粉料和粒料的加工工艺性能样本.doc

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3.3 粉料和粒料的加工工艺性能
    了解粉料和粒料的加工工艺性能对正确控制采用这类原料的成型作业和提高制品质量, 无疑是很重要的。以下将按热固性塑料和热塑性塑料分别讨论其工艺性能。为了说明各种性能, 先引出”模塑(成型)周期”的定义, 它是指循环而又按一定顺序的模塑作业中, 由一个循环的某一特定点进至下一循环同一点所用的时间。例如: 从粉料或粒料加入模具中起, 经加热加压、 硬化到解除压力、 脱出制品、 清理模具至重新开始加料为止所需的总时间。
1. 热固性塑料的加工工艺性能
    热固性塑料的加工工艺性能主要有以下六种:
    (1) 收缩率 以粉料或粒料生产塑料制品常是在高温熔融状态下在模具中成型的。当制品冷却到室温后, 其尺寸将发生收缩。收缩率的定义式如下:

 　式中SL为塑料的收缩率: Lo为模具型腔在室温和标准压力下的单维尺寸; L为制品在相同情况下与模具型腔相应的单维尺寸。如果制品上各维的SL分别有零、 相等与不相等的变化, 则制品的形状即会分别相应地与模具型腔相等、 相似与不相等也不相似。为了保证制品的准确性, 在规定模具型腔的尺寸时, 即不得不结合各维上的SL值而定出适当的放大系数。但这一问题是很难得到满意的解决的, 因为影响因素复杂, 各维上的SL每次成型中也不一定是定值。因此在实际工作中都采用实测数据的平均值, 这样, 制品就有一定的公差范围。能够看出塑料的收缩率实际应是塑料在成型温度下的单维尺寸, 与在室温下的单维尺寸间的差值计算得到的。可是, 由于高温下尺寸的测定困难, 且这种数据在工艺及模具设计等方面的用处不大: 因而采用了上式中定义的收缩率。
       热固性塑料制品收缩的主要原因有: ①化学结构的变化: 制品中的聚合物是体型结构, 而所用塑料中的则为线型结构, 前者的密度较后者为大, 因而产生了收缩。②热收缩: 塑料的热膨胀系数比钢材大(塑料的线膨胀系数为25×10-6—120×10-6而钢材则为11×10-6), 故制品冷却后的收缩较模具为大。③弹性回复: 制品在硬化后并非刚性体, 脱模时压力降低即有一弹性回复, 这将会减小收缩率。④塑性变形: 脱模时压力降低, 但模壁仍紧压着制品四周, 从而使制品发生局部塑性变形。发生变形部分的收缩率比没有发生的部分要大些。
        影响制品收缩率的因素可归为三类: ①工艺条件; ②模具和制品的设计; ③塑料的性质。
        测定收缩率用的试样是直径100±0.3mm; 厚4±0.2mm的圆片或每边长为25±0.2mm; 厚4±0.2mm的立方体。试样应采用该塑料牌号所规定的成型条件。试样脱模后应在恒温(20±l℃)下放置16—24h, 再测定其尺寸, 精确到±0．02mm。
一般说来, 收缩率太大的制品易发生翘曲、 开裂。实际生产中降低收缩率的有效措施有: 预热、 严格遵守工艺规程和采用不溢式的模具。
(2)流动性 塑料在受热和受压下充满整个模具型腔的能力称为流动性。它与塑料在粘流态下的粘度有密切关系。关于塑料流动性的测定方法, 当前大致有三种: ①测流程法: 在特定的模具中, 于固定温度、 压力及施压速率下, 测定塑料在模具中的流动距离; ②测流动时间法: 从开始对模具加压至模具完全关闭所需的时间。流动性即以此时间表示; ③流程时间测量法: 将上两法结合起来, 即用流动速度来表示流动性。
三种方法中以①法最简单, 故使用较多。在具体应用时, 各国采用的模具并不完全相同, 所定的标准也不一样。中国一般采用拉西格法。
拉西格法系将定量的塑料, 在一定的温度与压力下, 用图3—12(1)所示的模具在规定的时间内压成如图3—12(2)所示的成型物。然后以成型物”细柱”长度(仅算其光滑部分)的毫米数来表示塑料的流动性。按流动性的大小, 一般将热固性塑料分为三级: 一级35—80mm; 2级8l—130mm; 3级13l—180mm。

　图3—12测定流动性用的模具和压成的成型物示意图      l—光滑部分 2—毛糙部分
影响流动性的因素很多, 大致可归纳为两类: ①塑料自身因素, 如: 树脂与填料的性质和含量、 颗粒的形状与大小、 含水量、 增塑剂及润滑剂的含量等。一般树脂相对分子质量越小, 填料颗粒细小而又呈球状的, 增塑剂、 润滑剂、 含水量增高时, 流动性增大。②模具与成型条件, 如: 模具型腔表面的光洁程度和流道的形状、 模具的使用情况、 模具的加热情况、 塑料的预热方法与条件及成型工艺条件等。型腔表面光滑又呈流线型的, 常能提高塑料的流动性; 塑料在新制模具中的流动性不如在使用较久的模具中的大; 原用某种塑料压制的模具, 在改用另一种塑料的初期, 常会出现流动不正常; 对塑料进行预热和在压制中采用均匀而又快速的加热均对流动性的提高有利。
制造不同制品对流动性的要求也不同, 如压制大型或形状较复杂的制品时, 需要塑料有较大的流动性。如果塑料的流动性太大, 常会使塑料在型腔内填塞不紧或树脂与填料分头聚集(树脂流动性比填料大), 从而使制品质量下降, 甚至成为废品。流动性太大时, 还会使塑料溢出模外, 造成上下模面发生不必要的粘合或使导合部件发生阻塞, 给脱模和整理工作造成困难, 同时还会影响制品尺寸的精确度。流动性过小时, 则不能压制大型或形状复杂的制品, 同时还使设备生产能力降低, 易于产生废品。因此每一种制品对所用塑料的流动性常有一定的要求。
    实际生产中, 为了保证大量塑料具有相同的流动性, 常采用并批的方法(即将多批塑料在大型混合设备中进行混合)。
    (3)水分与挥发分 塑料中一般或多或少含有水分与挥发分。水分是大气中渗入的水汽或在制造塑料时没有排完的游离水分。挥发分是指塑料受热受压时所放出的低分子物, 如氨、 甲醛与结合水等。
    引起水分与挥发分多的原因有: ①树脂相对分子质量偏低; ②塑料在生产时未得到充分干燥; ③存放不当, 特别是吸水量大的塑料。
    塑料中水分与挥发分过多时, 会使其流动性过大(水分有增塑作用); 成型周期增长制品收缩率增大, 多孔以及易于出现翘曲、 表面带有波纹和闷光等现象。不但如此, 更重要的是降低了制品的电性能和力学性能。绝对干燥的塑料也是不适用的, 因其流动性较低, 从而使预压和压制发生困难。因此各种塑料的水分和挥发分均有一定的技术指标。
    生产中常常是测定水分和挥发分的总量。测定方法一般是取称准的试样(约5g), 在100—105℃的烘箱内烘30min; 烘后的重量损失率即为水分与挥发分的含量。
    (4)细度与均匀度 细度是指塑料颗粒直径的毫米数, 均匀度是指颗粒间直径大小的差数。细度与塑料的比容积有关。颗粒越细, 比容积就越大。颗粒小的塑料能提高制品的外观质量。在个别情况下, 还能提高制品的介电和物理力学性能。颗粒太小的塑料并不是很好的, 因为它在压制中所包入的空气不容易排出, 这不但会延长成型周期(空气的导热系数比塑料更小), 甚至还会引起制品在脱模时起泡。
    均匀度好的塑料, 其比容积较一致, 因此在预压或成型中能够采用容量法计量, 在压制时受热也比较均匀, 使制品质量有所提高, 前后制品的性能也比较一致。均匀度差的, 在运转、 预压或自动压机中受机械的振动, 常会使颗粒小的聚集在容器或料斗的底部, 这样在生产制品时就会出现制品性能的前后不一致。
    细度和均匀度一般是用过筛分析来衡量的。根据技术要求的不同, 各种塑料常订有一定的指标。
    (5)压缩率 压缩率是由下式定义的

塑料的压缩率总是大于1。压缩率越大, 所需模具的装料室也越大, 这不但耗费模具钢材, 而且不利于压制时的加热。另外, 压缩率越大, 装料时带入模具中的空气就越多, 如需排出空气, 便会使成型周期增长。工业上降低压缩率的通用方法是预压。
(6)硬化速率 硬化速率是指用塑料压制标准试样(一般用直径为100mm; 厚为5±0.2mm的圆片)时使制品物理力学性能达到最佳值的速率, 一般都用”秒／毫米厚度”来表示, 此值越小时, 硬化速率就越大。
    硬化速率依赖于塑料的交联反应性质, 并在很大程度上决定于成型时的具体情况。采用预压、 预热及提高成型温度和压力时均会使硬化速率增加。
    硬化速率应有一适当值, 过小时会使成型周期增长, 过大时又不宜用作压制大型或复杂的制品, 因为在塑料尚未充满模具时即有硬化的可能。
2．热塑性塑料的工艺性能
    热塑性塑料的工艺性能除硬化速率(热塑性塑料在成型时的硬化是物理的冷却过程, 与模具的冷却速率有关)外, 其它项目都与热固性塑料相同, 在此仅补充两点。
    (1)收缩率 与热塑性塑料收缩最密切的是塑料体积与温度和压力的关系。前者表现为热收缩, 后者则为弹性恢复。
       收缩在时间上具有滞后性, 其原因是: 无定形聚合物在局部结构上具有一定数量类似晶体般的排列, 但这种结构都不大。围绕这些有序区域的分子则是一种混乱的排列, 其中带有许多空孔, 在较高的温度下, 无序的程度会有所增加, 也就是带有空孔区域的比率得到增长。由温度变化所引起的空孔消涨是需要经历一段时间的, 因此收缩具有时间滞后性。
    具有结晶行为的聚合物, 其中晶区的比容积较非晶区的要小。因此在考虑体积温度关系时还存在着结晶度的问题。聚合物的结晶度是依赖于聚合历程和结晶时的温度变化, 压力、 时间等因素, 因此, 结晶聚合物的收缩比无定形聚合物更为复杂, 在收缩率上要大得多。必须指出, 结晶聚合物的收缩同样也存有时间效应。
    基于同样的理由, 聚合物体积与压力的关系也牵涉到时间效应的问题。值得注意的是, 一般固体与液体的体积随压力的变化, 都是比较小的, 甚至能够略而不计。但对聚合物来说, 体积随压力的变化, 在成型过程中常常是不可忽视的。如果不考虑变化速率的问题, 则在定温下, 多数聚合物的体积与压力粗略地呈直线形的反比关系。假如再将温度包括进去, 则三者的关系能够相当合理地用改良的范德华方程式来表示, 即

式P为压力; V为聚合物的比容积, M为”作用(链节)单元”的相对分子质量; π与b均为常数, 须由实验确定; R为气体常数, T为绝对温度。
　　如果允许时间上的等待, 热塑性塑料的收缩率应该是一个定值, 且可经过实验来计算, 可是, 在实际的成型作业中, 收缩率却与计算值有些出入, 因此计算值只具有指导意义。其原因是: ①制品在成型过程中冷却时, 各部分的冷却速率和冷却的最终压力不完全相同, 因而各部分的收缩不会相等; ②冷却时由于制品厚的部分比薄的部分冷得慢些, 这样, 塑料在模具内的冷却过程中, 两部分的密度就会出现差别, 从而形成压力梯度, 以致厚的部分的一些塑料会向薄的部分流动。这种内部流动对收缩的不均是很重要的; ③制品在成型和使用过程中所发生的塑性形变、 定向、 结晶和吸湿等对体积变化的影响。
　　(2)流动性 热塑性塑料的流动性就是它在熔融状态下的粘度的倒数。与粘度一样, 流动性不但依赖于成型条件(温度、 压力、 剪切速率), 而且还依赖于塑料中聚合物和助剂的性质。
　　热塑性塑料的流动性, 除可用通用流变仪测定其粘度外, 工业中常经过熔体流动速率的测定来反映某些热塑性塑料的流动性能。它是在规定的试验条件下, 一定时间内挤出的热塑性物料的量。其仪器称为熔体流动速率测定仪。聚合物的熔体流动速率(MFR)越大, 说明流动性越好。
流动性是比较塑料加工难易的一项指标。工业上也有用阿基米德螺旋线模测定流变性的, 其模腔为螺旋形, 流道断面为圆形。测定时在同样工艺条件下, 比较不同塑料注塑充模后所得螺旋形试样的长度来说明其流动性的好坏。如果没有测定仪器而要在相同条件下比较不同塑料的流动性, 则可用型腔流道较长的模具(如梳子模具)在注射机上, 于规定条件下进行注射即可。