聚碳酸酯厚壁制品的注射成型

1、聚碳酸酯厚壁制品的注射成型2006-4-28 15:54:46      【文章字體：大 中 小】 打印  收藏  關(guān)閉      聚碳酸酯樹脂（PC）作為一種綜合性能比較優(yōu)秀的熱塑性工程塑料，在國民經(jīng)濟(jì)不少領(lǐng)域都已得到應(yīng)用，其制品可用注塑、擠塑吹塑、吸塑等成型工藝制備。在使用注射成型制成的產(chǎn)品中，不乏有作為結(jié)構(gòu)零件使用的實(shí)例。然而由于注射成型的一般規(guī)律和PC本身的一些工藝特性，故在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，其壁厚一般均要求在1.5-5.0mm圍內(nèi)，而且要求壁厚能均勻過渡。對(duì)于薄

2、壁的PC產(chǎn)品，特別是壁厚為12 mm左右的光碟產(chǎn)品的注射成型已有報(bào)導(dǎo)；而對(duì)于厚壁、甚至是特厚壁的聚碳酸醋產(chǎn)品的注射成型，研究報(bào)導(dǎo)的較少。     筆者對(duì)特厚的PC透明產(chǎn)品的注射成型進(jìn)行了研究。該產(chǎn)品最大壁厚達(dá)40mm，截面最小壁厚為20mm，局部突臺(tái)處厚度又增至40mm。產(chǎn)品外徑為170，中心有10通孔。除了要求一系列必要的力學(xué)性能指標(biāo)外，還要求產(chǎn)品內(nèi)部無裂紋、氣泡、縮孔、夾層、雜質(zhì)及內(nèi)應(yīng)力，產(chǎn)品表面平整無凹痕，熔接痕等缺陷。經(jīng)過多次對(duì)PC樹脂品級(jí)的選擇、設(shè)備的改進(jìn)、模具的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)工藝的調(diào)整，最終產(chǎn)品滿足了設(shè)計(jì)要求。   

3、 1實(shí)驗(yàn)部分    1. 1主要原料      PC、121、141R,美國GE公司；    PC，IR2200, 日本出光公司；    PC, L1225L, L1225Y, L1250Y，日本帝人公司。    1 2主要設(shè)備      水分快速測(cè)定儀，SH10，上海第二天平儀器廠；    熔體流

4、動(dòng)速率測(cè)定儀，XRL-400C，上海思爾達(dá)科學(xué)儀器有限公司；    干燥箱，202-AO，南通科學(xué)儀器廠；    注塑機(jī)，WG-140，無錫格蘭機(jī)械有限公司；    注塑機(jī)，WG-400，無錫格蘭機(jī)械有限公司；     熱老化箱，D-6345,德國Hanau公司；    電子式拉力試驗(yàn)機(jī)，2010，德國Zwick公司。    1 3試驗(yàn)過程  &#

5、160; 對(duì)粒料進(jìn)行水份測(cè)定；對(duì)料粒進(jìn)行熔體流動(dòng)速率測(cè)定；粒料干燥后，在注塑機(jī)上上制成標(biāo)準(zhǔn)試樣，進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)；粒料干燥后，在注塑機(jī)上制成所需厚壁制品。    14性能測(cè)試    按GB/T 3682-2000測(cè)定熔體流動(dòng)速率（MFR）；    按GB/T 1043-1993測(cè)定沖擊強(qiáng)度。     2結(jié)果與討論      21 PC的工藝特性   &

6、#160;  PC是分子鏈中含有碳酸酯一類化合物的總稱。在其分子主鏈結(jié)構(gòu)中除了含有酯基外，還有苯環(huán)和異丙基。碳酸酯鏈賦予PC有一定的柔順性和韌性；而苯環(huán)則賦予PC具有剛性，因此這些基團(tuán)使PC具有既韌又剛的力學(xué)性能。主鏈苯環(huán)空間位阻大，因此在一定程度上剛性占有主導(dǎo)地位，這正是PC制品容易造成內(nèi)應(yīng)力甚至制品易開裂的主要原因之一。為此，要求制品合理設(shè)計(jì)并正確掌握成型工藝。    酯基對(duì)水敏感，易吸潮水解，特別是在高溫下樹脂更易水解。將透明的PC產(chǎn)品在121、0.015 MPa水中反復(fù)蒸煮10次，則會(huì)完全失去透明度而成為乳白色 不透

7、明產(chǎn)品。這就要求PC樹脂在成型加工之前必須  進(jìn)行充分的干燥處理，在加工過程中對(duì)于加料斗中的  或待加工已經(jīng)干燥的樹脂，必需采取嚴(yán)格的保溫措施，以防樹脂重新吸潮。    目前常用的PC樹脂，大部分是以雙酚A作為主要原料聚合而成的。對(duì)此類的PC，鏈節(jié)重復(fù)單元較長（約100左右）每一個(gè)鏈節(jié)中又有兩個(gè)苯環(huán)，它限制了分子的柔順性，導(dǎo)致 PC的玻璃化溫度和熔融溫度都比較高，熔體黏度較大。PC分子鏈雖對(duì)稱簡(jiǎn)單，但結(jié)構(gòu)  龐大，空間位阻大，使PC成為無定形結(jié)構(gòu)，無明顯熔點(diǎn)。PC的這些特征要求模具的澆道、澆口設(shè)

8、計(jì)短而粗，盡量減少熔體流動(dòng)阻力，同時(shí)需采用較高的注射壓力，而較高的注射壓力，可能會(huì)因PC分子剛性大，取向和解取向都困難，使制品內(nèi)應(yīng)力較大。    PC樹脂的熔體黏度較高，可多達(dá)1.0x104Pa·s （比一般的塑料要大出2個(gè)數(shù)量級(jí)），而且熔體黏度對(duì)剪切速率的依賴性較小，對(duì)注射壓力的依賴性較小，而對(duì)溫度的敏感性較大。這就是說要提高熔體的流動(dòng)性，應(yīng)采用提高注射溫度的辦法而不是采用增大注射壓力的辦法來實(shí)現(xiàn)。    2.22 材料的選擇和處理      對(duì)材料的選擇要考慮材

9、料的力學(xué)性能，熱性能及其他性能有特定的要求，同時(shí)又要考慮產(chǎn)品的成型加工性能。    2.2.1 材料的選擇    PC樹脂的力學(xué)性能與相對(duì)分子質(zhì)量有關(guān)，平均相對(duì)分子質(zhì)量為1.8X104左右的為中等，相對(duì)分子質(zhì)量大于1.8x 104 才有良好的強(qiáng)度，達(dá)到2.5X104以上時(shí)相對(duì)分子質(zhì)量進(jìn)一步增加對(duì)力學(xué)性能并不能明顯的提高，另外影響PC質(zhì)量的主要因素還有雙酚中的雜質(zhì)和含水量。而含水量增加又能顯著降低PC的相對(duì)分子質(zhì)量。如相對(duì)分子質(zhì)量為5X104，含水量為0.20-0.25的PC，經(jīng)190加工后相對(duì)分

10、子質(zhì)量下降為2.07 X104 ，220加工后下降為1.97x: 104.隨著溫升越高，相對(duì)分子質(zhì)量下降越大。因此，在材料選擇時(shí)，除了要考察驗(yàn)證其一系列的力學(xué)性能和熱性能等外，對(duì)進(jìn)廠材料的含水量要進(jìn)行嚴(yán)格的控制，特別是對(duì)材料的干燥處理更要嚴(yán)格仔細(xì)。    PC樹脂按其相對(duì)分子質(zhì)量的大小，又可分為高、中、低三種不同的赫度值。黏度低者相對(duì)分子質(zhì)量低。為方便起見，又常用熔體流動(dòng)速率MFR；來表征，條件為300，1200 g 。由于其結(jié)構(gòu)特征，PC的熔融溫度較低時(shí)，熔體黏度就較大，注塑時(shí)流動(dòng)性較差，相對(duì)分子質(zhì)量越

11、大，其流動(dòng)性更差。    圖1表示了相對(duì)分子質(zhì)量對(duì)螺旋流動(dòng)長度的影響。由圖可知，對(duì)于薄壁長流程深孔制品，應(yīng)選用流動(dòng)性較好的品級(jí)，如光碟所用PC其NFR為70 g /10min左右；而對(duì)于厚壁、特厚壁的大型制品，若材料的流動(dòng)性能太好，在注射時(shí)，由于模腔中的空氣無法及時(shí)全部排出，殘留的空氣因體積壓縮而急劇升溫，制品很容易造成眾多的缺陷，而且當(dāng)相對(duì)分子質(zhì)量低于2.0 X 104時(shí)，PC的抗沖性能又急劇下降，滿足不了產(chǎn)品的要求。流動(dòng)性太好的品級(jí)顯然不適合厚壁產(chǎn)品。    若選用高黏度的PC,因

12、其流動(dòng)性差，充模比較困難。為方便成型，勢(shì)必要采用提高熔體溫度和提高注射壓力等辦法。這樣會(huì)使熔體溫度與模具溫度的溫差進(jìn)一步擴(kuò)大。在注射充模時(shí)，熔體與模腔內(nèi)壁接觸的部分首先冷卻，而內(nèi)部熔體再逐漸冷卻，存在著一個(gè)溫度梯度。這樣在產(chǎn)品外層將受有拉應(yīng)力，而內(nèi)層部分將受有壓應(yīng)力，而且隨著制品尺寸的增大，特別是壁厚的增加，外層物料已冷卻，而內(nèi)部的物料還會(huì)繼續(xù)緩慢流動(dòng)，各層間的剪切應(yīng)力增大，這勢(shì)必會(huì)使產(chǎn)品的內(nèi)應(yīng)力增加，而且極易產(chǎn)生氣泡、縮孔和裂紋等缺陷。    通過多次試驗(yàn)，對(duì)本厚壁產(chǎn)品選了具有中等相對(duì)分子質(zhì)量2.2-2.3X104 ，中等黏度.即MFR為10-11&#

13、160;g/10min左右的PC樹脂的品級(jí)。    2.22材料的預(yù)處理    由于PC的分子結(jié)構(gòu)，決定了它對(duì)水分的敏感性， 雖然PC樹脂及其制品的吸濕性較小，室溫下的平衡吸水率僅為03，但在成型過程中少量的水分存在會(huì)引起PC大分子的降解，使相對(duì)分子質(zhì)量下降，熔融黏度降低，制品變色，制品上出現(xiàn)氣泡等一系列缺陷，制品的力學(xué)性能特別是沖擊強(qiáng)度明顯下降，如圖2所示。而且含水量越高，所得的制品的內(nèi)應(yīng)力越大。因此，對(duì)PC制品，特別是厚壁制品，冷卻時(shí)間長，甚至是在制品外部已完全冷卻，而制品內(nèi)部物料仍處于熔融狀態(tài)，微量水分對(duì)產(chǎn)品

14、質(zhì)量的影響還要繼續(xù)之中。因此，在成型前物料要進(jìn)行充分地干燥，使含水量降至0.02以下，最好在0.015以下。     PC樹脂在恒溫烘箱中的干燥條件如下：干燥溫度：120;干燥時(shí)間：5-6h;料層厚度：25 mm,;圖3為PC的含水量與干燥時(shí)間的關(guān)系。    干燥好的PC應(yīng)該及時(shí)存入封密容器中或立即放入注射機(jī)的干燥料斗中保溫100-120，以防重新吸濕。      2.3設(shè)備的選擇    以投影面積約為230

15、0;cm2，單件重量為800 g左右的厚壁制品，選用鎖模力為450 t左右的注塑機(jī)即可。    對(duì)PC樹脂，應(yīng)采用漸變型螺桿，壓縮比為2-3，長徑比為L /D20,由于產(chǎn)品壁很厚，在電氣上需對(duì)注射、保壓、冷卻時(shí)間及縮環(huán)周期要重新設(shè)定，使其量程符合生產(chǎn)工藝要求。    由于 PC的熔體黏度高，在成型中極少發(fā)生“流涎”現(xiàn)象，為減少注射時(shí)壓力的損失?？刹捎醚由旎蛑蓖▏娮?，并有溫控調(diào)節(jié)裝置。    在加工前，對(duì)注射料料筒螺桿要進(jìn)行徹底清洗，確保料筒中無雜

16、質(zhì)、黑點(diǎn)，避免影響產(chǎn)品質(zhì)量。    2.4模具的設(shè)計(jì)    考慮到產(chǎn)品質(zhì)量和性能指標(biāo)要求高，材料的流動(dòng)性差，壁厚又很大，而且過渡不平緩，故在模具設(shè)計(jì)時(shí)注意并采取如下措施：采用不溢式的模具結(jié)構(gòu)，這可使壓力全部作用在制品上，增加制品的密實(shí)性，對(duì)提高制品的力學(xué)性能，消除氣泡、裂紋、縮孔有一定的幫助；盡量減少澆注系統(tǒng)的長度，采用粗而短的直接澆口，中心澆道采用較大的斜度，以減少壓力損失；分型面上設(shè)置若干排氣槽，保證注塑時(shí)排氣流暢，但需注意防止熔料噴出；采用較大的脫模斜度，減少頂出壓力，防止產(chǎn)品頂出時(shí)變型；提高模具成型零件的表面光潔度；

17、模具設(shè)置加熱系統(tǒng)并可調(diào)節(jié)；而且要保證模腔各點(diǎn)的溫度基本均勻一致。    2.5 注射成型主要工藝參數(shù)的選擇    2.5.1溫度的選擇    料筒溫度：PC的大分子呈無定形狀態(tài)，大約在215開始熔化，225以上開始流動(dòng)，熔融溫度高，熔體黏度大，黏度對(duì)溫度的敏感性比剪切速率的影響大。為保證制品的質(zhì)量，PC成型時(shí)料筒溫度一般設(shè)定在240-300之間，考慮到使用的是中等黏度的PC，通過多次摸索最終確定為以下的料筒溫度設(shè)定：噴嘴270-275；區(qū)285  II區(qū): 

18、;275   區(qū): 275；區(qū)275。    PC在300溫度下長時(shí)間停留于料筒內(nèi)基本不分解，熔體黏度變化也不大。由于產(chǎn)品成型周期長達(dá)420s，物料在料筒內(nèi)停留時(shí)間很長，因此，在溫度的選擇上，在合理范圍內(nèi)以略低為宜。通對(duì)產(chǎn)品切片制成試件測(cè)試，各項(xiàng)力學(xué)性能都能滿足產(chǎn)品性能要求，同時(shí)外觀光亮，透明度好。    模溫的選擇：模溫對(duì)PC制品的內(nèi)應(yīng)力有比較明顯的影口向，應(yīng)力值隨著樹脂熔體與模具間的溫差增大而增加。溫差縮小注射時(shí)冷熱料之間的剪切應(yīng)力降低，熔體在模腔內(nèi)緩慢冷卻，分子鏈松弛，

19、取向程度減小，從而可減少制品的內(nèi)應(yīng)力。    產(chǎn)品模具設(shè)計(jì)有加熱系統(tǒng)，以確保有合理的模溫并減少熔體與模具的溫差。但模溫過高，則制品的沖擊性能會(huì)有所下降，脫模有困難，同時(shí)使生產(chǎn)周期更長。通過綜合平衡，最終設(shè)定模溫為90. 2.5.2壓力的選擇  PC熔體黏度主要取決于料筒溫度，而注射壓力對(duì)其影響不大。但由于PC熔體黏度較大，流動(dòng)性較差，故注射壓力一般選擇較高。由于此產(chǎn)品形狀相對(duì)比較不太復(fù)雜，而且澆注系統(tǒng)簡(jiǎn)單，澆道短、粗、直，難度不大，通過試驗(yàn)注射壓力在90 MPa，這對(duì)保證制品的力學(xué)性能是較好的。    針對(duì)產(chǎn)品壁特別厚的特點(diǎn)，保壓壓力過小時(shí)，補(bǔ)縮作用小，產(chǎn)品內(nèi)部因冷凝收縮而出現(xiàn)真空泡孔或表面凹陷等缺陷，而保壓壓力過大，在澆口周圍易產(chǎn)生較大內(nèi)應(yīng)力。因此合適的保壓壓力為60 MPa。