熱塑性塑料制品的注射成型

1、熱塑性塑料制品的注射成型一、實驗目的1、了解柱塞式和移動螺桿式注射機的結構特點及操作程序；2、掌握熱塑性塑料注射成型的實驗技能及標準測試樣條的制備方法；3、掌握注射盛開工藝條件的確定及其與注射制品質量的關系。二、實驗原理1、注射過程原理注射成型是高分子材料成型加工中一種重要的方法，應用十分廣泛，幾乎所有的熱塑性塑料及多種熱固性塑料都可用此法成型。熱塑性塑料的注射成型又稱注塑，是將粒狀或粉狀塑料加入到注射機的料筒，經(jīng)加熱溶化后呈流動狀態(tài)，然后在注射機的柱塞或移動螺桿快速而又連續(xù)的壓力下，從料筒前端的噴嘴中以很高的壓力和很快的速度注入到閉合的模具內。充滿膜腔的熔體在受壓的情況下，經(jīng)冷卻固化后，開模

2、得到與模具型腔相應的制品。注射成型機主要的有柱塞式和移動螺桿式兩種，以后者為常用。不同類型的注射機的動作程序不完全相同，但塑料的注射成型原理及過程是相同的。本實驗是以聚丙烯為例，采用移動螺桿式注射機的注射成型。熱塑性塑料的注射過程包括加料、塑化、注射充模、冷卻固化和脫模等幾個工序。（1）合模鎖緊 注射成型的周期一般是以合模為起始點。動模前移，快速閉合。在與定模將要接觸時，依靠合模系統(tǒng)自動切換成低壓，提供試合模壓力和低速；最后切換成高壓將模具合緊。（2）注射充模 模具閉合后，注射機機身前移使噴嘴與模具貼合。油壓推動與油缸活塞桿相連接的螺桿前進，將螺桿頭部前面已均勻塑化的物料以一定的壓力和速度注射

3、入模腔，直到熔體充滿模腔為止。熔體充模順利與否，取決于注射的壓力和速度、熔體的溫度和模具的溫度等。這些參數(shù)決定了熔體的粘度和流動特性。注射壓力是為了使熔體克服料筒、噴嘴、澆注系統(tǒng)和模腔等處的阻力，以一定的速度注射入模；一旦充滿，模腔內壓迅速到達最大值，充模速度則迅速下降。模腔內物料受壓緊，密實，符合成型制品的要求。注射壓力的過高或過低，造成充模的過量或不足，都將影響制品的外觀質量和材料的大分子取向程度。注射速度影響熔體填充模腔時的流動狀態(tài)。速度快，充模時間短，熔體溫差小，則制品密度均勻，熔接強度高，尺寸穩(wěn)定性好，外觀質量好；反之，若速度慢，充模時間長，由于熔體流動過程的剪切作用使大分子取向程度

4、大，則制品各向異性。（3）保壓 熔體注入模腔后，由于模具的低溫冷卻作用，使模腔內的熔體產生收縮。為了保護注射制品的致密性、尺寸精度和強度，必須使注射系統(tǒng)對模具施加一定的壓力（螺桿對熔體保持一定壓力），對模腔塑件進行補塑，直到澆注系統(tǒng)的塑料凍結為止。保壓過程包括控制保壓壓力和保壓時間的過程，它們均影響制品的質量。保壓壓力可以等于或低于充模壓力，其大小以達到補塑增密為宜。保壓時間以壓力保持到澆口凝封時為好。若保壓時間不足，模腔內的物料會倒流，使制品缺料；若時間過長或壓力過大，充模量過多，將使制品的澆口附近的內應力增大，制品易開裂。（4）制品的冷卻和預塑化 當模具澆注系統(tǒng)內的熔體凍結到其失去從澆口回

5、流可能性時，即澆口封閉時，就可卸去保壓壓力，使制品在模內充分冷卻定型。其間主要控制冷卻的溫度和時間。在冷卻的同時，螺桿傳動裝置開始工作，帶動螺桿轉動，使料斗內的塑料經(jīng)螺桿向前輸送，并在料筒的外加熱和螺桿剪切作用下使其熔融塑化。物料由螺桿運到料筒前端，并產生一定壓力。在此壓力作用下螺桿在旋轉的同時向后移動，當后移到一定距離，料筒前端的熔體達到下次注射量時，螺桿停止轉動和后移，準備下一次注射。塑料的預塑化與模具內制品的冷卻定型后，合模裝置即開啟模具，并自動頂落制品。2、注射成型工藝條件注射成型工藝的核心問題是要求得到塑化良好的塑料熔體并把它順利注射到模具中去，在控制的條件下冷卻定型，最終得到合乎質

6、量要求的制品。因此，注射最重要的工藝條件是影響塑化流動和冷卻的溫度、壓力和相應的各個作用的時間。（1）溫度 注射成型過程需要控制的溫度包括料筒溫度、噴嘴溫度和模具溫度。前兩者關系到塑料的塑化和流動，后者關系到塑料的成型。a. 料筒溫度 料溫的高低，主要決定于塑料的性質，必須把塑料加熱到粘流溫度（Tf）或熔點（Tm）以上，但必須低于其分解溫度（Td）。料溫對注射成型工藝過程及制品的物理機械性能有密切關系。隨著料溫升高，熔體粘度下降，料筒、噴嘴、模具的澆注系統(tǒng)的壓力降減小，塑料在模具中流程就長，從而發(fā)送了成型工藝性能，注射速度大，塑化時間和充模時間縮短，生產率上升。但若料溫太高，易引起塑料熱降解，

7、制品物理機械性能降低。而料溫太低，則容易造成制品缺料，表面無光，有熔接痕等，且生產周期長，勞動生產率降低。在決定料溫時，必須考慮塑料在料筒內的停留時間，這對熱敏性塑料尤其重要，隨著溫度升高物料在料筒內的停留時間縮短。料筒溫度通常從料斗一側起至噴嘴分段控制，由低到高，以利于塑料逐步塑化。各段之間的溫差約為3050。b. 噴嘴溫度 塑料在注射時是以高速度通過噴嘴的細孔的，有一定的摩擦熱產生，為了防止塑料熔體在噴嘴可能發(fā)生“流涎現(xiàn)象”，通常噴嘴溫度略低于料筒的最高溫度。c. 模具溫度 模具溫度不但影響塑料充模時的流動行為，而且影響制品的物理機械性能和表觀質量。結晶型塑料注射入模型后，將發(fā)生相轉變，冷

8、卻速率將影響塑料的結晶速率。緩冷，即模溫高，結晶速率大，有利結晶，能提高制品的密度和結晶度，制品成型收縮性較大，剛度大，大多數(shù)力學性能較高，但伸長率和沖擊強度下降。驟冷所得制品的結晶度下降，韌性較好。但驟冷不利于大分子的松馳過程，分子取經(jīng)向作用和內應力較大。中速冷塑料的結晶和取向較適中，是常用的條件。無定型塑料注射入模時，不發(fā)生相轉變，模溫的高低主要影響熔體的粘度和充模速率。在順利充模的情況下，較低的模溫可以縮短冷卻時間，提高成型效率。所以對于熔融粘度較低的塑料，一般選擇較低的模溫；反之，必須選擇較高模溫。選用低模溫，雖然可加快冷卻，有利提高生產效率，但過低的模溫可能使?jié)部谶^早凝封，引起缺料和

9、充模不全。（2）壓力 注射過程中的壓力包括塑化壓力（背壓）和注射壓力，是塑料塑化充模成型的重要因素。a. 塑化壓力（背壓） 預塑化時，塑料隨螺桿旋轉，塑化后堆積在料筒的前部，螺桿的端部塑料熔體產生一定的壓力，稱為塑化壓力，或稱螺桿的背壓，其大小可通過注射機油缸的回油背壓閥來調整。螺桿的背壓影響預塑化效果。提高背壓，物料受到剪切作用增加，熔體溫度升高，塑化均勻性好，但塑化量降低。螺桿轉速低則延長預塑化時間。螺桿在較低背壓和轉速下塑化時，螺桿輸送計量的精確度提高。對于熱穩(wěn)定性差或熔融粘度高的塑料應選擇較低的轉速；對于熱穩(wěn)定性差或熔體粘度低的塑料則選擇較低的背壓。螺桿的背壓一般為注射壓力的5%20%

10、。b. 注射壓力 注射壓力的作用是克服塑料在料筒、噴嘴及澆注系統(tǒng)和型腔中流動時的阻力，給予塑料熔體足夠的充模速率，能對熔體進行壓實，以確保注射制品的質量。注射壓力的大小取決于模具和制件的結構、塑料的品種以及注射工藝條件等。塑料注射過程中的流動阻力決定于塑料的摩擦因數(shù)和熔融粘度，兩者越大，所要求的注射壓力越高。而同一種塑料的摩擦因數(shù)和熔融粘度是隨料筒溫度和模具溫度而變動的，所以在注射過程中注射壓力與塑料溫度實際上是相互制約的。料溫高時注射壓力減小；反之，所需注射壓力加大。c. 時間 完成一次注射成型所需的全部時間稱為注射成型周期，它包括注射（充模、保壓）時間、冷卻（加料、預塑化）時間及其他輔助（

11、開模、脫模、嵌件安放、閉模）時間。注射時間中的充模時間主要與充模速度有關。保壓時間依賴于料溫、模溫以及主流道和澆口的大小，對制品尺寸的準確性有較大影響，保壓時間不夠，澆口未凝封，熔料會倒流，使模內壓力下降，會使制品出現(xiàn)凹陷、縮孔等現(xiàn)象。冷卻時間取決于制品的厚度、塑料的熱性能、結晶性能以及模具溫度等。冷卻時間以保證制品脫模時不變形繞曲，而時間又較短為原則。成型過程中應盡可能地縮短其他輔助時間，以提高生產效率。熱塑性塑料的注射成型，主要是一個物理過程，但高聚物在熱和力的作用下難免發(fā)生某些化學變化。注射成型應選擇合理的設備和模具設計，制訂合理的工藝條件，以使化學變化減少到最小的程度。三、設備儀器與原

12、料1、設備儀器（1）本實驗采用國產海天公司的HTF90W1塑料注射成型機，其基本結構如圖21-1所示，主要由包括注射裝置、鎖模裝置、液壓傳動系統(tǒng)和電路控制系統(tǒng)。圖21-1 移動螺桿式注射機結構示意圖1動模板；2注射模具；3定模板；4噴嘴；5料斗；6螺桿傳動齒輪；7注射油缸；8液壓泵；9螺桿；10加熱料筒；11加熱器；12頂出桿（銷）；13鎖模油缸圖21-2 模具開合結構示意圖（2）注射模具（力學性能試樣模具）。（3）溫度計、秒表、卡尺等。2、原料PP、HDPE，顆粒狀塑料等。也可選用PS、ABS、PA、POM等。四、準備工作（1）原料準備，干燥PP或HDPE樹脂。一般干燥條件是：烘箱溫度為80

13、，時間34h，若溫度為90，則僅需23h。實際上，干燥處理的溫度越低越好，但時間卻需更久。干燥的原則是控制塑料的含水率低于0.1%。（2）詳細觀察、了解注射機的結構，工作原理，安全操作等。（3）擬定各項成型工藝條件。（4）安裝模具并進行試模。五、實驗步驟（儀器操作步驟）1、接通操縱柜上的主開關，并將操作的選擇開關調到點動或手動上；2、冷卻料筒的冷卻水必須打開；3、接通加熱及溫度調節(jié)系統(tǒng)；4、預熱液壓油；5、機器啟動應在系統(tǒng)無壓的情況下進行泵的啟動；6、關閉安全門，根據(jù)安全保護要求，機器在工作時所有安全門都應關閉，打開操作側的安全門時，油泵就會停止工作；7、調好所有行程開關的位置，使動模板運行暢

14、通；8、安裝模具，在安裝模具之前必須清理干凈模具表面和與機器模板的接觸面，檢查模具的定心是否與動模板的定心相符，要檢查頂出桿是否伸進動模板內太多，在定模板方面要仔細檢查模具的定心凸緣是否進入前模板的同心圓內，然后在低壓下將模具鎖上，用螺絲擰緊固定模具的夾板。這一切都需要在吊車或起重架輔助下進行。在模具安裝好之后，調節(jié)行程滑塊，限制動模板的行程；9、調整頂出機構，使之能夠達到將制品從型腔頂出的行程；10、 調整模具保險裝置，再調整好模具閉合時的限位開關；11、 調整鎖模力，在保證制品質量前提下將鎖模力調到需要的最小值；12、 調節(jié)開閉模運動的速度及壓力；13、 檢查料斗是否有雜質或異物再根據(jù)產量

15、加料；14、 調節(jié)注射座行程（在閉模狀態(tài)下調整）；15、 調節(jié)注射壓力，保壓壓力（時間）；16、 調節(jié)背壓壓力，噴嘴控制油缸壓力以及頂出壓力；17、 手動合模、開模12次，并檢查頂針及行程是否順暢；18、 將選擇開關轉到半自動位置，進行注塑。19、重復上述操作程序，在不同保壓時間和冷卻時間下注射制品。20、測定制品的成型收縮率，測試注射樣品的力學性能。21、操作完停車后要注意以下事項：把選擇開關轉到手動位置；關閉入料閘板，停止繼續(xù)向料筒供料；注射座退回，使噴嘴脫離與模具的接觸；清除料筒中的余料，反復注射、預料，使物料不再從噴嘴流延為止； 對加工過易分解的樹脂，要用PE或PP清洗；把所有操作開關

16、和選擇開關選到斷開位置；把操縱電源開關轉到斷開位置，切斷總電源開關；停止所有冷卻水；停機之后要擦凈機器的各個部件。六、數(shù)據(jù)處理測量注射模腔的單向長度L1，測量注射樣品在室溫下放置24h后的單向長度L2，近下式計算成型收縮率：收縮率%=L1L2×100 L1七、注意事項（1）根據(jù)實驗的要求可選用點動、手動、半自動、全自動等操作方式，選擇開關設在控制箱內。 點動：適宜調整模具，選用慢速點動操作，以保證校模操作的安全性（料筒必須沒有塑化的冷料存在）。 手動：選擇開關在“手動”位置，調整注射和保壓時間繼電器，關上安全門。每撳一個按鈕，就相當于完成一個動作，必須按順序一個動作做完才撳另一個動作

17、按鈕。搬運操作一般是在試車、試制、校模時選用。 半自動：將選擇開關轉至“半自動”位置，關好安全門，則各種動作會按工藝程序自動進行。即依次完成閉模、穩(wěn)壓、注射座前進、注射、保壓、預塑（螺桿轉動并后愛）、注射座后退、冷卻、啟模和制品頂出。開安全門，取出制品。 全自動：將選擇開關至“全自動”位置，關上安全門，則機器會自行按照工藝程序工作，最后由頂出桿頂出制品。由于光電管的作用，各個動作周而復始，無須打開安全門，但要求模具有完全可靠的自動脫模裝置。（2）在行駛操作時，須把限位開關及時間繼電器調整到相應的位置上。（3）未經(jīng)實驗室工作人員的許可，不得操作注射機或任意動注射機近代制儀表上的按鈕和開關。（4）

18、不得將金屬工具接觸模具型腔。參考文獻1 韓哲文，高分子科學實驗，華東理工大學出版社，上海，20052 高分子科學實驗，四川大學化學系高分子教研室編，19883 高分子實驗技術，復旦大學化學系高分子教研組編，上海，復旦大學出版社，19835 （美）E. L. 麥卡弗里著，蔣碩健等譯，高分子化學實驗室制備，北京，科學出版社，19817 （西德）D.布勞恩，H.切爾德龍等著，黃葆同等譯，聚合物合成和表征技術，北京，科學出版社，19818 高分子實驗與專論，北京大學化學系高分子教研室編，北京，北京大學出版社，19909 Sorenson Campbell. Preparative Methods of Polymer Chemistry. 2nd edition.10