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工艺条件对注塑件性能的影响 |
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作者：Achim Frick、Arif Rochman和Claudia Stern 来源：PT现代塑料 |
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注塑工艺不仅决定着成型件的形状，而且还有它的材料特性。图1显示出在参考生产条件下于被研究样品中心所产生的球晶尺寸及分配。在正被讨论的情况中，球晶直径约为18mm。
对形态重要性的认识不足
是塑件的整体形态结构决定着每种情况下的终端使用性能。这意味着不只是塑件的外在性能以工艺为条件，内在性能也是如此。这也意味着对成型化合物进行热机械的处理，如加工过程中的压力、温度和剪切率所定义的，都决定着所生产出来的塑件的材料结构（形态）。产品外在和内在性能确定了产品的最终性能。所以塑料的形态控制着塑件的皱缩及其形状，同时也确定了材料的使用性能。塑件性能对于某一种塑件形状不一定就是最佳的性能，如高机械强度、理想的硬度、良好耐磨性。反过来，理想的形态将不可避免地产生出一个稳定的塑件形状，但也是一个不可能再改变的一种形状。
一旦建立起工艺和最终品质之间的相互关系，一个事实就变得清楚了：只能通过对注塑进行一定优化形式的工艺控制，才能获得优质的塑件，这种控制以形态为重点，也包括了对状态变量的记录和控制。所以稳定的工艺控制需要工艺适应于被加工的塑料。它以热力学因素为基础，对于半结晶热塑性塑料，还必须考虑到结晶动力学。然而，在塑料加工业内还没有对此的普遍认识，尚待向人们灌输这种思想。
对加工POM的研究
以易流动的共聚甲醛（POM）为例子，人们就注塑过程中工艺条件对所制塑件最终性能之影响进行了研究和探讨。
为做这个研究，按照DIN/ISO 527标准，在双腔模具中以不同的注射速度和压力做出5A型的拉伸样板（截面积4×1mm2）。模腔通过位于塑件侧翼的侧面上的销式浇口被填充。模具在近浇口处装备有压力感应器，能在拉伸样板的中央肩部位置测量出压力变化。在所有测试中，塑件生产的模温被设定在95℃，因为这是原材料制造商为高品质塑件所推荐的温度。在一台锁模力为220kN的注塑机上加工成型化合物。螺杆直径是18mm，机器上注嘴温度为210℃。
图1：样品中心球晶结构的显微图
研究结果一方面揭示出塑件内在与外在性能之间的清晰关系，另一方面也揭示出与所选工艺条件的关系。尽管所生产出的塑件有着几乎一致的机械强度，但不同样板材料结构的变形能力有着明显的区别。这从断裂时不同拉伸应变看得很清楚，特别是每种情况获得的不同拉伸冲击强度。注射速度数值被标准化为20cm3/s,拉伸冲击强度可以降低55%，而测量出的重量和皱缩之变化只有2.5%或15%。
以材料为中心的品质管理的必要性
通过动态热差法（DSC）对不同样板进行的补充性研究只突出了开始时形态上的细微区别。换句话说，综合地来看，所研究样板拥有均匀的结晶。这个结果也在冷却（结晶热量）中和在二次加热阶段（均匀前期过程之后的熔融热）可观察到。
从动态差分热量测定的结晶过程，可明显看到，当聚合物加工过程中的注射速度逐级上升时，较低温度下的结晶热由-74J/g增加到-97J/g。这暗示所用POM材料会因为加工的原因而出现变化。材料分子量和分子量分布的变化提升了不相近固化性能（整体结晶或多或少是一致的），所以促进了不同结构（形态）的形成，这由峰值高度与峰值宽度的比值得到证明，其由2.7降到了1.6。
在这种情况中，只靠DSC（首步加热）来观察不同样品的整体结晶，会导致对品质的不正确评估，因为在这里没有差别是显而易见的。只有当结构是在一个不直接的基础之上被评估时，这才会突出存在的区别。
在极化发射光下对不同样品的薄断面（约10mm）进行显微观察，显示出受不同工艺条件控制所做出塑件的结构非常不一样。当注射速度提高时，能观察得到的非球状外层的厚度由102mm急剧下降到30mm，同时余下结构也经历着变化（图2）。所以，高注射速度下制出的塑件硬度急剧下降也要归结为材料方面的不理想形态变化。图2右边所示的结构与所研究塑件的极脆性变形性能有关系，拉伸冲击测试的冲击强度比具有图2中左边所示结构相同塑件的冲击强度要低上100%。
图2：加工对形态结构的作用
加工对流变性能的影响
在不同注射速度下加工易于流动的POM，明显对材料的流变性能起着深远的影响。聚合物剪切程度的增大引起微分子逐步的链分解，这又伴随着熔体的流动性（在模具内的压力传送）发生变化，进而结晶动力学发生变化。已经测量和讨论过的DSC曲线表示进行着的这些过程。流变性调查也确定着这种表现。所用流变计是UDS200型号。取100mg的样本，流变计承受210℃温度下、0.1-100s-1 范围内的对数递增剪切速率，间隔宽度为0.1mm。
这些结果证明了当注射速度提高时，加工中的聚合物的分解加剧。聚合物的平均分子量根据加工条件而进行变化，这是从注射速度升高时零粘度下降可清楚看到的事情。
结论
所报道的研究表明，不同的注射速度对共聚甲醛（POM）材料注塑件的最终质量有着显着的影响。塑件的流变性能随剪切而变化，对加工中的POM熔体起着作用。这种变化要归因于摩尔质量的下降，以及分子量分配的调整，这是被实验数据所证明的。随着塑件形成过程当中熔体冷却下来时，POM熔体的流变性能与实际熔体温度和熔体压力一起确定着晶化动力学。这意味着完全不一样的结构和高度变化的使用性能能够随着加工条件而变化。
对于易流动的共聚甲醛，脆变是明显的，它会降低薄壁塑件的冲击强度达50%。这个研究结果是与在实际中观察到的是基本上一致的。所探讨的现象对于流动性一般的聚甲醛是较少出现的。
所以如不考虑形态，是没可能对塑件品质作出一个明确说明的。所以具有最新技术的塑料生产工艺需要一定形式的品质管理，它首先监控塑件内在性能的质量（例如监控模腔压力曲线），所以也就确保了所得产品在整体上是高品质的，假定内在性能也以外在性能为条件。
所以，已经得出的研究结果表明，为了实现预防性的品质管理，应用以材料为中心的工艺监控和随后的工艺控制在未来是可取的和确实有必要的。只有以这种方式，才有可能大大避免由加工作业引起的使用性能不充分所带来的对塑件的潜在伤害。
需要作进一步的研究，来为理想结构作出定义，将确保为极薄壁或极小型塑件的生产，实现塑件的最终稳定性能。(end)
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(6/13/2005) |
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