现出来的特有性质，模具设计者必须对塑料的成型工艺特性有充分的了解。下面以注射成型为例介绍热塑性塑料的成型工艺特性。常见热塑性塑料的成型工艺特性见表 于热固性塑料的工艺特性请参照有关资料。   1. 收缩特性与收缩率   塑料制品从温度较高的模具中取出冷却到室温后，其尺寸或体积发生收缩变化的现象叫做制品的收缩特性。引起制品收缩的原因除了热胀冷缩之外，还与注射成型时的许多工艺条件及模具因素有关，所以它不是成型塑料固有的特性，通过调整注射工艺参数或修改模具结构，可以缩小或改善制品尺寸的收缩情况，故生产中也常常把这种收缩特性叫做成型收缩。   成型收缩具有两种主要形式：线尺寸收缩、后收缩。以及一种普遍性的特征：收缩的方向性。   线尺寸收缩：由于热胀冷缩以及制品内部的物理或力学变化等原因，导致制品脱模冷却到室温后发生的尺寸缩小现象叫做线尺寸收缩，这种收缩在设计模具的成型零部件时必须予以考虑，以求通过设计对它进行补偿，避免制品尺寸出现超差。   后收缩：塑料制品脱模后，因各种残余应力的松弛将会产生时效变形，由时效变形引起制品尺寸缩小的现象叫做后收缩。一般来讲，制品脱模后 l0 24 要达到最终的稳定状态，往往需要很长时间。另外还要注意，热塑性塑料的后收缩比热固性塑料大。   收缩的方向性：前已述及注射成型时的取向效应会导致制品各向异性，由于各向异性的存在，制品的收缩量也会因方向不同而有差异。通常情况下，沿着取向的方位强度高，收缩大，而与取向垂直的方位强度低，收缩小，这种现象叫做收缩的方向性，由于收缩具有方向性，则制品内各个方向的收缩量之间将会存在收缩差。如果收缩差很大，就意味着制品收缩很不均匀，在此情况下，制品形状将会产生较大的翘曲变形，影响制品的形状精度，这是生产中很不希望发生的问题。   热塑性塑料的成型工艺特性   热塑性塑料的成型工艺特性   实际收缩率表示制品实际所发生的收缩特性，因成型温度下的制品尺寸不便测量，以及实际收缩率和计算收缩率的差值很小 (因金属模具的收缩率比塑料制品收缩率小得多之缘故 )，所以生产中往往使用计算收缩率近似代替实际收缩率。   影响成型塑料或塑料制品收缩的因素很多，如聚合物的品种和结构、塑料助剂 (尤其是填料的性质 )以及制品的工艺特点，注射成型工艺条件和模具结构等等。下面简介如下：   (1) 塑料品种   塑料品种不同，其收缩率也各不相同。同种塑料由于其各种组分的比例不同，分子量大小不同，收缩率也不相同。例如，树脂的相对分子质量高，填料为有机填料，树脂含量较多，则该类塑料的收缩率就大。   (2) 塑件结构   塑件的形状、尺寸、壁厚、有无嵌件、嵌件数量及其分布对收缩率的大小都有很大的影响。一般来说，塑件的形状复杂、尺寸较小、壁薄、有嵌件、嵌件数量多且对称分布，其收缩率较小。   (3) 模具结构   模具的分型面、浇口形式及尺寸等因素直接影响料流方向、密度分布、保压补缩作用及成型时间。采用直接浇口或大截面的浇口，可减少收缩，但各向异性大，沿料流方向收缩小，沿垂直料流方向收缩大；反之，当浇口的厚度较小时，浇口部分会过早凝结硬化，型腔内的塑料收缩后得不到及时补充，收缩较大。点浇口凝封快，在制件条件允许的情况下，可设多点浇口，可有效地延长保压时间和增大型腔压力，使收缩率减少。   (4) 成型工艺条件   模具温度高，熔料冷却慢，则密度高，收缩大。尤其是对于结晶型塑料，因其结晶度高，体积变化大，故收缩更大。模具温度分布与塑件内外冷却及密度均匀性也有关，直接影响到各部位收缩率的大小及方向性。此外，成型压力及保压时间对收缩也有较大的影响。压力高、时间长的收缩小，但方向性大；注射压力高、熔料粘度小、层间切应力小和脱模后弹性恢复大的，收缩可相应减少；料温高的，则收缩大，但方向性小，因此在成型时调整模温、压力、注射速度及冷却时间等因素也可适当的改变塑料收缩情况。   由于影响塑料收缩率变化的因素很多，而且复杂，所以收缩率是在一定范围内变化的。在模具设计时应根据以上因素综合考虑选取塑料的收缩率。常用的各种塑料的收缩率见有关手册。   热塑性塑料的成型工艺特性   热塑性塑料的成型工艺特性   热塑性塑料的成型工艺特性   3. 流动性   流动性即指可挤压性与可成型性，因此可用熔融指数和螺旋流动试验值表征热塑性成型塑料的流动性，其中熔体指数使用最多。对于热固性成型塑料的流动性，生产中主要用拉西格试验值表征，注射成型用的热固性塑料的拉西格试验值，一般都要求大于 200   对于注射成型用的热塑性塑料，如果制品形状一般，通常要求熔融指数能够达到 (1 2)果是薄壁制品，则要求达到 (3 6)g；如果制品形状既复杂又壁薄，那么在保证制品使用要求的前提下，还可以使用熔体指数更高一些的成型塑料，如国外一些用来成型薄壁深筒的成型塑料，其熔融指数高达 20 果按照模具设计要求，大致可按流动性的好坏把常用的热塑性塑料分为三类：   流动性好的塑料：聚酰胺，聚乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、醋酸纤维素和聚 4甲基戊烯等。   流动性中等的塑料：改性聚苯乙烯 (如 S)、聚甲基丙烯酸甲酯，聚甲醛和氯化聚醚等。   流动性差的塑料：聚碳酸酯、硬聚氯乙烯、聚苯醚、聚砜、聚芳砜和氟塑料等。   影响成型塑料流动性的因素很多，除了自身结构性能之外，主要是所承受的温度、压力和剪切作用等工艺因素及模具结构。主要为：   (1) 温度   料温高，则流动性大，但不同塑料也各有差异。聚苯乙烯、聚丙烯、有机玻璃、 碳酸酯、醋酸纤维素等塑料的流动性随温度变化的影响较大；聚乙烯、聚甲醛的流动性受温度变化的影响较小。   (2) 压力   注射压力增大，则熔料受剪切作用大，流动性也增大，尤其是聚乙烯和聚甲醛较为敏感。   (3) 模具结构   浇注系统的形式、尺寸、结构 (如型腔表面粗糙度、浇道截面厚度、型腔形式、排气系统 )、冷却系统的设计和熔料的流动阻力等因素都会直接影响熔料的流动性。凡促使料温降低、流动阻力增加的因素，都会使流动性降低。   热塑性塑料的成型工艺特性   4. 热敏性和水敏性   (1) 热敏性   各种塑料的化学结构在热量作用下均有可能发生变化，这种变化对热量作用的敏感程度称为塑料的热敏性。热敏性很强的塑料通常简称为热敏性塑料，热塑性的热敏性塑料在成型过程中很容易在不太高的温度下发生热分解、热降解、或在加热时间较长的情况下发生过热降解，从而影响制品的性能、色泽和表面质量等。另外，塑料熔体发生热分解或热降解时，还会释放出一些挥发性气体，这些气体中有的会对人体、模具和注射机产生刺激或腐蚀，甚至带有一定毒性。因此，制订成型工艺、设计模具和选用注射机时均应对这一问题加以注意。一般来讲，对于热敏性塑料制品，通常都要选用螺杆式注射机，流道截面也应取大一些 (避免过大的摩擦热 )，注射机筒内壁，流道和模腔表壁应镀铬，熔体在模内流动时不得有死角和滞料现象，生产操作时应严格控制加热时间、螺杆转速和背压，以及注射温度和模具温度等等。总之一句话，就是要想尽办法避免出现不正常的热降解，必须时还要在成型塑料中添加热稳定剂。属于热敏性塑料的有硬聚氯乙烯、聚偏氯乙烯、醋酸乙烯共聚物、聚甲醛和聚三氟氯乙烯等。   (2) 水敏性   顾名思义，成型塑料的水敏性即指它在高温下对水降解的敏感性。典型的水敏性塑料有聚碳酸酯等，对于它们必须在成型前进行干燥处理，以防止它们在高温成型过程中发生水降解。  热塑性塑料的成型工艺特性   5. 应力开裂与熔体破裂   (1) 应力开裂   有些塑料对应力作用很敏感，成型后不仅容易在制品中形成残余应力，而且还经常会在不大的外力或溶剂作用下脆化断裂，这种现象叫做应力开裂。为了避免制品出现应力开裂现象。除了必须在成型塑料中添加适当的助剂来提高制品的抗裂性外，还应注意对塑料进行干燥处理并选择合理的工艺条件，以减小残余应力和增加抗裂性。如果从制品的工艺性和模具结构方面想办法，也可以在一定程度上防止应力开裂。例如，选择合理的制品形状并尽量不设置嵌件，可以减小应力集中，以及使用较大的脱模斜度、合理地布置浇口位置和顶出零件的位置，也有利于减小残余应力或脱模力，这些措施均对避免应力开裂有一定作用。除了上述措施之外，对制品进行热处理消除残余应力后，也能提高它的抗破裂能力，必要时还可以注明制品使用要求，禁止与溶剂接触，以免发生不正常的应力开裂。   (2) 熔体破裂   这是一种因切应力或切变速率过大而引起的成型缺陷，生产中必须尽力避免。为此，可选用熔体指数较大的成型塑料，或者适当地增大喷嘴、流道和浇口的截面积。另外，降低注射速度、提高熔体温度对于防止熔体破裂也有作用。   6. 热性能   注射成型时，对成型塑料的热性能需要考虑三方面的问题，即比热容、热传导率 (导热系数和热扩散系数 )以及热变形温度。塑料的比热容大时，意味着它在机筒中塑化需要较多热量，应选择塑化能力高的注射机。热传导率低，意味着成型后的制品冷却速度慢，需要加强模具对制品的冷却效果。热变形温度高时，意味着能在较高的温度下使制品脱模，这样做有利于提高生产率。通常，比热容小、热传导率高的塑料能适用于热流道注射模；如果需要高速成型，除要求比热容小和热传导率高之外，热变形温度也要求比较高，否则就不容易缩短成型周期，也谈不上高速成型。  热塑性塑料的成型工艺特性   7. 吸湿性和水性   由于各种成型塑料含有的助剂不同，它们对水分的亲疏程度也不同，为此，可按吸湿或附水分能力的大小，将各种塑料分为吸湿性 (包括粘水性 )和不吸湿性 (包括不粘水性 )两大类型。虽然两者之间没有十分明确的界限，但根据生产经验可以认为，聚酰胺、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、 砜和纤维素酯 (醚 )等都属于前者，而聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯和氟塑料等属于后者。   很显然，吸湿性 (或粘水性 )塑料在注射成型过程中比较容易发生水降解和气泡。因此，成型之前必须按照工艺要求对它们进行预热干燥处理，必要时还应在注射机料斗内设置红外线加热装置，以免干燥后的塑料进入机筒前在料斗中再次吸湿或粘水。常用塑料成型之前允许的含水量参见有关手册。   8. 硬化特性   硬化特性专指热固性塑料的交联反应，合理的硬化时间和硬化速度不仅与塑料的品种有关，而且还受制品的形状、壁厚及模具温度等因素影响，为了不使制品出现过熟或欠熟缺陷，除严格控制工艺条件和改善模具结构之外，还必须在生产中不断积累经验。   热塑性塑料的成型工艺特性   热塑性塑料的成型工艺特性   热塑性塑料的成型工艺特性   热塑性塑料的成型工艺特性   热塑性塑料的成型工艺特性   热塑性塑料的成型工艺特性   热塑性塑料的成型工艺特性   热塑性塑料的成型工艺特性   热塑性塑料的成型工艺特性   热塑性塑料的成型工艺特性   热塑性塑料的成型工艺特性   热塑性塑料的成型工艺特性  热塑性塑料的成型工艺特性  热塑性塑料的成型工艺特性  塑料成型工艺与塑料制件的结构工艺特性   注射成型原理及工艺特性   压缩成型原理及工艺特性   其他成型方法的原理及工艺特性   塑料制品的结构工艺性   塑料成型工艺与塑料制件的结构工艺特性   注射成型原理及工艺特性   塑料的种类很多，其成型方法也很多，有注射成型、压缩成型、压注成型、挤出成型、气动成型、泡沫成型等，其中前4种方法最为常用。   1. 注射成型原理及其成型特点   注射成型是热塑性塑料制品生产的一种重要方法。除少数热塑性塑料外，几乎所有的热塑性塑料都可以用注射成型方法生产塑料制品。注射成型不仅用于热塑性塑料的成型，而且已经成功地应用于热固性塑料的成型。   注射成型是通过注射机来实现的。目前，注射机的类型很多，并且为了适应塑料制品的不断更新，注射机的结构不断得到改进和发展。但无论哪一种注射机，其基本作用均有两个：加热熔融塑料，使其达到粘流状态；对粘流的塑料施加高压，使其射入模具型腔。下面以螺杆式注射机的注射塑件为例介绍注射成型原理，其工作原理如图   首先是动模与定模闭合，接着液压缸活塞带动螺杆按要求的压力和速度，将已经熔融并积存于料筒端部的塑料经喷嘴射入模具型腔中。此时螺杆不转动 (图 3.2(a)。当熔融塑料充满模具型腔后，螺杆对熔体仍保持一定压力 (即保压 )，以阻止塑料的倒流，并向型腔内补充因制品冷却收缩所需要的塑料 (图 3.2(b)。经一定时间的保压后，活塞的压力消失，螺杆开始转动。此时由料斗落入料筒的塑料，随着螺杆的转动沿着螺杆向前输送。在塑料向料筒前端输送的过程中，塑料受加热器加热和螺杆剪切摩擦热的影响而逐渐升温直至熔融成粘流状态，并建立起一定压力。当螺杆头部的熔体压力达到能够克服注射液压缸活塞退回的阻力时，在螺杆转动的同时，逐步向后退回，料筒前端的熔体逐渐增多，当螺杆退到预定位置时，即停止转动和后退。以上过程称为预塑 (图 3.2(c)。在预塑过程或再稍长一些时间内，已成型的塑料件在模具内冷却硬化。当塑料件完全冷却硬化后，模具打开，在推出机构作用下，塑料制品被推出模具 (图 3.2(c)，即完成一个工作循环。移动螺杆式注射机工作循环可以用图   与柱塞式注射成型相比，螺杆式注射机注射成型可使塑料在料筒内得到良好的混合与塑化，改善了成型工艺，提高了塑料制品质量。同时还扩大了注射成型塑料品种的范围和最大注射量，对于热敏性塑料和流动性差的塑料以及大、中型塑料制品，一般可用螺杆式注射机注射成型。  注射成型原理及工艺特性  注射成型原理及工艺特性  注射成型原理及工艺特性   2. 注射成型工艺过程   注射成型工艺包括成型前的准备、注射过程和塑件的后处理。   (1) 成型前的准备   原料与处理   为了保证注射成型的正常进行和保证塑件质量，在注射成型前应做一定的准备工作，如对塑料原料进行外观检验，即检查原料的色泽、细度及均匀度等，必要时还应对塑料的工艺性能进行测试。对于吸湿性强的塑料，如尼龙、聚碳酸酯、 型前应进行充分的预热干燥，除去物料中过多的水分和挥发物，以防止成型后塑件出现气泡和银丝缺陷。   清洗机筒   生产中，如需改变塑料品种、调换颜色，或发现成型过程中出现了热分解或降阶反应，则应对注射机料筒进行清洗。通常，柱塞式注射机料筒存量大，必须将料筒拆卸清洗。对于螺杆式料筒，可采用对空注射法清洗。采用对空注射法清洗螺杆式料筒时，若欲更换的塑料的成型温度高于料筒内残料的成型温度时，应将料筒和喷嘴温度升高到欲换之塑料的最低成型温度，然后加入欲换塑料或其回料，并连续对空注射，直到将全部残料排除为止。若欲更换的塑料的成型温度低于料筒内残料的成型温度时，应将料筒和喷嘴温度升高到欲换之塑料的最高成型温度，切断电源，加入欲换塑料的回料，并连续对空注射，直到将全部残料排除为止。当两种塑料成型温度相差不大时，不必变更温度，先用回头料，然后用欲换之塑料对空注射即可。残料属热敏性塑料时，应从流动性好，热稳定性好的聚乙烯、聚苯乙烯等塑料中选择粘度较高的品级作为过渡料对空注射。   预热嵌件   对于有嵌件的塑料制件，由于金属与塑料的收缩率不同，嵌件周围的塑料容易出现收缩应力和裂纹，因此，成型前可对嵌件进行预热，减小它在成型时与塑料熔体的温差，避免或抑制嵌件周围的塑料容易出现的收缩应力和裂纹。在嵌件较小时对分子链柔顺性大的塑料也可以不预热。在成型前，有时还需对模具进行预热。   选择脱模剂   为了使塑料制件容易从模具内脱出，有的模具型腔或模具型芯还需涂上脱膜剂，常用的脱模剂有硬酯酸锌、液体石蜡和硅油等。   (2) 注射过程   完整的注射过程包括加料、塑化、充模、保压、倒流、冷却和脱模等几个阶段。    加料   将粒状或粉状塑料加入注射机料斗，由柱塞或螺杆带入料筒进行加热。    塑化   成型塑料在注射机料筒内经过加热、压实以及混料等作用以后，由松散的粉状颗粒或粒状的固态转变成连续的均化熔体的过程。  注射成型原理及工艺特性    充模   塑化好的塑料熔体在注射机柱塞或螺杆的推进作用下，以一定的压力和速度经过喷嘴和模具的浇注系统进入并充满模具型腔。    保压   充模结束后，在注射机柱塞或螺杆推动下，熔体仍然保持压力进行补料，使料筒中的熔料继续进入型腔，以补充型腔中塑料的收缩需要。保压时间应适当，过长的保压时间容易使塑料件产生内应力，引起塑件翘曲或开裂。保压结束后，柱塞或螺杆后退，型腔中的熔料压力解除，这时，型腔中的熔料压力将比浇口前方的压力高。如果此时浇口尚未冻结，就会发生型腔中熔料通过浇注系统倒流的现象，使塑料制件产生收缩、变形及质地疏松等缺陷。如果撤除注射压力时，浇口已经冻结，则倒流现象就不会存在。由此可见，倒流是否发生或倒流的程度如何，均与保压时间有关。一般来讲，保压时间较长时，保压压力对模腔内的熔体作用时间也越长，倒流较小，塑件的收缩情况会有所减轻。而保压时间短时，情况则刚好相反。    浇口冻结后的冷却   塑件在模内的冷却过程是指从浇口处的塑料熔体完全冻结时起到塑件将从模腔内推出为止的全部过程。在此阶段，补缩或倒流均不再继续进行，型腔内的塑料继续冷却、硬化和定型。当脱模时，塑料制件具有足够的刚度，不致产生翘曲和变形。随着冷却过程的进行，温度继续下降，型腔内塑料收缩，压力下降，到开模时，型腔内的压力下降到最低值，但不一定等于外界大气压。型腔内压力与外界大气压力之差值称为残余压力，残余压力大小与塑件保压阶段的长短有关。残余压力为正值时，脱模较困难，塑件易刮伤或崩裂；残余压力为负值时，塑件表面有缺陷或内部有真空泡。所以，只有在残余压力接近零时，脱模才较便利，并能获得满意的塑件。塑件的冷却速度应适中。如果冷却过急，或模腔与塑料熔体接触的各部分温度不同，则会导致冷却不均和收缩率不一致，使塑件产生内应力，产生翘曲变形。    脱模   塑件冷却后即可开模，在推出机构的作用下，将塑料制件推出模外。   (3) 塑件的后处理   由于塑化不均匀或由于塑料在型腔内的结晶、取向和冷却不均匀及金属嵌件的影响等原因，塑料件内部不可避免地存在一些内应力，从而导致塑件在使用过程中产生变形或开裂。为了解决这些问题，可对塑件进行一些适当的后处理。常用的后处理方法有退火和调湿两种。    退火处理   退火是将塑件放在定温的加热介质 (如热水、热油、热空气和液体石蜡等 )中保温一段时间的热处理过程。利用退火时的热量，能加速塑料中大分子松弛，从而消除塑件成型后的残余应力。退火温度一般在塑件实际使用温度以上 10   20 至热变形温度以下 10   20 之间进行选择和控制。退火时间以塑料品种及塑件厚度而定。一般取 4 h 24 h。    调湿处理   调湿处理主要用于吸湿性很强且又容易氧化的聚酰胺等塑料制件，调湿处理除了能在加热条件下消除残余应力外，还能使塑件在加热介质中达到吸湿平衡，以防止在使用过程中发生尺寸变化。调湿处理所用的介质一般为沸水或醋酸钾溶液 (沸点为 121 )，加热温度为 100 121 。调湿时间取决于塑件厚度，厚度在 1.5 6 ，调湿时间取 2 h 96 h。  注射成型原理及工艺特性  注射成型原理及工艺特性   为了避免熔料在料筒里过热降解，除必须严格控制熔体的最高温度外，还必须控制熔料在料筒里的滞留时间。通常，提高料筒温度以后，都要适当缩短熔体在料筒里的滞留时间。   判断料筒温度是否合适，可采用对空注射法观察或直接观察塑件质量的好坏、对空注射时，如果料流均匀、光滑、无泡、色泽均匀则说明料温合适；如果料流毛糙，有银丝或变色现象，则说明料温不合适。    喷嘴温度   喷嘴温度通常比料筒的温度低，以防熔体在直通式喷嘴上可能发生的“流涎”现象。虽然喷嘴温度低，但当塑料熔体由狭小喷嘴经过时，会产生摩擦热，使进入模具的熔体温度升高，在快速注射时尤其是这样。喷嘴温度也不能太低，否则，喷嘴处的塑料可能产生凝固而将喷嘴堵死，或将凝料注入型腔成为零件的一部分而影响制品的质量。   料筒和喷嘴的温度还应与其他工艺条件结合起来考虑，如采用较高的注射压力，料筒温度可以低些，相反，料筒温度应高些。如果成型周期长，塑料在料筒中受热时间长，料筒温度应稍低些。如果成型周期较短，则料筒温度应高些。   可见，选择料筒和喷嘴温度需要考虑的因素很多，在生产中可根据经验数据，结合实际条件，初步确定适当的温度，然后通过对制品的直观分析和熔体的“对空注射”进行检查，进而对料筒和喷嘴温度进行调整。    模具温度   模具的温度对塑料熔体的流动和制品的内在性能及表面质量影响很大。   模具必须保持一定的温度，这个温度应低于塑料的玻璃化温度或热变形温度，以保证塑料熔体凝固定型和脱模。   模具温度的选定主要决定于塑料的特性、制品的结构与尺寸、制品的性能要求以及成型工艺条件。对于非结晶型的塑料，模具的温度主要是影响熔体粘度，从而影响熔体充满型腔的能力和冷却时间。在保证顺利充满型腔的前提下，采用较低的温度，可以缩短冷却时间，从而提高生产率。所以对于熔体粘度低的或中等的塑料 (如聚苯乙烯、醋酸纤维素等 )，模具温度可以偏低些。而对于熔体粘度高的塑料 (如聚碳酸酯、聚苯醚、聚砜等 )，则采用较高的模温，以保证熔体充满型腔，缓和制品冷却速率的不均匀性，从而防止制品产生凹陷、内应力、开裂等缺陷。对于结晶型的塑料，其结晶度受冷却速率的影响，而冷却速率又受模具温度的影响，也就是说，模具温度直接影响到塑料制品的结晶度和结晶构造，从而影响到制品的性能。因此，对结晶型塑料，选择模具温度不仅要考虑熔体充满型腔和成型周期问题，还要考虑塑料制品的结晶及其对性能的影响。结晶型塑料的模具温度怎样选择较合适呢？一般说来，模具温度高，冷却速率慢，为结晶充分进行创造了条件，因而得到的制品，结晶度较高，制品的硬度高、刚度大、耐磨性较好，但成型周期长，收缩率较大，制品较脆。当模具温度较低时，冷却速率大，制品内结晶度较低。对于玻璃化温度低的塑料 (如聚烯烃 )还会产生后期结晶过程，使制品后收缩增大。鉴于上述情况，对结晶型塑料，模具的温度取中等为宜。模具温度高的仅用于结晶速率很小的塑料，如聚对苯二甲酸乙二 (醇 )酯等，模具温度还要根据制品的壁厚选择。壁厚大的，模具温度一般应较高。以减小内应力和防止制品出现凹陷等缺陷。  注射成型原理及工艺特性   (2) 压力     注射成型过程中的压力包括塑化压力和注射压力两种，它们直接影响塑料的塑化和塑件质量。    塑化压力   塑化压力又称背压，是指采用螺杆式注射机时，螺杆头部熔料在螺杆转动后退时所受到的压力。这种压力的大小是可以通过液压系统中的溢流阀来调整的。注射中，塑化压力的大小是随螺杆的设计、塑件质量的要求以及塑料的种类等的不同而确定的。如果这些情况和螺杆的转速都不变，则增加塑化压力时即会提高熔体的温度，并使熔体的温度均匀、色料混合均匀并排除熔体中的气体。但增加塑化压力，则会降低塑化速率、延长成型周期，甚至可能导致塑料的降解。一般操作中，在保证塑件质量的前提下，塑化压力应越低越好，其具体数值随所用塑料的品种而定，但通常很少超过 2 射聚甲醛时，较高的塑化压力 (也就是较高的熔体温度 )会使塑件的表面质量提高，但也可能使塑料变色、塑化速率降低和流动性下降。对聚酰胺来说，塑化压力必须降低，否则塑化速率将很快降低，这是因为螺杆中逆流和漏流增加的缘故。如需增加料温，则应采用提高料筒温度的方法。聚乙烯的热稳定性较高，提高塑化压力不会有降解的危险，这有利于混料和混色，不过塑化速率会随之降低。    注射压力   注射机的注射压力是指柱塞或螺杆头部轴向移动时其头部对塑料熔体所施加的压力。选择注射压力时，首先要考虑注射机允许的注射压力范围，注射压力要在它的数值之内，才能进行合理的调整与控制。通常取 (40 200)力的大小可通过注射机的控制系统来调整。注射压力的作用是克服塑料熔体从料筒流向型腔的流动阻力，给予熔体一定的充型速率以及对熔体进行压实等。   注射压力的大小取决于注射机的类型、塑料的品种、模具浇注系统的结构、尺寸与表面粗糙度、模具温度、塑件的壁厚及流程的大小等，关系十分复杂，目前难以作出具有定量关系的结论。在其他条件相同的情况下，柱塞式注射机作用的注射压力应比螺杆式注射机作用的注射压力大，其原因在于塑料在柱塞式注射机料筒内的压力损耗比螺杆式注射机大。塑料流动阻力的另一决定因素是塑料与模具浇注系统及型腔之间的摩擦系数和熔融粘度，摩擦系数和熔融粘度越大时，注射压力应越高。同一种塑料的摩擦系数和熔融粘度是随料筒温度和模具温度而变动的，此外，还与其是否加有润滑剂有关。  注射成型原理及工艺特性  注射成型原理及工艺特性   成型周期直接影响到劳动生产率和注射机使用率，因此，生产中在保证质量的前提下应尽量缩短成型周期中各个阶段的有关时间。在整个成型周期中，以注射时间和冷却时间最重要，它们对塑件的质量均有决定性影响。注射时间中的充模时间与充模速度成正比，在生产中，充模时间 般为 3 s 5 s。注射时间中的保压时间就是对型腔内塑料的压实时间，在整个注射时间内所占的比例较大， 般为 20 s 25 s， (特厚塑件可高达 5 10 在熔料冻结浇口之前，保压时间的多少，将对塑件密度和尺寸精度产生影响。保压时间的长短不仅与塑件的结构尺寸有关，而且与料温、模温以及主流道和浇口的大小有关。如果主流道和浇口的尺寸合理、工艺条件正常，通常以塑件收缩率波动范围最小的压实时间为最佳值。   冷却时间主要决定于塑件的厚度、塑料的热性能和结晶性能以及模具温度等。冷却时间的长短应以脱模时塑件不引起变形为原则，冷却时间一般在 30 s 120 却时间过长，不仅延长生产周期，降低生产效率，对复杂塑件还将造成脱模困难。成型周期中的其他时间则与生产过程是否连续化和自动化，以及连续化和自动化的参与程度有关。   压缩成型原理及工艺特性   压缩成型又称为压制成型、压塑成型、模压成型等。它的成型方法是将松散状的固态成型物料直接加入到模具中，通过加热、加压方法使它们逐渐软化熔融，然后根据模腔形状进行流动成型，最终经过固化转变为塑料塑件。   1. 压缩成型原理及其特点   压缩成型原理如图 粉状，粒状、碎屑状或纤维状的热固性塑料原料直接加入敞开的模具加料室内，后合模加热，使塑料熔化，在合模压力的作用下，熔融塑料充满型腔各处，如图 时，型腔中的塑料产生化学交联反应熔融塑料逐步转变为不熔的硬化定型的塑料制件，最后脱模将塑件从模具中取出，如图   压缩成型的特点是：塑料直接加入型腔内，压力机的压力是通过凸模直接传递给塑料，模具是在塑料最终成型时才完全闭合。其优点是，没有浇注系统，料耗少，使用的设备为一般的压力机，模具比较简单，可以压制较大平面的塑料制品或利用多型腔模一次压制多个制品。压制时，由于塑料在型腔内直接受压成型，所以有利于模压成型流动性较差的以纤维为填料的塑料，而且塑料制品收缩较小、变形小，各向性能比较均匀。压缩成型的缺点是：生产周期长、效率低，不容易压制形状复杂、壁厚相差较大的塑料制品；不容易获得尺寸精确尤其是高度尺寸精确的塑料制品；而且不能压制带有精细和易断嵌件的塑料件。   用于压缩成型的塑料有：酚醛塑料、氨基塑料、不饱和聚酯塑料、聚酰亚胺等，其中酚醛塑料和氨基塑料使用最广泛。   2. 压缩成型工艺   压缩成型工艺循环过程如图  压缩成型原理及工艺特性   (1) 压缩成型前的准备    预热与干燥   在成型前，应对热固性塑料进行加热。加热的目的有两个：一是对塑料进行预热，以便对压缩模提供具有一定温度的热料，使塑料在模内受热均匀，缩短模压成型周期；二是对塑料进行干燥，防止塑料中带有过多的水分和低分子挥发物，确保塑料制件的成型质量。预热与干燥的常用设备是烘箱和红外线加热炉。    预压   由于热固性塑料的比容比较大，所以在压缩成型前，在室温或稍高于室温的条件下，将松散的粉状、粒状、碎屑状、片状或长纤维状的成型物料压实成重量一定、形状一致的塑料型坯，使其能比较容易地被放入压缩模加料室。预压坯料的形状一般为圆片形或圆盘形，也可以压成与塑件相似的形状。预压压力通常可在 40 200 过预压后的坯料密度最好能达到塑件密度的80左右，以保证坯料有一定的强度。   (2) 压缩成型过程     压缩成型过程一般可分为加料，闭模、排气、固化和脱模等几个阶段。若塑料制件带有嵌件，加料前应将预热嵌件放入模具型腔内。首件生产需将压缩模放在压力机上预热至成型温度。    加料   加料就是在模具型腔中加入已预热的定量的物料，这是压缩成型生产的重要环节。加料是否准确，将直接影响到塑件的密度和尺寸精度。   常用的加料方法有体积质量法、容量法和记数法三种。体积质量法需用衡器称量物料的体积质量大小，然后加入到模具内，采用该方法可以准确地控制加料量，但操作不方便。容量法是使具有一定容积或带有容积标度的容器向模具内加料，这种方法操作简便，但加料量的控制不够准确。记数法适用于预压坯料。对于形状较大或较复杂的模腔，还应根据物料在模具中的流动情况和模腔中各部位用料量的多少，合理地堆放物料，以免造成塑件密度不均或缺料现象。    闭模   加料完成后进行闭模，即通过压力使模具内成型零部件闭合成与塑件形状一致的模腔。当凸模尚未接触物料之前，应尽量使闭模速度加快，以缩短成型周期和塑料过早固化和过多降解。而在凸模接触物料以后，闭模速度应放慢，以避免模具中嵌件和成型杆件的位移和损坏，同时也有利于空气的顺利排放，避免物料被空气排出模外而造成缺料。闭模时间一般为几秒至几十秒不等。  压缩成型原理及工艺特性    排气   压缩热固性塑料时，成型物料在模腔中会放出相当数量的水蒸气、低分子挥发物以及在交联反应和体积收缩时产生的气体，因此，模具闭模后有时还需卸压以排出模腔中的气体，否则，会延长物料传热过程，延长熔料固化时间，且塑件表面还会出现烧糊、烧焦和气泡等现象，表面光泽也不好。排气的次数和时间应按需要而定，通常为 1 3次，每次时间为 3 s 20 s。    固化   压缩成型热固性塑料时，塑料依靠交联反应固化定型的过程称为固化或硬化。热固性塑料的交联反应程度即硬化程度不一定达到100，其硬化程度的高低与塑料品种、模具温度及成型压力等因素有关。当这些因素一定时，硬化程度主要取决于硬化时间。最佳硬化时间应以硬化程度适中时为准。固化速率不高的塑料，有时也不必将整个固化过程放在模内完成，只要塑件能够完整地脱模即可结束固化，因为拖长固化时间会降低生产效率。提前结束固化时间的塑件需用后烘的方法来完成它的固化。通常酚醛压缩塑件的后烘温度范围为 90 150 ，时间为几小时至几十小时不等，视塑件的厚薄而定。模内固化时间决定于塑料的种类、塑件的厚度、物料的形状以及预热和成型的温度等，一般由半分钟至数分钟不等。具体时间的长短需由实验方法确定，过长或过短对塑件的性能都会产生不利的影响。    脱模   固化过程完成以后，压力机将卸载回程，并将模具开启，推出机构将塑件推出模外。带有侧向型芯或嵌件时，必须先用专用工具将它们拧脱，才能脱模。   热固性塑料制件与热塑性塑料制件的脱模条件不同。对于热塑性塑料制件，必须使其在模具中冷却到其自身具有一定强度和刚度之后，才能脱模；但对于热固性