注塑成型理論

1、注塑成型理論序言: 為了在實(shí)際生產(chǎn)中能夠做到理論指導(dǎo)實(shí)踐,使更多注塑一線(xiàn)技術(shù)人員比較準(zhǔn)確地分析故障產(chǎn)生的原因以及對(duì)注塑成型有更深刻的理解,特以此篇文章拋磚引玉，望現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員，車(chē)間主任能夠受此啟發(fā)，更好地為本公司的發(fā)展服務(wù)。首先,說(shuō)說(shuō)什么是塑料.塑料(plastics)是一種簡(jiǎn)單的單體(monomers)經(jīng)由化學(xué)聚合反應(yīng)(polymerization)而成的長(zhǎng)鏈狀高分子聚合物(polymers)。根據(jù)美國(guó)塑料工業(yè)協(xié)會(huì)對(duì)于塑料的定義：將全部或部分由碳、氧、氫和氮及其它有機(jī)或無(wú)機(jī)元素使用加熱、加壓、或兩者并用的方式聚合而成，在制造中的階段是液體，在制造的最后階段成為固體，此龐大而變化多端的材料族群

2、稱(chēng)為塑料。高分子聚合物加工成為塑件的制程主要包括熱塑性塑料之熔化與凝固的物理相態(tài)變化或熱固性塑料之固化的化學(xué)反應(yīng)兩種。簡(jiǎn)單的高分子材料呈鏈狀結(jié)構(gòu)，其中最重要者首推乙烯基高分子(vinyl polymer)，結(jié)構(gòu)如下：其中，當(dāng) R = H，為聚乙烯；當(dāng) R = CH3，為聚丙烯；當(dāng) R = C6H5，為聚苯乙烯；當(dāng) R = Cl，則成為聚氯乙烯。高分子材料依照分子量和分子結(jié)構(gòu)的差異，也造成不同物性的塑料。例如甲烷(methane, CH4)為氣體，戊烷(pentane, C5H12)為液體，甲烷(polyethylene, C100H102)為固體。高分子材料的分子量通常為10,000 1,00

3、0,000，分子量愈大，愈增加成形的困難度，200,000為合理的成形上限。高分子聚合物的分子鏈可以視為一重復(fù)單體長(zhǎng)鏈，加上主要分子鏈旁枝的化學(xué)基，雖然“塑料”可以泛指聚合物或樹(shù)脂，塑料一般是指添加了塑化劑、安定劑、填充料或是其它改善性能及成形性之聚合物系統(tǒng)，還包括橡膠、纖維、黏著劑與表面涂料。塑料加工成塑件的制程眾多.聚合物分子鏈的結(jié)構(gòu)、規(guī)模大小、化學(xué)成分都直接影響聚合物的化學(xué)性質(zhì)與物理性質(zhì)。塑料高分子還受到機(jī)械加工制程與熱歷程影響。例如，聚合物熔膠的黏滯性（亦即流動(dòng)阻力）隨著分子量增加而增加，隨著溫度上升而降低。玻璃轉(zhuǎn)移溫度、機(jī)械性質(zhì)、耐熱性、耐沖擊性亦階隨著分子量增加而提高。此外，作用于

4、材料的高剪應(yīng)力所造成的整齊分子鏈配向性也會(huì)降低聚合物熔膠的黏滯性。就分子量分布而言，短分子鏈影響拉伸及沖擊強(qiáng)度，中分子鏈影響?zhàn)约凹羟辛鲃?dòng)性質(zhì)，長(zhǎng)分子鏈影響熔膠之彈性。塑料通常具有下列特性： 低強(qiáng)度與低韌性（玻纖強(qiáng)化塑料則可以達(dá)到高強(qiáng)度與高韌性） 原料豐富，價(jià)格低廉。 有最高使用溫度限制。 色彩鮮明，著色容易。 受外力作用時(shí)會(huì)產(chǎn)生連續(xù)變形(潛變現(xiàn)象)。 易加工程復(fù)雜形狀。(i.e. 容易成形，可以量產(chǎn)。) 低密度。(i.e.重量輕，塑料比重0.92，鋁2.7，鐵7.8) 耐腐蝕性佳。 良好的絕緣性和隔熱性。 可以具有其它特殊性質(zhì)，例如透明性、可彎曲性等。塑料材料與金屬材料比較，金屬材料通常包

5、括下列特性；高密度、寬廣的使用范圍、高熱傳導(dǎo)性、高導(dǎo)電性、剛性(rigidity)、高強(qiáng)度(strength)、不透明、易生銹、精密加工費(fèi)用高昂。相對(duì)地，塑料材料則具有良好的機(jī)械阻尼、良好的熱膨脹性、加工周期短而且可以減少穿孔等二次加工的成本、密度低、增加產(chǎn)品設(shè)計(jì)的空間與選擇、料頭可以回收以節(jié)省成本、可以提高產(chǎn)品壽命、亦可能獲得很高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。鋼的模數(shù)為210 GPa。一般而言，塑料的模數(shù)比金屬小數(shù)十倍到數(shù)百倍。模數(shù)的定義E = 應(yīng)力0應(yīng)變0，單位是Pa(= N/m2)。塑料材料與金屬、陶瓷材料之特性比較如表3-1。表3-1 塑料材料與金屬、陶瓷材料之特性比較特性?xún)?yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)低熔點(diǎn)容易加工成形使用

6、溫度范圍窄高拉伸率Low brittleness高潛變強(qiáng)度和低降伏強(qiáng)度低密度成品輕結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低低熱傳導(dǎo)性隔熱性佳散熱性差低導(dǎo)電性?xún)?yōu)良的絕緣體不導(dǎo)電著色容易不必在成品著色顏色比對(duì)不易溶劑之敏感性可應(yīng)用為溶液(solution)可能被溶劑(solvent)影響可燃性廢料可以燃燒可能產(chǎn)生煙害(fumes or fire hazards)透光性可以產(chǎn)生透明塑件因陽(yáng)光照射而劣化將數(shù)種聚合物混合，或是將聚合物與其它材料、補(bǔ)強(qiáng)劑復(fù)合，可以改變其物理性質(zhì)、機(jī)械性質(zhì)和材料之成本。這些混合制程造就了下列聚合物系統(tǒng)：(1) 聚合物合金及混合物聚合物合金(polymer alloys)及聚合物混合物(polymer b

7、lends)是將兩種或更多種聚合物混合的系統(tǒng)。當(dāng)混合結(jié)果產(chǎn)生融合效應(yīng)(synergistic effect)而具有單一的玻璃轉(zhuǎn)移溫度，稱(chēng)為聚合物合金，其性質(zhì)比各別的聚合物更佳。當(dāng)混合結(jié)果具有多重的玻璃轉(zhuǎn)移溫度，稱(chēng)為聚合物混合物，其性質(zhì)是各別聚合物的平均。ABS是最早期的一種成功混合物，它結(jié)合了各個(gè)成分聚合物的耐化學(xué)性、韌性(toughness)以及剛性(rigidity)。(2) 聚合物復(fù)合材料聚合物復(fù)合材料(polymer composites)是將強(qiáng)化物質(zhì)添加到聚合物內(nèi)，以增加所需的性質(zhì)。單晶須晶、黏土、滑石、云母等低長(zhǎng)寬比（aspect ratio）之片狀填充料可以提高材料的勁度（sti

8、ffness）；然而，纖維、玻璃纖維、石墨、硼等高長(zhǎng)寬比的填充料可以同時(shí)提高拉伸強(qiáng)度和勁度。接下來(lái)說(shuō)說(shuō)塑料的分類(lèi)根據(jù)分子聯(lián)結(jié)的聚合反應(yīng)種類(lèi)，塑料可以區(qū)分為熱塑性塑料(thermoplastics)和熱固性塑料(thermosets)。表3-2列出熱塑性塑料與熱固性塑料相關(guān)的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)之整理。熱塑性塑料根據(jù)分子結(jié)構(gòu)或鏈的結(jié)構(gòu)可以再細(xì)分為不定形(amorphous)、半結(jié)晶(semi-crystalline)或液晶(liquid crystalline)聚合物。其它類(lèi)別的塑料包括彈性體(elastomers)、共聚合物(copolymers)、復(fù)合物(compounds)、商用塑料和工程塑料。添加

9、物填充料和補(bǔ)強(qiáng)劑是直接與塑料性質(zhì)和性能相關(guān)的其它分類(lèi)方法。表3-2熱塑性塑料與熱固性塑料的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)微結(jié)構(gòu)線(xiàn)性或分枝分子鏈，分子間無(wú)化學(xué)作用。化學(xué)反應(yīng)后，分子鏈產(chǎn)生交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。對(duì)熱的反應(yīng)可以再軟化（屬于物理相態(tài)變化）。無(wú)裂解時(shí)，交聯(lián)后無(wú)法再軟化。一般性質(zhì)較高的耐沖擊強(qiáng)度。加工較容易。對(duì)于復(fù)雜設(shè)計(jì)有較佳的適應(yīng)性。較好的機(jī)械強(qiáng)度。較好的尺寸穩(wěn)定性。較佳的耐熱性及濕氣絕緣性。由于熱塑性塑料應(yīng)用較為廣泛下面著重說(shuō)說(shuō)熱塑性塑料.一般而言，熱塑性塑料聚合度較高，分子量也較大。線(xiàn)狀或分枝狀的長(zhǎng)分子鏈有側(cè)鏈或官能基，而且不與其它聚合物分子相連接，結(jié)果，熱塑性塑料可以重復(fù)地加熱而軟化，冷卻而凝固。這種以物理反

10、應(yīng)之相變化為主的程序允許將塑料廢料回收。雖然熱塑性塑料可以回收，但在成形時(shí)仍可能有小程度的化學(xué)變化，回收塑料的性質(zhì)可能不會(huì)與原始塑料的性質(zhì)完全相同。 熱塑性塑料占所生產(chǎn)塑料的70%，熱塑性塑料以小球狀或顆粒狀販?zhǔn)郏鼈冊(cè)趬毫ο录訜崛刍绅こ頎盍黧w，冷卻時(shí)形成所需的成品形狀。與熱固性塑料比較，熱塑性塑料通常具有較高的耐沖擊強(qiáng)度，容易加工，對(duì)復(fù)雜設(shè)計(jì)有較好的適應(yīng)性。在熱塑性塑料中，商用塑料占了90%，例如高密度聚乙烯（HPPE）、低密度聚乙烯（LDPE）、聚苯乙烯（PS）、聚丙烯（PP）和聚氯乙烯（PVC）等。然而，工程塑料諸如縮醛(acetal)、ABS、耐隆、聚碳酸脂(PC)等提供了高機(jī)械強(qiáng)度

11、、較佳的耐熱性、較高的沖擊強(qiáng)度等改善性能，因此價(jià)格也比較昂貴。實(shí)用上，經(jīng)常會(huì)提及合金塑料和工程塑料等熱塑性塑料的術(shù)語(yǔ)。合金塑料指其構(gòu)造由不同的單體或聚合體之物理混合(而非聚合)。制造合金塑料的理由大都是要適應(yīng)某種要求之物理性質(zhì)、有利于價(jià)格及性能指數(shù)、改進(jìn)加工之可能性這三種因素，例如PC/ABS和ABS/PVA。而工程塑料是指在機(jī)械裝置中取代其它金屬材料用途之塑料，亦即使用為機(jī)械材料的塑料，屬于高性能的塑料，一般具有較大的溫度使用范圍(40300)、高強(qiáng)度與高剛性、耐沖擊性、低潛變性、耐磨損、優(yōu)良的耐化學(xué)藥品性及絕緣性。熱塑性塑料中又可以區(qū)分為不定形塑料和結(jié)晶性塑料，其結(jié)構(gòu)與性質(zhì)如表3-3。我廠

12、大量使用的大燈配光鏡材料PC,后燈配光鏡PMMA屬于不定形塑料,而大燈飾圈采用的PBT+PET屬于結(jié)晶型材料表3-3不定形塑料與結(jié)晶性塑料的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)之比較不定形塑料結(jié)晶性塑料常用的材料丙烯晴丁二烯苯乙烯共聚合物（ABS）、壓克力（例如PMMA、PAN）、聚碳酸脂(PC)、聚苯乙烯(PS)、聚氯乙烯(PVC)、苯乙烯丙烯系聚合物(SAN)。聚縮醛樹(shù)脂(POM)、耐隆(PA, 聚醯胺)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、熱塑性聚脂(例如PBT、PET)。微結(jié)構(gòu)分子在液相和固相都呈現(xiàn)雜亂的配向性。分子在液相呈現(xiàn)雜亂的配向性，在固相則形成緊密堆砌的晶體。熱之反應(yīng)具有軟化溫度范圍，但沒(méi)有明顯的熔點(diǎn)。具有

13、明確的熔點(diǎn)。性質(zhì)l 透明l 抗化學(xué)性差l 成形時(shí)體積收縮率低l 通常強(qiáng)度不高l 一般具有高熔膠黏度l 熱含量低l 半透明或不透明l 抗化學(xué)性佳l 成形時(shí)體積收縮率高l 強(qiáng)度高l 熔膠黏度低l 熱含量高不定形聚合物的特性: 在無(wú)應(yīng)力作用下加熱，不定形塑料熔膠之分子鏈雜亂地相互糾纏在一起，分子鏈僅以微弱的凡得瓦爾力維系。不定形塑料維持這種糾纏雜亂的配向性而無(wú)視于狀態(tài)的改變。不定形塑料具有明確的玻璃轉(zhuǎn)移溫度和寬廣的軟化溫度范圍，沒(méi)有明確的熔點(diǎn)。當(dāng)熔膠溫度降低，不定形塑料開(kāi)始呈現(xiàn)橡膠狀態(tài)，當(dāng)溫度繼續(xù)降低到玻璃轉(zhuǎn)移溫度以下，它將呈現(xiàn)玻璃狀態(tài)。不定形塑料的透明度高、耐熱性中等、耐沖擊性好、收縮量低。充填模

14、穴時(shí)，不定形塑料的分子鏈會(huì)沿著熔膠流動(dòng)方向拉伸，分子鏈與冷模壁接觸急冷而凍結(jié)；凝固層將塑件內(nèi)層與模壁隔離，使塑件內(nèi)層冷卻速率較慢，有足夠時(shí)間將分子鏈回復(fù)卷曲。也就是說(shuō)，表層的分子鏈有較好的配向性，較小的收縮量；內(nèi)層的分子鏈較無(wú)配向性，收縮量較大。所有的不定形塑料的線(xiàn)性收縮率(linear shrinkages)都很接近，所以考量塑件尺寸時(shí)，同一塑件可以使用不同的不定形塑料取代，例如以ABS取代苯乙烯，以PC取代壓克力，射出成形的尺寸應(yīng)該會(huì)維持在相當(dāng)精度以?xún)?nèi)，只是性質(zhì)會(huì)有所變化。（半）結(jié)晶性聚合物的特性結(jié)晶性材料是不具有大側(cè)基、旁枝或交聯(lián)的聚合物，熔融的結(jié)晶性塑料黏滯性低，容易流動(dòng)。當(dāng)冷卻到熔點(diǎn)

15、以下時(shí)，分子形成規(guī)則的晶體結(jié)構(gòu)，使其流動(dòng)性變差。隨著溫度繼續(xù)降低，其結(jié)晶度增加，強(qiáng)度也增加，透明度則降低。結(jié)晶程序停止于玻璃轉(zhuǎn)移溫度。因?yàn)樵谡５募庸こ绦蚝茈y獲得100%結(jié)晶，結(jié)晶性塑料通常呈現(xiàn)半結(jié)晶，它同時(shí)具有結(jié)晶與不定形兩種相態(tài)，其結(jié)晶度則決定于聚合物的化學(xué)結(jié)構(gòu)和成形條件。（半）結(jié)晶性塑料就像冰塊一樣具有明確的熔點(diǎn)，玻璃轉(zhuǎn)移溫度則不明顯，通常低于是溫，抗化學(xué)性及耐熱性佳、潤(rùn)滑性良好、吸濕性低、收縮率高。半結(jié)晶性塑料具有相當(dāng)大的線(xiàn)性收縮率，無(wú)法用以取代不定形的塑料的射出成形；否則，會(huì)造成尺寸精度上很大的問(wèn)題。一般塑料中都會(huì)有添加劑、填充料與補(bǔ)強(qiáng)料添加劑(additives)、填充料(fill

16、ers)和補(bǔ)強(qiáng)料(reinforcements)是用來(lái)改變或改善塑料的物理性質(zhì)和機(jī)械性質(zhì)，其影響列于表3-5。通常，強(qiáng)化纖維可以提升聚合物的機(jī)械性質(zhì)，而特定的填充料則用來(lái)增加模數(shù)。一般而言，塑料是不良導(dǎo)體，許多填充料可以影響其電氣性質(zhì)，例如添加導(dǎo)電性填充料可以讓塑料產(chǎn)生電磁遮敝性質(zhì)；添加抗靜電劑可以用來(lái)吸濕氣，降低靜電荷的累積；添加耦合劑可以改善塑料與強(qiáng)化纖維之間的鍵結(jié)；有些填充料可以用來(lái)降低材料成本；其它的添加劑包括降低燃燒傾向的抗燃劑、降低熔膠黏度的潤(rùn)滑劑、增加材料柔軟性的塑化劑、和提供耐顏色的著色劑。填充料可以改善塑料的性質(zhì)和成形性。假如添加低值長(zhǎng)寬比的填充料，其底材的性質(zhì)改變較小，此類(lèi)

17、填充料的好處如下： 降低收縮量。 改善耐熱性。 改善強(qiáng)度，特別是壓縮強(qiáng)度。 降低耐沖擊性。 改善耐溶劑性。表 3-4 常用樹(shù)脂的建議熔膠溫度與模具溫度材料名稱(chēng)流動(dòng)性質(zhì)熔膠溫度(°C°F)模具溫度(°C°F)頂出溫度(°C°F)MFR g/10min測(cè)試負(fù)荷 kg測(cè)試溫度C最小值建議值最大值最小值建議值最大值建議值A(chǔ)BS 3510220200/392230/446280/53625/7750/12280/17688/190PA 12 955275230/446255/491300/57230/8680/176110/230135/275

18、PA 6 1105275230/446255/491300/57270/15885/185110/230133/271PA 66 1005275260/500280/536320/60870/15880/176110/230158/316PBT 352.16250220/428250/482280/53615/6060/14080/176125/257PC 201.2300260/500305/581340/64470/15895/203120/248127/261PC/ABS125240230/446265/509300/57250/12275/167100/212117/243PC/PBT

19、 465275250/482265/509280/53640/10460/14085/185125/257PE-HD 152.16190180/356220/428280/53620/6840/10495/203100/212PE-LD 102.16190180/356220/428280/53620/6840/10470/15880/176PEI 155.00340340/644400/752440/82470/158140/284175/347191/376PET 275290265/509270/518290/554 80/176100/212120/248150/302PETG 235

20、260220/428255/491290/55410/5015/6030/8659/137PMMA 103.8230240/464250/482280/53635/9060/14080/17685/185POM 202.16190180/356225/437235/45550/12270/158105/221118/244PP 202.16230200/392230/446280/53620/6850/12280/17693/199PPE/PPO 4010265240/464280/536320/60860/14080/176110/230128/262PS 155200180/356230/

21、446280/53620/6850/12270/15880/176PVC 5010200160/320190/374220/42820/6840/10470/15875/167SAN 3010220200/392230/446270/51840/10460/14080/17685/185高值長(zhǎng)寬比的填充料(例如25以上)可以稱(chēng)為纖維(fiber)。纖維補(bǔ)強(qiáng)料可以相當(dāng)程度地影響塑料性質(zhì)。假設(shè)聚合物與纖維之間具有良好的結(jié)合力，則沿著纖維方向的強(qiáng)度會(huì)大幅提升。假如多數(shù)纖維有相同的配向性，則沿著纖維配向性與垂直于纖維配向的彈性模數(shù)會(huì)有很大差異，在垂直方向的模數(shù)會(huì)與無(wú)添加纖維的塑料之模數(shù)接近。添加的纖維

22、也相當(dāng)程度地影響材料的收縮性質(zhì)，在纖維配向方向的收縮率會(huì)比剖面方向的收縮率低許多。因?yàn)槔w維的配向性隨著流動(dòng)方向、肉厚方向、縫合線(xiàn)位置而變化，為了預(yù)測(cè)塑件的性質(zhì)，預(yù)測(cè)這些配向性就愈顯重要表3-5添加劑、填充料與補(bǔ)強(qiáng)料對(duì)于聚合物性質(zhì)的影響添加劑、填充料及補(bǔ)強(qiáng)料常用村料對(duì)聚合物性質(zhì)的影響強(qiáng)化纖維碳素、碳、礦物質(zhì)纖維、玻璃、kevlarl 增加拉伸強(qiáng)度l 增加彎曲模數(shù)(flexural modulus)l 提高熱變形溫度l 提升抗收縮與抗翹曲能力導(dǎo)電性填充料鋁粉、碳纖維、石墨l 提高電氣性質(zhì)l 提高熱傳導(dǎo)性耦合劑Silanes、titanatesl 改善聚合物與纖維界面之鍵結(jié)力抗燃劑氯、溴、硫、金屬鹽

23、l 降低燃燒發(fā)生率及擴(kuò)散速度混合填充料碳酸鈣、硅、黏土l 降低材料成本塑化劑單體液體、低分子量材料l 改善熔膠的流動(dòng)性l 加強(qiáng)撓曲性著色劑（色料或染料）金屬氧化物、鉻酸鹽、碳黑l 提供耐久的顏色l 防止熱裂解或紫外線(xiàn)造成裂解發(fā)泡劑氣體、氮復(fù)合物、聯(lián)氨衍生物l 造成孔穴組織以降低材料密度接下來(lái)說(shuō)說(shuō)塑料如何流動(dòng)熔融的熱塑性塑料呈現(xiàn)黏彈性行為(viscoelastic behavior)，亦即黏性流體與彈性固體的流動(dòng)特性組合。當(dāng)黏性流體流動(dòng)時(shí)，部分驅(qū)動(dòng)能量將會(huì)轉(zhuǎn)變成黏滯熱而消失；然而，彈性固體變形時(shí)，會(huì)將推動(dòng)變形的能量?jī)?chǔ)存起來(lái)。日常生活中，水的流動(dòng)就是典型的黏性流體，橡膠的變形屬于彈性體。除了這兩種

24、的材料流動(dòng)行為，還有剪切和拉伸兩種流動(dòng)變形，如圖4-1 (a)與(b)。在射出成形的充填階段，熱塑性塑料之熔膠的流動(dòng)以剪切流動(dòng)為主，如圖4-1(c)所示，材料的每一層元素之間具有相對(duì)滑動(dòng)。另外，當(dāng)熔膠流經(jīng)一個(gè)尺寸突然變化的區(qū)域，如圖4-1(d)，拉伸流動(dòng)就變得重要多了。圖4-1 (a)剪切流動(dòng)；(b)拉伸流動(dòng)；(c)模穴內(nèi)的剪切流動(dòng)(d)充填模穴內(nèi)的拉伸流動(dòng)熱塑性塑料承受應(yīng)力時(shí)會(huì)結(jié)合理想黏性流體和理想彈性固體之特性，呈現(xiàn)黏彈性行為。在特定的條件下，熔膠像液體一樣受剪應(yīng)力作用而連續(xù)變形；然而，一旦應(yīng)力解除，熔膠會(huì)像彈性固體一樣恢復(fù)原形，如圖4-2 (b)與 (c)所示。此黏彈性行為是因?yàn)榫酆衔镌?/p>

25、熔融狀態(tài)，分子量呈現(xiàn)雜亂卷曲型態(tài)，當(dāng)受到外力作用時(shí)，將允許分子鏈移動(dòng)或滑動(dòng)。然而，相互糾纏的聚合物分子鏈?zhǔn)瓜到y(tǒng)于施加外力或解除外力時(shí)表現(xiàn)出彈性固體般的行為。譬如說(shuō)，在解除應(yīng)力后，分子鏈會(huì)承受一恢復(fù)應(yīng)力，使分子鏈回到雜亂卷曲的平衡狀態(tài)。因?yàn)榫酆衔锵到y(tǒng)內(nèi)仍有分子鏈的交纏，此恢復(fù)應(yīng)力可能不是立即發(fā)生作用。圖4-2 (a)理想的黏性液體在應(yīng)力作用下表現(xiàn)出連續(xù)的變形；(b)理想的彈性固體承受外力會(huì)立刻變形，于外力解除后完全恢復(fù)原形；(c)熱塑性塑料之熔膠就像液體一樣，在剪切應(yīng)力作用下而連續(xù)變形。然而，一旦應(yīng)力解除，它就像彈性固體一般，部分變形會(huì)恢復(fù)原形。熔膠剪切黏度是塑料流動(dòng)非常重要的指標(biāo)熔膠剪切黏度(

26、shear viscosity)是塑料抵抗剪切流動(dòng)的阻力，它是剪切應(yīng)力與剪變率的比值，參閱圖4-3。聚合物熔膠因長(zhǎng)分子鏈接構(gòu)而具有高黏度，通常的黏度范圍介于23000 Pa（水為 10-1 Pa，玻璃為1020 Pa）。圖4-3 以簡(jiǎn)易之剪切流動(dòng)說(shuō)明聚合物熔膠黏度的定義水是典型的牛頓流體，牛頓流體的黏度與溫度有關(guān)系，而與剪變率無(wú)關(guān)。但是，大多數(shù)聚合物熔膠屬于非牛頓流體，其黏度不僅與溫度有關(guān)，也與剪切應(yīng)變率有關(guān)。聚合物變形時(shí)，部份分子不再糾纏，分子鏈之間可以相互滑動(dòng)，而且沿著作用力方向配向，結(jié)果，使得聚合物的流動(dòng)阻力隨著變形而降低，此稱(chēng)為剪變致稀行為（shearing-thinning beha

27、vior），它表示聚合物承受高剪變率時(shí)黏度會(huì)降低，也提供了聚合物熔膠加工便利性。例如，以?xún)杀秹毫ν苿?dòng)開(kāi)放管線(xiàn)內(nèi)的水，水的流動(dòng)速率也倍增。但是，以?xún)杀秹毫ν苿?dòng)開(kāi)放管線(xiàn)內(nèi)的聚合物熔膠，其流動(dòng)速率可能根據(jù)使用材料而增加215倍。介紹了剪切黏度的觀念，再來(lái)看看射出成形時(shí)模穴內(nèi)的剪變率分布。一般而言，材料的連接層之間的相對(duì)移動(dòng)愈快，剪變率也愈高，所以，典型的熔膠流動(dòng)速度曲線(xiàn)如圖4-4（a），其在熔膠與模具的界面處具有最高的剪變率；或者，假如有聚合物凝固層，在固體與液體界面處具有最高的剪變率。另一方面，在塑件中心層因?yàn)閷?duì)稱(chēng)性流動(dòng)，使得材料之間的相對(duì)移動(dòng)趨近于零，剪變率也接近零，如圖4-4（b）所示。剪變率

28、是一項(xiàng)重要的流動(dòng)參數(shù)，因?yàn)樗鼤?huì)影響熔膠黏度和剪切熱（黏滯熱）的大小。射出成形制程的典型熔膠剪變范圍在102 105 1/s之間。圖4-4 （a）相對(duì)流動(dòng)元素間運(yùn)動(dòng)之典型速度分布曲線(xiàn)； ( b)射出成形之充填階段的剪變率分布圖。聚合物分子鏈的運(yùn)動(dòng)能力隨著溫度升高而提高，如圖4-5所示，隨著剪變率升高與溫度升高，熔膠黏度會(huì)降低，而分子鏈運(yùn)動(dòng)能力的提升會(huì)促進(jìn)較規(guī)則的分子鏈排列及降低分子鏈相互糾纏程度。此外，熔膠黏度也與壓力相關(guān)，壓力愈大，熔膠愈黏。材料的流變性質(zhì)將剪切黏度表示為剪變率、溫度與壓力的函數(shù)。圖4-5 聚合物黏度與剪變率、溫度、及壓力的關(guān)系接下來(lái)說(shuō)說(shuō)熔膠流動(dòng)之驅(qū)動(dòng)-射出壓力射出機(jī)的射出壓力

29、是克服熔膠流動(dòng)阻力的驅(qū)動(dòng)力。射出壓力推動(dòng)熔膠進(jìn)入模穴以進(jìn)行充填和保壓，熔膠從高壓區(qū)流向低壓區(qū)，就如同水從高處往低處流動(dòng)。在射出階段，于噴嘴蓄積高壓力以克服聚合物熔膠的流動(dòng)阻力，壓力沿著流動(dòng)長(zhǎng)度向聚合物熔膠波前逐漸降低。假如模穴有良好的排氣，則最終會(huì)在熔膠波前處達(dá)到大氣壓力。壓力分布如圖4-6所示。圖4-6 壓力沿著熔膠輸送系統(tǒng)和模穴而降低模穴入口的壓力愈高，導(dǎo)致愈高的壓力梯度（單位流動(dòng)長(zhǎng)度之壓力降）。熔膠流動(dòng)長(zhǎng)度加長(zhǎng)，就必須提高入口壓力以產(chǎn)生相同的壓力梯度，以維持聚合物熔膠速度，如圖4-7所示。圖4-7熔膠速度與壓力梯度的關(guān)系根據(jù)古典流體力學(xué)的簡(jiǎn)化理論，充填熔膠輸送系統(tǒng)（豎澆道、流道和澆口）和

30、模穴所需的射出壓力與使用材料、設(shè)計(jì)、制程參數(shù)等有關(guān)系。圖4-8顯示射出壓力與各參數(shù)的函數(shù)關(guān)系。使用P表示射出壓力，n 表示材料常數(shù)，大多數(shù)聚合物的n值介于0.150.36 之間，0.3是一個(gè)適當(dāng)?shù)慕浦?，則熔膠流動(dòng)在豎澆道、流道和圓柱形澆口等圓形管道內(nèi)所需的射出壓力為：熔膠流動(dòng)在薄殼模穴之帶狀管道內(nèi)所需的射出壓力為：熔膠的流動(dòng)速度與流動(dòng)指數(shù)(Melt Index, MI) 有關(guān)，流動(dòng)指數(shù)也稱(chēng)為流導(dǎo)flow conductance），流動(dòng)指數(shù)是熔膠流動(dòng)難易的指標(biāo)。實(shí)際上，流動(dòng)指數(shù)是塑件幾何形狀（例如壁厚，表面特征）及熔膠黏度的函數(shù)。流動(dòng)指數(shù)隨著肉厚增加而降低，但是隨著熔膠黏度增加而降低，參閱圖4

31、-9。射出成形時(shí)，在特定的成形條件及塑件肉厚下，熔膠可以流動(dòng)的長(zhǎng)度將根據(jù)材料的熱卡性質(zhì)與剪切性質(zhì)而決定，此性質(zhì)可以表示為熔膠流動(dòng)長(zhǎng)度，如圖4-10所示。圖4-8 射出壓力與使用材料知黏滯性、流動(dòng)長(zhǎng)度、容積流率和肉厚的函數(shù)關(guān)系圖4-9流動(dòng)指數(shù)相對(duì)于壁厚與黏度關(guān)系圖4-10熔膠流動(dòng)長(zhǎng)度決定于塑件厚度和溫度將射出成形充填模穴的射出壓力相對(duì)于充填時(shí)間畫(huà)圖，通?？梢垣@得U形曲線(xiàn)，如圖4-11，其最低射出壓力發(fā)生在曲線(xiàn)的中段時(shí)間。要采用更短的充填時(shí)間，則需要高熔膠速度和高射出壓力來(lái)充填模穴。要采用較長(zhǎng)的充填時(shí)間，可以提供塑料較長(zhǎng)的冷卻時(shí)間，導(dǎo)致熔膠黏度提高，也需要較高的射出壓力來(lái)充填模穴。射出壓力相對(duì)于充

32、填時(shí)間的曲線(xiàn)形狀與所使用材料、模穴幾何形狀和模具設(shè)計(jì)有很大的關(guān)系。圖4-11射出壓力相對(duì)于充填時(shí)間之U形曲線(xiàn)最后必須指出，因?yàn)槿勰z速度（或剪變率）、熔膠黏度與熔膠溫度之間交互作用，有時(shí)候使得充填模穴的動(dòng)力學(xué)變得非常復(fù)雜。注意，熔膠黏度隨著剪變率上升及溫度上升而降低。高熔膠速度造成的高剪變率及高剪切熱可能會(huì)使黏度降低，結(jié)果使流動(dòng)速度更加快，更提高了剪變率和熔膠溫度。所以對(duì)于剪變效應(yīng)很敏感的材料本質(zhì)上具有不穩(wěn)定性。充填模式(Filling Pattern)是熔膠在輸送系統(tǒng)與模穴內(nèi)，隨著時(shí)間而變化的流動(dòng)情形，如圖4-13所示。充填模式對(duì)于塑件品質(zhì)有決定性的影響，理想的充填模式是在整個(gè)制程中，熔膠以一

33、固定熔膠波前速度(melt front velocity, MFV)同時(shí)到達(dá)模穴內(nèi)的每一角落；否則，模穴內(nèi)先填飽的區(qū)域會(huì)因過(guò)度充填而溢料。以變化之熔膠波前速度充填模穴，將導(dǎo)致分子鏈或纖維配向性的改變。圖4-13 計(jì)算機(jī)仿真之熔膠充填模式的影像熔膠波前的前進(jìn)速度簡(jiǎn)稱(chēng)為MFV，推進(jìn)熔膠波前的剖面面積簡(jiǎn)稱(chēng)為 MFA，MFA可以取熔膠波前橫向長(zhǎng)度乘上塑件肉厚而得到，或是取流道剖面面積，或者視情況需要而取兩者之和。在任何時(shí)間，容積流動(dòng)率 = 熔膠波前速度(MFV) × 熔膠波前面積(MFA)對(duì)于形狀復(fù)雜的塑件，使用固定的螺桿速率并不能保證有固定的熔膠波前速度。當(dāng)模穴剖面面積發(fā)生變化，縱使射出機(jī)

34、維持了固定的射出速度，變化之熔膠波前速度仍可能先填飽模穴的部份區(qū)域。圖 4-14 顯示在鑲埋件(insert)周?chē)勰z波前速度增加，使鑲埋件兩側(cè)產(chǎn)生高壓力和高配向性，造成塑件潛在的不均勻收縮和翹曲。圖4-14 熔膠波前速度(MFV)和熔膠波前面積(MFA)。MFV之差異會(huì)使得塑料分子(以點(diǎn)表示)以不同方式伸展，導(dǎo)致分子與纖維配向性的差異，造成收縮量差異或翹曲。在射出成形的充填階段，塑料材料的分子鏈或是填充料會(huì)依照剪應(yīng)力之作用而發(fā)生配向。由于模溫通常比較低，在表面附近的配向性幾乎瞬間即凝固。分子鏈和纖維的配向性取決于熔膠之流體動(dòng)力學(xué)和纖維伸展的方向性。在熔膠波前處，由于剪切流動(dòng)和拉伸流動(dòng)的組合，不斷強(qiáng)迫熔膠從肉厚中心層流向模壁，造成噴泉流效應(yīng)(fountain flow effect)，此效應(yīng)對(duì)塑件表層的分子鏈纖維配向性的影響甚巨。請(qǐng)參閱圖4-15之說(shuō)明。圖4-15 塑件表層與中心層之纖維配向性塑件成形之MFV愈高，其表面壓力愈高，分子鏈配向性的程度也愈高。充填時(shí)的MFV差異會(huì)使得塑件內(nèi)的配向性差異，導(dǎo)致收縮不同而翹曲，所以充填時(shí)應(yīng)盡量維持固定的MFV，使整個(gè)塑件有均勻的分子鏈配向性。MFV和MFA是流動(dòng)平衡的重要設(shè)計(jì)參數(shù)。不平衡