注塑制品成型原理全套

注塑制品成型原理第一節(jié)結(jié)晶效應(yīng)1結(jié)晶概念聚合物的超分子結(jié)構(gòu)對(duì)注塑條件及制品性能的影響非常明顯。聚合物按其超分子結(jié)構(gòu)可分為結(jié)晶型和非結(jié)晶型，結(jié)晶型聚合物的分子鏈呈有規(guī)則的排列，而非結(jié)晶態(tài)聚合物的分子鏈呈不規(guī)則的無定型的排列。不同形態(tài)表現(xiàn)出不同的工藝性質(zhì)誤物理—機(jī)械性質(zhì)。一般結(jié)晶型聚合物具有耐熱性和較高的機(jī)械強(qiáng)度，而非結(jié)晶型則相反。分子結(jié)構(gòu)簡單，對(duì)稱性高的聚合物都能生成結(jié)晶，如PE等，分子鏈節(jié)雖然大，但分子間的作用力很強(qiáng)也能生成結(jié)晶，如POM,PA等。分子鏈剛性大的聚合物不易生成結(jié)晶，如PC,PSU,PPO等。評(píng)定聚合物結(jié)晶形態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)是晶體形狀，大小及結(jié)晶度。2聚合物結(jié)晶度對(duì)制品性能的影響（1）密度.結(jié)晶度高說明多數(shù)分子鏈已排列成有序而緊密的結(jié)構(gòu)，分子間作用力強(qiáng)，所以密度隨結(jié)晶度提高而加大，如70%結(jié)晶度的PP，其密度為0.896,當(dāng)結(jié)晶度增至95%時(shí)則密度增至o.903。（2）拉伸強(qiáng)度結(jié)晶度高，拉伸強(qiáng)度高。如結(jié)晶度70%的聚丙烯其拉伸強(qiáng)度為27.5mpa，當(dāng)結(jié)晶度增至95%時(shí)，則拉伸強(qiáng)度可提高到42mpa。（3）沖擊強(qiáng)度沖擊強(qiáng)度隨結(jié)晶度提高而減小，如70%結(jié)晶度的聚丙烯，其缺口沖擊強(qiáng)度15.2kgf-cm/cm2,當(dāng)結(jié)晶度95%時(shí)，沖擊強(qiáng)度減小到4.86kgf-cm/cm2。（4）熱性能結(jié)晶度增加有助于提高軟化溫度和熱變形溫度。如結(jié)晶度為70%的聚丙烯，載荷下的熱變形溫度為125度，而結(jié)晶度95%時(shí)側(cè)為151度。剛度是注塑制品脫模條件之一，較高的結(jié)晶度會(huì)減少制品在模內(nèi)的冷卻周期。結(jié)晶度會(huì)給低溫帶來脆弱性，如結(jié)晶度分別為55%，85%，95%的等規(guī)聚丙烯其脆化溫度分別為0度，10度，20度。（5）翹曲結(jié)晶度提高會(huì)使體積減小，收縮加大，結(jié)晶型材料比非結(jié)晶型材料更易翹曲，這是因?yàn)橹破吩谀?nèi)冷卻時(shí)，由于溫度上的差異引起結(jié)晶度的差異，使密度不均，收縮不等，導(dǎo)致產(chǎn)生較高的內(nèi)應(yīng)力而引起翹曲，并使耐應(yīng)力龜裂能力降低。（6）光澤度結(jié)晶度提高會(huì)增加制品的致密性。使制品表面光澤度提高，但由于球晶的存在會(huì)引起光波的散射，而使透明度降低。3影響結(jié)晶度的因素（1）溫度及冷卻速度結(jié)晶有一個(gè)熱歷程，必然與溫度有關(guān)，當(dāng)聚合物熔體溫度高于熔融溫度時(shí)大分子鏈的熱運(yùn)動(dòng)顯著增加，到大于分子的內(nèi)聚力時(shí)，分子就難以形成有序排列而不易結(jié)晶；當(dāng)溫度過低時(shí)，分子鏈段動(dòng)能很低，甚至處于凍結(jié)狀態(tài)，也不易結(jié)晶。所以結(jié)晶的溫度范圍是在玻璃化溫度和熔融溫度之間。在高溫區(qū)（接近熔融溫度），晶核不穩(wěn)定，單位時(shí)間成核數(shù)量少，而在低溫區(qū)（接近玻璃化溫度）自由能低，結(jié)晶時(shí)間長，結(jié)晶速度慢，不能為成核創(chuàng)造條件。這樣在熔融溫度和玻璃化溫度之間存在一個(gè)最高的結(jié)晶速度和相應(yīng)的結(jié)晶溫度。溫度是聚合物結(jié)晶過程最敏感性因素，溫度相差1度，則結(jié)晶速度可能相差很多倍。聚合物從熔點(diǎn)溫度以上降到玻璃化溫度以下，這一過程的速度稱冷卻速度，它是決定晶核存在或生長的條件。注塑時(shí)，冷卻速度決定于熔體溫度和模具溫度之差，稱過冷度。根據(jù)過冷度可分以下三區(qū)。a等溫冷卻區(qū)，當(dāng)模具溫度接近于最大結(jié)晶速度溫度時(shí)，這時(shí)過冷度小，冷卻速度慢，結(jié)晶幾乎在靜態(tài)等溫條件下進(jìn)行，這時(shí)分子鏈自由能大，晶核不易生成，結(jié)晶緩慢，冷卻周期加長，形成較大的球晶。b快速冷卻區(qū)，當(dāng)模具溫度低于結(jié)晶溫度時(shí)過冷度增大，冷卻速度很快結(jié)晶在非等溫條件下進(jìn)行，大分子鏈段來不及折疊形成晶片，這時(shí)高分子松馳過程滯后于溫度變化的速度，于是分子鏈在驟冷下形成體積松散的來不及結(jié)晶的無定型區(qū)。例如：當(dāng)模具型腔表面溫度過低時(shí)，制品表層就會(huì)出現(xiàn)這種情況，而在制品心部由于溫度梯度的關(guān)系，過冷度小，冷卻速度慢就形成了具有微晶結(jié)構(gòu)的結(jié)晶區(qū)。c中速成冷卻區(qū)，如果把冷卻模溫控制在熔體最大結(jié)晶速度溫度與玻璃化溫度之間，這時(shí)接近表層的區(qū)域最早生成結(jié)晶，由于模具溫度較高，有利于制品內(nèi)部晶核生成和球晶長大。結(jié)晶的也比較完整。在這一溫度區(qū)來選擇模溫對(duì)成型制品是有利的，因?yàn)檫@時(shí)結(jié)晶速率常數(shù)大，模溫較低，制品易脫模，具注塑周期短。例如:PETP。建議模溫控制在（140~190度），PA6,PA66,模溫控制在（70~120度），PP模溫控制在（30~80）這有助于結(jié)晶能力提高在注塑中模溫的選擇應(yīng)能使結(jié)晶度盡可能達(dá)到最接近于平衡位置。過低過高都會(huì)使制品結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，在后期會(huì)發(fā)生結(jié)晶過程在溫度升高時(shí)而發(fā)生變化，引起制品結(jié)構(gòu)的變化。(2)熔體應(yīng)力作用，熔體壓力的提高，剪切作用的加強(qiáng)都會(huì)加速結(jié)晶過程。這是由于應(yīng)力作用會(huì)使鏈段沿受力方向而取向，形成有序區(qū)，容易誘導(dǎo)出許多晶胚，使用權(quán)晶核數(shù)量增加，生成結(jié)晶時(shí)間縮短，加速了結(jié)晶作用。壓力加大還會(huì)影響球晶的尺寸和形狀，低壓下容易生成大而完整的球晶，高壓下容易生成小而不規(guī)則的球晶。球晶大小和形狀除與大小有關(guān)還與力的形式有關(guān)。在均勻剪切作用下易生成均勻的微晶結(jié)構(gòu)，在直接的壓力作用下易生成直徑小而不均勻的球晶。螺桿式注塑機(jī)加工時(shí)，由于熔體受到很大的剪切力作用，大球晶被粉碎成微細(xì)的晶核，形成均勻微晶。而塞式注塑機(jī)相反。球晶的生成和發(fā)展與注塑工藝及設(shè)備條件有關(guān)。用溫度和剪切速率都能控制結(jié)晶能力。在高剪切速率下得到的PP制品冷卻后具有高結(jié)晶度的結(jié)構(gòu)，而且PP受剪切作用生成球晶的時(shí)間比無剪切作用在靜態(tài)熔體中生成球晶的時(shí)間要減少一半。對(duì)結(jié)晶型聚合物來說，結(jié)晶和取向作用密切相關(guān)，因此結(jié)晶和剪切應(yīng)力也就發(fā)生聯(lián)系；剪切作用將通過取向和結(jié)晶兩方面的途徑來影響熔體的粘度。從而也就影響了熔體在噴嘴，流道，澆口，型腔中的流動(dòng)。根據(jù)聚合物取向作用可提前結(jié)晶的道貌岸然理，在注塑中提高注射壓力和注射速率而降低熔體粘度的辦法為結(jié)晶創(chuàng)造條件。當(dāng)然，應(yīng)以熔體不發(fā)生破裂為限。在注塑模具中發(fā)生結(jié)晶過程的重要特點(diǎn)是它的非等溫性。熔體進(jìn)入模具時(shí)，接近表面層先生成小球晶，而內(nèi)層生成大的球晶；澆口附近溫度高，受熱時(shí)間長結(jié)晶度高，而遠(yuǎn)離澆口處因冷卻快，結(jié)晶度低，所以造成制品性能上的不均勻性。第二節(jié)取向效應(yīng)1取向機(jī)理聚合物在加工過程中，在力的作用下，流動(dòng)的大分子鏈段一定會(huì)取向，取向的性質(zhì)和程度根據(jù)取向條件有很大的區(qū)別。按熔體中大分子受力的形式誤作用的性質(zhì)可分為剪切應(yīng)力作用下的“流動(dòng)取向”和受拉伸作用下的“拉伸取向”。按取向結(jié)構(gòu)單元的取向方向，可分單軸和雙軸或平面取向。按熔體溫場的穩(wěn)定性可分等溫和非等溫流動(dòng)取向。也可分結(jié)晶和非結(jié)晶取向。聚合物熔體在模腔中的流動(dòng)是注塑的主要流動(dòng)過程，熔體在型腔中取向過程，將直接影響制品的質(zhì)量。欲理解注塑制品在型腔中成型的機(jī)理需了解無定型聚合物的取向機(jī)理。充模時(shí)，無定型聚合物熔體是沿型壁流動(dòng)，熔體流入型腔首先同模壁接觸霰成來不及取向的凍結(jié)層外殼。而新料沿著不斷增長的凝固層內(nèi)壁向前流動(dòng)。推動(dòng)波前峰向前移動(dòng)。靠近凝固層的分子鏈，一端被固定凝固層上，而另一端被鄰層的分子鏈沿著流動(dòng)方向而取向。由于靠近凝固層助力最大，速度最?。欢行耐饬鲃?dòng)阻力最小，速度最大，這樣在垂直于流動(dòng)方向上形成速度梯度；凝固層處的速度梯度最大，中心處的速度梯度最小，因此靠近凝固層的熔體流受剪切作用最強(qiáng)，取向程度最大，而在靠近中心層剪切作用最小，取向也最小，形成小取向?qū)訁^(qū)。2取向?qū)χ破沸阅艿挠绊懹捎诜墙Y(jié)晶型聚合物的取向是大分子鏈在應(yīng)力作用方向上的取向，所以在取向方向的力學(xué)性質(zhì)明顯增加，而垂直于取向方向的力學(xué)性質(zhì)卻又明顯地降低；在取向方向的拉伸強(qiáng)度，斷裂伸長率，隨取向度增加而提高。雙軸取向的制品其力學(xué)性質(zhì)具有各異性并與兩個(gè)方向拉伸倍數(shù)有關(guān)。雙軸取向改變了單軸取向的力學(xué)性質(zhì)。在通常注塑條件下，注塑制品在流動(dòng)方向上的拉伸強(qiáng)度大約是垂直方向的1~2.9倍，而沖擊強(qiáng)度為1~10倍，說明垂直于流動(dòng)方向上的沖擊強(qiáng)度降低很多。注塑制品的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度隨取向度提高而上升。有的隨取向度高和結(jié)晶度的提高，其聚合物的玻璃化溫度值可升高~25度。由于在制品中存在有一定的高彈性能，一定溫度下已取向的分子鏈段要產(chǎn)生松馳作用：非結(jié)晶型聚合物的分子鏈要重新蜷曲，結(jié)晶率與取向度成正比。所以收縮程度是取向程度的反映。線膨脹系數(shù)也將隨取向度而變化；在垂直于流動(dòng)方向線膨脹系數(shù)比取向方向約大3倍。取向后的大分子被拉長，分子之間的作用力增加，發(fā)生“應(yīng)力硬化”現(xiàn)象，表現(xiàn)了注塑制品模量提高的現(xiàn)象?！皟鼋Y(jié)取向”越大，則越容易發(fā)生應(yīng)力松馳，制品收縮也越大。所以制品收縮反映了取向的程度。3影響制品取向的因素在注塑加工中，聚合物熔體的取向過程可分兩個(gè)階段進(jìn)行。第一階段是充模階段，這時(shí)流動(dòng)的特點(diǎn)是：熔體壓力低，剪切速率大，模壁處的物料在快速冷卻條件丐進(jìn)行。這一階段聚合物熔體的粘度主要是溫度和剪切速率的函數(shù)。第二階段是保壓階段。其特點(diǎn)是剪切速率低，壓力高，溫度逐漸下降。聚合物熔體的粘度主要依賴于溫度和注射壓力，但對(duì)取向影響主要是熔體加工溫度。對(duì)結(jié)晶影響主要是模具溫度。取向即與剪切或拉伸作用有關(guān)，也與大分子鏈的自由能有關(guān)。根據(jù)這種機(jī)理，控制取向的條件有以下因素。（1）物料溫度和模具溫度增高都會(huì)使取向效自學(xué)成才降低。因?yàn)槿垠w升高時(shí)粘度會(huì)降低。如果熔體加工溫度高它和凝固溫度之間的溫度域加寬，松馳時(shí)間加長，容易解取向。非結(jié)晶型聚合物的松馳時(shí)間是從加工溫度降至玻璃化溫度的時(shí)間，而對(duì)結(jié)晶型聚合物是加工溫度至熔化溫度的時(shí)間，由于熔點(diǎn)溫度高于玻璃化溫度，顯然非結(jié)晶型聚合物松馳時(shí)間要長于結(jié)晶型聚合物。因此加工結(jié)晶型聚合物冷卻速度大，松馳過程短。容易產(chǎn)生凍結(jié)取向。而非結(jié)晶型聚合物冷卻速度慢，松馳過程長容易解取向，取向效果將減小。（2）注射壓力增加可提高熔體的剪切自學(xué)成才力和剪切速率，有助于加速高分子的取向效應(yīng)。因此，注射壓力與保壓壓力的提高都會(huì)使結(jié)晶與取向作用加強(qiáng)，制品的密度將隨保壓壓力的升高而訊速增長。（3）澆口封閉時(shí)間會(huì)影響取向效應(yīng)。如果熔體流動(dòng)停止后，大分子的熱運(yùn)動(dòng)仍較強(qiáng)烈，會(huì)使已取向的單元又發(fā)生松馳，產(chǎn)生解取向的效應(yīng)。采用大的澆口由于冷卻得慢，封閉時(shí)間延長，熔體流動(dòng)時(shí)間延長增加了取向效果，尤其在澆口處的取向更為明顯，所以直澆口比點(diǎn)澆口更容易維持取向效應(yīng)。（4）模具溫度較低時(shí)，凍結(jié)取向效應(yīng)提高。而解取向作用減小。（5）關(guān)于充模速度對(duì)制品取向的影響?？焖俪淠?huì)引起表面部位的高度取向，但內(nèi)部取向小，因?yàn)樵谝欢囟葪l件下，快速充模會(huì)維持其制品心部在較高的溫度下冷卻，使冷卻時(shí)間加長，高分子松馳時(shí)間延長使解取向能力加強(qiáng)，所以心部取向程度反而比表層的小。在注射溫度相同條件下，慢速充模會(huì)延長流動(dòng)時(shí)間，實(shí)際熔體溫度要降低，剪切力要增加。這時(shí)熔體的實(shí)際溫度與玻璃化溫度或熔點(diǎn)的區(qū)間要比快速充模區(qū)間小，則應(yīng)力松馳時(shí)間也短，所以解取向作用??；另一方面慢速充模熔體的溫度比快速充模時(shí)來得低些，解取向作用減小，而取向作用會(huì)增加。就制品心部的結(jié)構(gòu)形態(tài)而言，快速充模會(huì)引起較小的取向，而慢速充模反而會(huì)引起大的取向。綜上所述，影響聚合物結(jié)晶與取向的因素有以下幾個(gè)方面：1溫度：a熔體溫度。b熔體加工過程的溫度。c模具溫度。d聚合物熔點(diǎn)。e聚合物玻璃化溫度。f熔體最大結(jié)晶速率溫度。2時(shí)間：a聚合物加熱時(shí)間。b充模時(shí)間。c保壓時(shí)間。d澆口封閉時(shí)間。e冷卻時(shí)間。3壓力：a充模壓力。b保壓壓力。4速度：a充模速度。b塑化速度。第三節(jié)內(nèi)應(yīng)力1內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生在注塑制品中，各處局部應(yīng)力狀態(tài)是不同的，制品變形程度將決定于應(yīng)力分布。如果制品在冷卻時(shí)。存在溫度梯度，則這類應(yīng)力會(huì)發(fā)展，所以這類應(yīng)力又稱為“成型應(yīng)力”。注塑制品的內(nèi)應(yīng)力包兩種：一種是注塑制品成型應(yīng)力，另一種是溫度應(yīng)力。當(dāng)熔體進(jìn)入溫度較低的模具時(shí)，靠近模腔壁的熔體訊速地冷卻而固化，于是分子鏈段被“凍結(jié)”。由于凝固的聚合物層，導(dǎo)熱性很差，在制品厚度方向上產(chǎn)生較大的溫度梯度。制品心部凝固相當(dāng)緩慢，以致于當(dāng)澆口封閉時(shí)，制品中心的熔體單元還未凝固，這時(shí)注塑機(jī)又無法對(duì)冷卻收縮進(jìn)行補(bǔ)料。這樣制品內(nèi)部收縮作用與硬皮層作用方向是相反的；心部處于靜態(tài)拉伸而表層則處于靜態(tài)壓縮。在熔體充模流動(dòng)時(shí)，除了有體積收縮效應(yīng)引起的應(yīng)力外。還有因流道，澆口出口的膨脹效應(yīng)而引起的應(yīng)力；前一種效應(yīng)引起的應(yīng)力與熔體流動(dòng)方向有關(guān)，后者由于出口膨脹效應(yīng)將引起在垂直于流動(dòng)方向應(yīng)力作用。2影響愉應(yīng)力的工藝因素（1）向應(yīng)力的影響在速冷條件下，取向會(huì)導(dǎo)致聚合物內(nèi)應(yīng)力的形成。由于聚合物熔體的粘度高，內(nèi)應(yīng)力不能很快松馳，影響制品的物理性能和尺寸穩(wěn)定性。各參數(shù)對(duì)取向應(yīng)力的影響a熔體溫度，熔體溫度高，粘度低，剪切應(yīng)力降低取向度減??；另一方面由于熔體溫度高會(huì)使應(yīng)力松馳加快，促使解取向能力加強(qiáng)?？墒窃诓桓淖冏⑺軝C(jī)壓力的情況下，模腔壓力會(huì)增大，強(qiáng)剪切作用又導(dǎo)致取向應(yīng)力的提高。b在噴嘴封閉以前，延長保壓時(shí)間，會(huì)導(dǎo)致取向應(yīng)力增加。c提高注射壓力或保壓壓力，會(huì)增大取向應(yīng)力，d模具溫度高可保證制品緩慢冷卻，起到解取向作用。e增加制品厚度使取向應(yīng)力降低，因?yàn)楹癖谥破防鋮s時(shí)慢，粘度提高慢，應(yīng)力松馳過程的時(shí)間長，所以取向應(yīng)力小。（2）對(duì)溫度應(yīng)力的影響如上所述由于在充模時(shí)熔體和型壁之間溫度梯度很大，先凝固的外層熔體要助止后凝固的內(nèi)層熔體的收縮，結(jié)果在外層產(chǎn)生壓應(yīng)力（收縮應(yīng)力），內(nèi)層產(chǎn)生拉應(yīng)力（取向應(yīng)力）。如果充模后又在保壓壓力的作用下持續(xù)較長時(shí)間，聚合物熔體又補(bǔ)入模腔中，使模腔壓力提高，此壓力會(huì)改變由于溫度不均而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。但在保壓時(shí)間短，模腔壓力又較低的情況下，制品內(nèi)部仍會(huì)保持原來冷卻時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)。如果在制品冷卻初期模腔壓力不足時(shí)，制品的外層會(huì)因凝固收縮而形成凹陷；如果在制品已形成冷硬層的后期模腔壓力不足時(shí)，制品的內(nèi)層會(huì)因收