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PPS注塑加工工艺及应用
聚苯硫醚英文名称Poly phenylene sulfide, 简称PPS, 是一种新型的工程塑料, 在美国于1973年才开始工业化生产。近年发展得很快, 已成为继尼龙( PA) 、 聚碳酸酯( PC) 、 聚甲醛( POM) 、 热塑性聚酯( PET和PBT) 及聚苯醚( PPO) 之后的第六大工程塑料和第一大特种工程塑料。

产品分为两类: 一类是支链型热塑性聚合物, 粘度较高。另一类是热固性聚合物, 固化前具有线性分子结构, 固化后加热充分也软化到一定程度。下面主要介绍热塑性PPS。

PPS是分子主链上具有苯硫基的高聚物, 由于其结构为苯环与硫交替连接, 分子链具有很大的刚性及规整性, 因而PPS为结晶性聚合物, 具有很多优异性能, 如耐热性、 刚性、 阻燃性及电绝缘性。硫原子上的孤对电子使得PPS与玻璃纤维、 无机填料及金属具有良好的亲和性, 易于制成各种增强复合物及合金材料。

一、 PPS的性能
1、 物理力学性能  
PPS是一种白色、 结晶度高的聚合物, 密度为1.34。其力学性能优良、 拉伸强度和弯曲强度优于PA、 PC、 PBT等, 具有极高的刚性和抗蠕变性, 但其脆性较大, 缺口冲击强度较低, 低于PA、 PC、 PBT高于POM。加入玻璃纤维增强后其力学性能更优。PPS属惰性物质, 无毒。

2、 热性能
由于PPS为结晶性聚合物, 最高结晶度可达65%, 其结晶温度为127℃, 熔点为286℃, 热变形温度260℃, 在空气中430-460℃以上才分解, 热稳定性远超出PA、 PBT、 POM等工程塑料, 长期使用温度在热塑性塑料最高, 可达220-240℃。PPS还是具有良好的绝热性和阻燃性, 其临界氧指数与PVC相当, 可达47%, 无需加入阻燃剂, PPS可达到UL94-V0级水平。

3、 电性能
PPS的分子结构对称, 无极性, 吸水性低, 故其电绝缘性十分优良, 与其它工程塑料相比, 其介电常数小, 耐电弧性相当于热固性塑料, 在高温、 高湿、 变频等条件下, PPS还能保持优良的电绝缘性。加入导电填料, 可制得导电性PPS复合材料, 用于防静电及电磁屏蔽。

4、 耐化学性
由于PPS具有较高的结晶度, 故其具有优良的耐化学药品性, 在200℃以下不溶于任何有机溶剂, 除强氧化性酸外, 可经受各类酸、 碱、 盐的侵蚀, 在高温下经各种化学药品长期浸泡后, 还保持较高的强度, 仅次于聚四氟乙烯。PPS还具有良好的耐候性和耐射性。

5、 加工性能
1) 吸水性  
PPS的吸水性较低, 只有0.02%。
2) 流动性  
PPS的流动性较好, 可加工薄壁制品, 其流动性根据PPS的品种、 规格而不同, 线性PPS比支化交联PPS的流动性高, 随温度升高, 物料的流动性增加, 但温度过高或物料在机筒内停留时间过长, 物料会发生部分交联, 导致流动降低。
3) 结晶性  
PPS为结晶性聚合物, 其结晶度随成型时的冷却温度及速率而变, 冷却速度越快, 其结晶度越低。而结晶度大小又对其强度、 耐热性、 耐候性、 尺寸稳定性都有较大影响。随结晶度增加, 制品的热变温度提高, 刚性、 表面光洁度、 表面硬收缩率等增加, 尺寸稳定性也增加。
4) 热稳定性
PPS 在高温下时间长会发生部分氧化交联反应, 导致物料的流动性降低, 色泽变深, 影响制品的质量和性能。另外, PPS对金属有较强的粘附性, 要防止物料在机筒内固化。  
5) 收缩性  
对于结晶性塑料, 在成型加工时, 结晶度随模具温度增加而增大, 而结晶度增大, 收缩率也增加, 故收缩率随模具温度而增大。一般PPS的收缩率都较小, 但与流动方向垂直的收缩率大于流动方向的2-4倍。产品厚度、 形状、 注射速度也会对收缩率须影响。
6) 二次加工
PPS制品能够切削、 攻丝等机械加工和超声波焊接、 粘合剂接等加工。  

二、 成型设备与模具
1、 注塑机的选用

1) 锁模力  
PPS的流动性与ABS、 POM相近, 在计算锁模力时, 要考虑流动性这个因素, 选择材料流动特性系 K值, 可按第四组与ABS、 POM等到相同。

2) 注射量  
根据产品的重量来选择合适的注射量, 不宜选用注射量超出过多的注塑机, 以免胶料在机筒内停留时间过长而发生氧化交联反应甚至固化, 导致产品变色, 影响产品的性能和质量。  

3) 螺杆、 机筒  
根据PPS的特征, PPS没有腐蚀性, 因此, 对于一般的PPS料, 能够采用普通螺杆, 但由于加工温度高且有结晶体熔化吸热, 因此机筒加热器的功率须足够。在多数情况下, PPS都加入玻璃纤维以增强其各种性能, 这些材料对机筒和螺杆的磨损很大, 必须采用耐磨的机筒螺杆, 台镀硬铬螺杆或双金属螺杆、 机筒。
4) 射嘴  
采用开放式射嘴, 内径φ3-6mm, 射嘴的加热器最好是能单独控制, 这样可使成型加工更方便。若有些制品要求防止流涎, 能够使用自锁射嘴, 但清理比较困难。

2、 产品造型与模具设计
1) 产品造型  
PPS属结晶性聚合物, 产品的转角及壁厚变化的部位会引起应力集中, 导致应力开裂、 尺寸变化、 强度下降等问题出现, 产品设计时产品的转角应为圆弧过渡, 并尽量避免厚薄不均, 一般情况下制品的厚度不要超出7-10mm。
合理的加强筋设计能够增加制品的刚性, 防止制品翘曲、 消除残余应力、 提高流动性, 增加筋条的数目比增加筋条的高度与厚度效果更好, 一般筋条的选取为制品厚度的一半并圆角过渡, 筋条的脱模斜度为2-3°。
2) 模具材料  
PPS的加工温度较高, 胶料温度为290-330℃, 模具温度为130-180℃, 同时PPS在大多数情况下以玻璃纤维增强, 内含较大量的玻璃纤维, 磨损问题必须考虑, 故模具材料应以140-150℃为基准, 选用合适的合金材料, 如SK、 SKD、 SKH等, 硬度为HRC60-65, 表面电镀。

3) 流道  
流道形状以圆形、 梯形为宜, 流道锥度为2-3°, 在流道末端设置冷料井。

4) 浇口      
浇口能够采用针型、 圆盘型、 扇型、 轮辐型、 侧入型等, 不宜采用潜伏型浇口, 因为PPS制品硬度大, 收缩率小。浇口应设置在制品截面最厚的部位, 浇口直径不小于0.6mm, 对于增强PPS, 因结晶取向引起强度和收缩率的方向各异, 故在设计浇口形状及位置时, 必须考虑胶料流动方向引起的尺寸变化和强度变化, 以及因熔合纹引起的强度下降, 垂直使熔合纹出现在没有负荷或负荷较小和不明显的部位。

5) 脱模  
为了保证制品的表面光洁平整度及易于脱模, 模具的型腔、 流道等部位应有较高的光洁度和脱模斜度, 脱模斜度一般为1-3°。脱模顶针的直径、 数量、 位置的设计也很重要, 根据制品的形状而定, 使顶出力均衡和顶出平稳, 否则, 会使制品产生局部残余应力, 从而引起制品裂纹和尺寸精度不一等问题。

6) 排气  
PPS制品内有气泡会使其性能明显下降, 由于排气不良而引起原烧焦、 变色和表面粗糙, 影响制品的外观和质量, 模具必须合理地开设排气槽或排气孔, 也能够利用分型面和脱模顶针间隙来排气。

7) 模具的温控  
由于PPS的成型加工、 要求模具温度在130-180℃, 这样的温度一般需要加热, 而模具温度的精确性和均匀性影响到产品的性能和尺寸精度; 根据模具的大小、 制品形状、 生产量及温控设备等因素, 可选择电热式和油循环加热式温控, 电热式温控方便、 经济、 温升快, 但温度均匀性和精确度较差, 模温机油循环加热式温控的温度均匀性和精确度较高, 对性能和尺寸精度要求较高的产品能够选用这种方式。为了保证模具温度的均匀性和防止散热, 能够在模具的侧面和模具与注塑机模板之间加装石棉板隔热。

三、 成型工艺

1、 原材料干燥  
因为PPS吸水性小, 因此加工前能够不干燥。但如果原料开放式放在温度高、 湿度大的环境下时间较长, 则需干燥, 干燥温度为150-160℃, 时间2-3H。  

2、 成型温度  
PPS的成型温度较高, 机筒温度在280-360℃之间, 在保证顺利充模和制品质量的前提下, 机筒温度尽量不要太高, 以免引起胶料在机筒内氧化交联甚至固化。射嘴温度要单独控制, 以保持胶料良好的流动性而又不堵塞、 不流涎为宜。

3、 注射压力  
注射压力在50-200MPa之间, 为了保证制品的力学性能和尺寸精度, 使用较高的注射力为佳, 特别是形状复杂、 薄壁件更应如此。  

4、 注射速度  
注射速度快, 制品的表面光洁度高、 强度也较高, 但过高的注射速度会使产品翘曲、 烧焦等现象, 一般采用中等注射速度。

5、 螺杆转速  
螺杆转速能够在50-200rpm之间, 高速成型能够采用较高的转速, 这时胶料因剪切速率大而温升大, 必须将机筒温度调低。

6、 保压压力  
为了防止内应力的产生, 保存压压力应尽量低, 满足补缩便可, 以制品不出现凹陷为准。  

7、 背压  
一定的背压有利于胶料的排气和混合, 以便得到质量较稳定的制品, 一般背压在0.5-1.5MPa之间, 对于干燥不好的材料, 背压能够大些。

8、 模具温度  
PPS是结晶性聚合物, 模具温度直接影响制品的结晶度, 从而得到不同的性能和尺寸精度, 模具温度不同引起结晶的差异很大, 如94℃时结晶为8%, 而150℃时则为48%。模具模具高, 得到制品的结晶度也高, 其力学性能较好, 但有收缩大、 凹陷、 翘曲、 耐冲击强度差等问题, 模具温度低, 制品的结晶度低, 收缩小、 尺寸再现性好( 制品尺寸与模具尺寸的复制程度) 、 耐冲击强度增大、 超声波焊接性提高, 但力学性能较差。因此, 要根据产品的要求来确定成型模具温度。

9、 成型周期  
由于PPS 为结晶性聚合物, 为了得到良好的力学性能, 需采取较高的模具温度, 较长的冷却时间, 以提高结晶度, 对于厚壁制品, 注射时间、 保压时间、 冷却时间都应长于薄壁制品。为了防止冷却收缩和内应力的产生, 对复杂件, 薄壁产品, 也需要适当延长保压时间。

10、 制品后处理  
为了提高制品的性能, 消除内应力以及保持制品的性能和尺寸稳定性, 能够将制品放入烘箱内进行退火处理, 条件一般为200-240℃, 2—4H, 具体根据制品的厚度和用途而定, 厚制品时间长些, 退火处理使制品再结晶从而结晶度提高, 其性能也随之而提高, 但也导致再收缩而使制品的尺寸变化, 模具设计时要考虑这因素。

11、 再生料的使用  
再生料能够与新料混合一起使用, 其比例视制品的性能要求而定, 再生料的比例大, 制品的性能会下降, 一般不要超过30%, 以免造成产品的性能和质量明显下降。  

12、 停机处理  
由于PPS对金属有较强的粘附性, 故加工完成后, 在停机之前必须把机筒内、 螺杆上粘附的PPS料清洗出来, 否则胶料冷却后会牢固地粘在螺杆上, 影响下次或其它材料的生产, 一般能够采用高密度聚乙烯( HDPE) 来清洗; 为了缩短时间, 也能够先用玻璃纤维示强PC料, 再用HDPE料进行清洗, 这样清洗效果较好但费用较高。生产过程中需要中断成型一段时间, 必须将机筒内的胶料全部排出, 并将机筒温度降低至270℃以下, 因为熔料在高温的条件下长时间受热会分解, 并放出毒气体, 因此生产场所必须注意通风。

四、 常见缺陷与解决方法

1、 填充不足
原因:   
1) 注射压力不足; 2) 注射速度慢; 3) 熔料温度低; 4) 排气不良; 5) 浇口过小;  6) 过胶圈磨损。
解决方法:    
1) 提高注射压力 ; 2) 提高注射速度;  3) 提高机筒温度 ;  4) 在未填满的部位加排气孔 ;  5) 扩大浇口尺寸或缩短浇口流道的距离 ; 6) 检查过胶圈的磨损程度, 更换。

2、 表面无光泽
原因:
1) 制品密度不足; 2) 填充速度慢; 3) 模具温度低; 4) 排气不良。
解决方法:
1) 增加熔胶量, 提高注射压力; 2) 提高机筒温度, 提高注射速度;  3) 提高模具温度;  4) 充分排气。

3、 翘曲
原因:   
1) 制品冷却不均匀;  2) 制品壁厚不均匀;  3) 填充过度;  4) 注射速度过快。
解决方法:   
1) 调整模具的温度控制, 使其冷却均匀; 2) 产品的设计尽量使其壁厚均匀;  3) 降低注射压力和保压压力 ; 4) 降低注射速度。

4、 收缩、 凹陷
原因:   
1) 制品密度不足 ; 2) 熔料含有气体;  3) 制品壁厚过厚 ; 4) 热收缩大。
解决方法:   
1) 增加熔胶量, 提高注射压力, 延长注射时间;  2) 充分干燥材料; 3) 制品厚度不要超过7-10mm;  4) 降低机筒温度及模具温度。

5、 内部裂纹
原因:   
1) 制品冷却过快 2) 残余应力
解决方法:   
1) 提高模具温度, 制品取出后浸入热水或放入烘箱中缓慢冷却 ; 2) 降低注射速度, 提高模具温度。

6、 烧焦
原因:
1) 排气不良;  2) 熔料温度过高。
解决方法:
1) 增加排气孔; 2) 降低机筒温度、 注射速度;  3) 加大浇口 。

7、 脱模困难、 顶出破裂
原因:
1) 模具的脱模锥度不足, 表面光洁度不足; 2) 脱模顶针的位置不当或直径过小
解决方法:
1) 加大脱模锥度, 模具表面抛光; 2) 增加顶针数量或加大顶针直径; 3) 延长冷却时间, 降低机筒温度、 模具温度

五、 应用
1、 电子电器及家电  
利用其耐高温、 电绝缘性, 用于接插件、 变压器、 继电器、 电饭煲、 微波炉、 风筒等零配件。  
2、 机械及精密零件  
利用其良好的加工性和耐高温、 耐腐蚀等特征, 用于照相机、 转速表、 手表、 复印机、 电脑等零配件。  
3、 汽车  

利用其耐高温、 耐油、 耐腐蚀、 强度高等特性, 用于发动机盖、 排气装置、 散热装置、 配油器等零配件。  
4、 石油化工  
利用其耐热、 耐腐蚀的特性, 用于泵、 管、 阀、 容器等。

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