热固性塑料注塑成型综论_胡海青
l3(Sum.143) 塑料科技 PLASTICSSCI.&TECHNOLOGY 41June2001
文章编号:1005-3360(2001)-03-0041-06
热固性塑料注塑成型综论
胡海青
(青岛化工学院高分子科学与工程学院,山东青岛266042)
摘 要: 论述了基本热固性塑料注塑、无流道、注压成型、反应注射、液体注射、模塑料注射成型等的方法,特点,工艺,设备和模具设计方面的问题。
关键词: 热固性塑料;注塑成型;原理;工艺中图法分类号:TQ323 文献标识码:A
的保压后,固化成型,开模取出制品,即得固化塑制品。
0 前言
传统的热固性塑料成型主要是压缩模塑(压塑)法和传递模塑法。压塑成型工艺操作复杂,成型周期长,生产效率低,模具易损坏,易出废品,质量不稳定,是强体力的手工操作,成本高。六十年代后,美国针对压塑工艺所存在的问题,首创了热固性塑料注塑工艺,1963年即投入实用化生产,在此基础上发展的热固性塑料无流道注塑工艺及无流道注压工艺的应用,更促进了热固性塑料成型的发展。热固性塑料注射成型的发展与完善推动了热固性塑料的发展,大量用于电器电子、仪器仪表、化工、纺织、汽车、建筑、机械、轻工、军工、航空航天等部门。热固性塑料的注塑成型方法,根据其成型方式,模具结构特点,原料特性,可以分成一般热固性注塑成型,无流道注塑成型,注压成型,反应注塑成型,液体注塑成型,模塑料注塑成型等。
热固性塑料成型是物理变化和化学变化的过程,并且是不可逆的。热固性塑料注塑工艺流程图如
图1。
热塑性塑料的注塑成型要考虑成型的三个方面,即:成型的三阶段:塑化、填充、固化。热固性注塑工艺同样也要兼顾这三方面,正确协调÷料、模、机、艺"四相互相关联的因素,才可以生产出合格的产品。
热固性塑料注射机有螺杆式和柱塞式,其结构特点主要表现在塑化部件上,热固性塑料在塑化过程中要求:(1)不能对塑料产生过大的剪切作用;(2)尽量缩短物料在机筒内的停留时间;(3)能准确控制预塑化温度。
由于热固性塑料熔体的流动性与热塑性塑料熔体有很大区别,相应模具也有所不同。热固性塑料熔体的流动类似宾汉流(Binghamflow),浇注系统要求流动阻力小,同时为了加速在型腔内的固化速度,缩短模塑周期,在流动过程中需要适当地升高温度。热固性塑料与热塑性塑料注塑模具的差别主要表现在:(1)流道的设计,在主流道、分流道、型腔位置、浇口位置、浇口尺寸和形状设计等方面都不相同。(2)热固性塑料注射模具必须设置加热装置和温控系统,以利于物料在模内化学变化顺利进行。
1 基本热固性塑料注塑成型(ThermosetPlasticsInjectionMolding)
11,22
热固性塑料注塑原理是将热固性颗粒或粉状树脂注入机筒内,通过对料筒的外加热及螺杆旋转时对注塑料的摩擦热,在温度不高的料筒内先进行预热塑化,使树脂发生物理变化和缓慢的化学变化而呈稠胶状,产生流动性,然后用螺杆或柱塞在强大压力下将稠胶状的熔融料通过机筒的喷嘴,注入模具的流道、浇口并充满型腔,在高温高压下,进行化学反应,经一段时间
收稿日期:2000-06-28
2 无流道热固性注塑成型(Runnerless
13)62
InjectionMolding)
无流道热固性塑料注塑工艺成型,比其它热固性
42胡海青 热固性塑料注塑成型综论
本;
(10)节电节能,增加经济效益。
热固性塑料无流道注塑成型按其成型方式和模具结构可以分成如下三类,延伸式喷嘴注塑成型,绝热流道成型和热道系统成型。
延伸式喷嘴注塑成型模具的喷嘴直接伸进模具,成为型腔的一部分,并与塑件直接接触,熔料通过一点浇口注入型腔,这样喷嘴成为塑件表面的一部分,在制件表面留下痕迹。因为模具结构受到很大限制,只能成型单型腔制品和成型周期短的薄壁塑件。
将浇口及流道中的材料通过加热的方式,保持在加工温度,这就是绝热流道和热流道系统。绝热流道注射成型的流道设计的比较粗,熔融树脂从注塑机的喷嘴注塑到模具中,与冷的流道壁接触的树脂,瞬间冷却
塑料成型方法有很大改进,生产效率大幅度提高,但是热固性注塑废料多,浪费严重,固化在流道和浇口中的物料无法再生利用,多模腔注塑模废料率最多时可达50%,一般也有15)20%。为了克服这些缺点,在模具设计、设备及工艺等方面都有所改变和更新,其中无流道成型是重要的一种。
无流道成型并非是真正的没有流道,只是初次注射时,树脂充满模具的流道系统,而后保持流道中的物料处于流动状态,用于下一次充模,所以称其为无流道冷料注塑成型可能更为准确。该注塑工艺与一般的热固性塑料注塑成型相比有如下优点:
(1)节约物料,流道中的物料不固化,可为下一模使用;由流道产生的树脂损失少;
(2)开模量小,只是取出制品的开模量,同样的注塑机行程,可以成型比以往普通流道更深的制品;
(3)不需要等到流道料冷却固化,开模行程又短,所以可以高速成型,提高生产效率;
(4)没有冷流道,流道中的压力损失小,可以降低树脂温度和注射压力;
(5)树脂温度低,提高可塑化能力,也可以改善制品的物理性能。降低注射压力,减少了制品的内应力,减小变形;
(6)型腔模板不需每次注塑都滑动,可以使用点浇口成型,大型模具可使用多点浇口成型;
(7)可以经济地以侧浇口成型单个制品;(8)流道自动脱模,有利于实现注塑工艺的自动化;
(,凝固,在极短的时间内凝固层的厚度达到平衡,该冷固的物料形成隔热衬套,以保持流道中心的物料处于熔融状态,并保持到下一模注射,所以这种成型方法也称为隔热衬套式。
热流道系统是通过加热装置加热流道板,控制注射模集流腔内的温度处于90e~120e,低于物料的固化温度,但是保持集流腔内的物料长时间处于最佳熔融流动状态不固化,下一模注射时可继续使用,也称为无浇道注射成型。
无流道注塑成型也存在一些缺点,绝热流道注射成型的流道料容易冷却固化,所以使用树脂及成型周期有一定的限制,不适合尺寸精度高的制品,而且开始操作时达到设定的条件很麻烦。热流道成型要增加加热装置及温度检测控制装置,模具结构复杂,费用高,温度控制精度较高,因为模具厚度增大,同样制品使用的注塑机比较大,检修复杂。
对于无流道注塑成型,要准确控制集流腔的温度,集流腔温度偏高会造成集流腔中的熔融料固化,从而造成浇口堵塞而停产。当集流腔温度低于注塑熔融温度,则易在集流腔中造成冷固化,同样会堵塞集流腔分浇口,造成停产。控温精度一般在?5e。
3 热固性塑料注压成型(Injection/Com-11,2,72
pressionMolding)
热固性塑料注射压缩成型又称二次合模注射成型,简称注压成型,是将熔体注射进稍微开启的模具型腔内,注射完毕,熔体固化前,通过外力进行二次合模,
胡海青 热固性塑料注塑成型综论
性能的一种注塑方法。它是注塑和压缩模塑的组合成型技术。
注射压缩成型工艺原来是为了成型光学透镜等精密制品开发的。塑料光学透镜精度要求高,还要防止分子取向和残余应力等原因造成的透镜失真,一般注射成型就难以达到这么高的要求。
在注射压缩成型过程中,熔体是在较低的压力下注入模腔,而后对注入模具型腔中的熔料再进行压缩,流动熔体中的剪切应力不大,加之压缩时作用到熔体上的压力又比较均匀,减少了注射时对分子取向的影响,因此塑件的重复性得到提高。成型过程中,没有保压补料,所需注射压力较小,同时可降低塑件的残余应力。因此所得制品取向度低、内应力小,各向的收缩也接近于相等。注射压缩成型的这一突出优点,使其特别适合要求高度透明且无应变的大面积光学塑料制品的成型。广泛用于成形塑料光学透镜、照相机的镜片、激光唱片和人工肾透析过滤器等高精度塑件,以及难以注塑成型的薄壁塑件。除此,注压成形还有以下优点:
(1)注压的熔融料是在不闭模低压下注射,对料筒、螺杆、模具的集流腔及型腔的磨损大幅度降低,延长了注塑机及注塑模的使用寿命;
(2)充模时易把模腔里的空气和挥发物排除出去,简化了模具的排气结构;
(3)减小背压,合模力降低了25%~40%,无流道注压模所需合模力是016t/cm~018t/cm,而传统的注塑合模力是1164t/cm2;
(4)小型注塑机也可采用多腔模,生产率可大幅度提高;
(5)制品的成本低,比模压制品低6%~16%,比注塑制品低6%~29%;
(6)在所有热固性塑料成型工艺中其成型周期最短;
(7)密度大,尺寸稳定,电性能及机械强度高,相当于模压工艺,优于一般注塑制品;
(8)制品的边角废料率低,无流道注压成型工艺的废料率比一般注塑工艺低30%~50%;
(9)最后充填型腔是压缩成型,浇口附近不存在内应力区;
(10)固化温度高、热刚性好,可以成型高精度,难以注塑成型的薄壁塑件,也可以成型厚壁制品,制品内外固化度均匀,不会发生夹生情况;
,2
2
43
工,外观质量较好;
(12)自动化生产,减轻劳动强度;
(13)生产率高,节料、节电,可以进行无流道注塑,即无流道注压成型。
注射压缩成型要经过两次闭模,工艺流成如下:
注压成型是注塑和压塑成型两者的优点结合起来的热固性塑料成型新工艺。而无流道注压成型工艺,又把无流道注塑工艺的节料,节电的优点结合进去,使注压工艺进一步完善。无流道注压成型工艺与注压成型工艺相同,只是浇注系统采取了无流道技术,所以无流道注压模共有两个温度区域,即集流腔的低温区,包括主浇道、主流道、分流道、浇口、辅助流道(90e~120e)和动、定模型腔的高温区(165e~190e),一次合模间隙为215mm~5mm,成型周期视型制品结构及厚薄而定为45s~60s。
4 反应注塑成型(RIMReactiveInjection
18)102
Moulding)
反应注塑成型是低粘度高活性的原料,经过高压碰撞混合,在模腔中发生聚合反应,直接固化成型为塑件的特殊注射成型方法。因为热固性树脂液态单体的聚合、聚合物的造型、定型是在一个流程中完成的,所以也称为÷一步法"注塑技术。由于至今生产材料仅限于聚氨酯树脂,所以该成型方法也就专指聚氨酯的反应注塑成型(RIM-PU)。
反应注塑成型与一般热固性塑料注塑成型相比有许多优点:
(1)液态单体和各种添加剂直接成型,省去聚合、配料和塑化等操作,成型工艺过程简化;
(2)液态物料的粘度低,充模时的流动性高,充模压力和锁模力都很低,仅为一般注射成型的1/1001/40,注射压力常常采用0168MPa,能源消耗低;
(3)塑件的性能可从硬性体到类似橡胶状的弹性制品;
(4)模具的再现性高,可清晰地呈现木纹和皮革纹等;
,;
44胡海青 热固性塑料注塑成型综论
塑料增强用材料主要纤维、片状及特殊粉状填料三类,最主要的是纤维类、超细无机填料、碱土稀土及新兴的金属材料。纤维类增强材料主要有石棉纤维、玻璃纤维、碳纤维、晶须等。
玻纤织物(毡片)增强软、硬聚氨酯发泡的RIM成型称为结构反应注射成型,简称SRIM,是八十年代中期在RIM的基础上发展起来的成型方法。先将长玻纤预制的织物或毡片铺垫在模具中,再将两种液料输送到混合头中混合后注入模具,进行反应注射成型,从而得到不同厚度的泡沫制品,俗称÷PUR-M"。细玻纤和玻璃织物增强聚氨酯的成型过程见图4。
(6)塑件有整体性表层结构,耐腐蚀,且可以着色;
(7)发泡制品内部应力小,不因壁厚不匀、凸起部位、加强筋等导致收缩;
(8)适合成型大面积、薄壁和形状复杂的注塑制品,单件可大于50kg,且表面无熔融接缝;
(9)成型设备和模具的造价低,大批量生产,投资为一般注射成型投资的1/41/2;
(10)大幅度缩小注射机的体积,设备占地面积一般为螺杆注射机占地面积的1/61/5。
它的缺点主要表现为生产材料受限,至今仅限于聚氨酯树脂,而且硬质聚氨酯不适于成型3mm以下的薄壁制品。
目前,反应注塑成型(RIM)的应用领域已十分广泛,由于设备的投资低,所以特别适合于成型汽车外覆盖件等大型塑件,许多汽车的保险杠、车门、前挡泥板、后挡泥板等都用该成型工艺。如用RIM成型的聚氨酯零部件,在汽车制造业用来作驾驶盘、座垫、头部靠垫、手臂靠垫、阻流板、缓冲器、防震垫、遮光板、卡车身、冷藏车、冷藏库等的夹芯板;在电器中用来成型电视机、扩音器、计算机、控制台外壳等;在民用建筑方面用来成型家具,仿木制品、以及管道、冷藏器、热水锅炉、冰箱等的隔热材料。
反应注塑成型工艺流程见图3
。
SRIM不仅保持了RIM工艺的优点,而且制品的性能更
为优越,不仅显著提高聚合物材料的热稳定性,而且大大提高材料的力学机械性能,使之成为高强度、高模量和高度热稳定性的优质材料,可以作为结构硬件来使用。SRIM使用的增强材料,一般有玻璃纤维和碳纤维毡、尼龙毡、不锈钢纤维毡等,而使用最多的是连续股长玻纤毡片,玻纤适合的长度为不超过115mm,大于3mm的不适合RRIM-PU工艺。
5 增强反应注塑成型(RRIMReinforced
18)102
RRIM)
在反应注塑成型原料浆中添加强化材料,如短纤维的原料浆和有发泡能力的原料浆,以改善反应注塑成型塑件力学性能和电性能等的成型方法,称作增强反应注塑。增强反应注塑成型不仅保留了RIM成型的优点,而且可大幅度增加弯曲强度,减少热膨胀系数。可以替代钢材用于工业结构件上,尤其是汽车配件:如
6 液体注塑成型(LIMLiquidInjection
111)132
Moulding)
液体注塑成型,是以热固性液体注射料为原料,通
胡海青 热固性塑料注塑成型综论
固化剂作用下,在模具内迅速固化成型而得到成型制品的成型方法。有时人们将液体注射成型同灌封、包装、浸渍等成型方法列为浇铸成型。
液体注塑成型和反应注射成型,都是将液体从储存容器中先泵入混合室内混合,然后由喷注入模腔固化成型。两者最主要区别在于液体注塑成型是在固化剂作用下,经过加热固化成型。反应注塑成型两种物料混合后,在模腔中通过化学反应固化成型,不加固化剂。
LIM工艺所采用的液态注塑料有不饱和聚酯、环氧树脂、聚氨酯和有机硅等,正在开发的橡胶材料,除了液体硅橡胶,还有聚氨酯橡胶,聚丁二烯橡胶等,主要用于生产小型精密制品和汽车、电器、医疗方面用的制品,如褥垫、电器绝缘件,线圈封装、电子电器的塑壳封装等。目前,国内只采用液态环氧注塑料。LIM原料的主料和固化剂的混合比多采用1B1,两种液体料)混合就开始固化反应,温度越高反应速度越快,固化时间越短,对LIM注塑料的要求见表1,对液体注塑料的工艺条件要求见表2,LIM成型工艺过程见图5。
表1 对LIM注塑料的要求
性 能贮存期固化条件耐温性
原 因
贮存期长而且稳定,室温下混合料可保存24小时以上,以便在混合器中暂时保存。
在贮料筒内有足够长的贮存期,高温下固化时间短,注入模具型腔后能迅速固化。
高温下机械强度高,热刚性好,不因脱模而发生变形。在常温或较低的预热温度下,流动性良好,在料斗中容易进料,同时要满足一定的充模速度和对线圈匝间的渗透能力,又不会造成漏模泄料,对注塑机的料筒、螺杆及模具型腔磨损小。
固化的塑件既要有一定的刚性,又要有足够韧性,以保证各种几何形状的零件能在高低温环境下工作。
45
续表2
条
件锁模力
原 因
锁模力不足时将引起严重溢料,以注射时不产生飞边,制件不产生气孔为准。
太高时排气不充分,易产生气孔,充模不畅,分层固化;太
模具温度低时溢料严重,生产率低,固化时间长。一般生产的定模温
度为90e~150e。时间过短,树脂不能充分固化,在模内压力作用下物料向浇口反馈,制品疏松;时间太长,制品性能提高不明显,反
保压时间
而易使喷嘴头注塑料局部固化,影响下一模注射,降低生产率,一般保压时间为10min左右。固化时间短则制品固化不充分,脱模时热刚性强度差,易
固化时间顶裂;固化时间长,制品强度较好,但生产率太低。一般在
8min~20min。
LIM需专用的成型设备,主要由供料部分、定量及注射部分、混合及喷嘴部分组成,LIM的注射喷嘴应采用液压控制喷嘴,同时还装有水冷设备,一方面防止喷嘴溢料,另一方面防止物料在喷嘴外产生高温而固化。加工高粘度聚合物,LIM注塑模具,成型模具与注塑热固性树脂的模具相同,由于LIM注塑树脂的粘度很低,要特别注意模具型腔的排气问题。
流动性
塑件性能
7 模塑料注塑成型(MoldingCompound
Injection)
114)172
毒 性注塑料本身及注塑时放出的气体对人体无害。
表2 对液体注塑料的工艺要求
条 件
原 因
模塑料注射成型根据模塑料的形状可以分为块状
模塑料(BMC)注塑成型,也称为团状模塑料(DMC)和片状模塑料(SMC)注塑成型,是纤维增强热固性塑料的一种。模塑料一般是模压成型。模塑料注塑成型与模压成型相比,成型压力低、固化时间短,模具设备费用低,制品性能更均匀,用于后饰的费用也低,自动化程度高。近年来,模塑料在汽车工业中的广泛应用,实现了专业化、自动化和高效率生产,制品成本不断降低,适用范围越来越广。块状模塑料成型主要用于生产玻璃纤维增强不饱和聚酯(聚酯玻璃钢),它的力学性能、,
预热温度过低料的粘度大,流动性差,注速慢,固化速度
慢,制品易中空开裂;过高,流速快,料筒内贮存期变短,原
预热温度
料在贮料罐内粘度过早增大,甚至发生提前固化,预热温度一般在30e~60e之间。注射速度
应和配方的固化条件和模具排气性能相匹配,过高时制品内混有气泡,过低时充模不良。
模内压力一般为0149MPa~1196MPa,属低压注射。注射压力过低,充模速度慢,气泡难于排出,制品死角处不易充
注射压力
满;注射压力提高,制品抗冲能力提高,但是注射压力过高,漏模严重,合模力增大,喷嘴口易÷漏涎"。
46胡海青 热固性塑料注塑成型综论
为了保持玻璃纤维的长度和准确地计量以及稳定塑化系统的压力常采用深螺槽无压缩段的螺杆,并在料筒头部装上防流的针阀。对于BMC注塑必须注意材料流动路线,流道结构尺寸,考虑尽量小的阻力或死角,防止材料流动困难或出现积料。为防止玻璃纤维通过模具浇道弯道因过度受损而降低强度,在模具浇注系统集流腔的设计时,要考虑为减少摩擦面及弯道阻力,注意如下几个问题:(1)主流道要短;(2)用圆形分流道;(3)浇口须浅不宜深;(4)增加浇口截面。
1参 考 文 献2
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有很高的电阻值和较小的收缩率,而且原材料来源丰富、价格便宜、易成型,用于汽车制造业的汽车用后架、前仪表盘、后开启门等大型制件,还广泛用来生产多种工业零部件、电子工业和家用电器的各种壳体和小零件等。
团状模塑料(DMC)又称预混料,成型料团处于半湿状态,加料方式受到限制,容易出现熔接痕,制品机械强度不高,表面质量欠佳、BCM的出现,克服了上述缺点。BMC是化学增稠的低收缩型预混料,改善了散装模塑料的流动性和制品的外观,应用广泛。SMC是÷干法"制造玻璃纤维增强聚酯,综合了DMC(BMC)的优良成型性和附预成型制品的良好强度。BMC和SMC所用增强材料的形式和制造工艺各不相同(见图6),SMC
更适合于模压成型大件制品。
BMC注塑机上装有特殊型式的料斗和供料装置。机筒设有侧入口以便与自动加料装置相连接。供料装置装有液压活塞可把模塑料压入塑化料筒内,在螺杆旋转作用下进行输送和塑化,塑化螺杆的长径比一般为20B1。注塑机有控制模子放气阶段的装置,模具具有加热冷却系统。
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ThermosetPlasticsInjectionMolding
HUHa-iqing
(QingdaoInstituteofChemicalTechnology,ShandongQingdao266042,China)
Abstract:Theinjectionmoldingmethodsofthermosetplasticscanbeclassifiedbytheirprocess,moldandmaterialintobasics,runnerless,injection/compression,moldingcompound,reactive,andliquidinjectionmoldingetc.,theyaredis-cussedrespectivelyinthisarticle.