各種聚合物收縮性比較

熱塑性塑料的分類及相關(guān)基本概念熱塑性塑料熱塑性塑料可分為兩大類:結(jié)晶形塑料和無定形塑料。結(jié)晶形材料具有比較明顯的熔點，當(dāng)加工溫度進入熔點后即出現(xiàn)粘流態(tài)，聚合物粘度迅速下降，發(fā)生不可逆的塑性形變。而無定形塑料，由常溫下的固態(tài)加溫直至軟化最后到粘流態(tài)，中間沒有明顯的熔點。作為判別結(jié)晶形塑料和無定形塑料方法，一般來說，不透明的或半透明的是結(jié)晶形塑料，例如聚乙烯、聚丙烯、聚甲醛、聚酰胺、聚酯等。透明的是無定形塑料，例如聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯（有機玻璃）、聚砜等。當(dāng)然，也有例外情況，比如ABS屬于無定形塑料，卻不透明流動性一般來說，對于結(jié)晶形塑料，當(dāng)加工溫度高于其熔點時，其流動性較好，能很快的充滿型腔，它所需要的注射壓力也可以較小。而無定形塑料的流動性較差，因此，注入型腔的速度較慢，它所需要的注射壓力也要較大。所以在模具設(shè)計時，可以根據(jù)塑料的流動性來設(shè)計合理的流道系統(tǒng)尺寸，一方面可避免流道系統(tǒng)尺寸太大而浪費材料，同時也延長注塑成型周期，另一方面避免流道系統(tǒng)尺寸太小而導(dǎo)致充填、保壓困難。當(dāng)然，也有例外，比如，聚苯乙烯雖然是無定形塑料，但它的流動性卻很好。反映流動性的指標(biāo)通常有熔融指數(shù)（MFR）和表觀粘度。對于高分子聚合物來講，在通常的注塑成型條件下，它們的流動行為大都不服從牛頓流動定律，屬于非牛頓流體，它們流動剪切應(yīng)力與剪切速率的比值稱為表觀粘度。表觀粘度在一定溫度下并不是一個常數(shù)，可隨剪切應(yīng)力、剪切速率而變化，甚至有些還隨時間而變化。收縮性熱塑性塑料由熔融態(tài)到凝固態(tài)，都要發(fā)生不同程度的體積收縮。而結(jié)晶形塑料一般比無定形塑料表現(xiàn)出更大的收縮率和收縮范圍，且更容易受成型工藝的影響。結(jié)晶形塑料的收縮率一般在1.0%?3.0%，而無定形塑料的收縮率在0.4%?0.8%。對于結(jié)晶形塑料，還應(yīng)考慮其后收縮，因為它們脫模以后在室溫下還可以后結(jié)晶而繼續(xù)收縮，后收縮量隨制品厚度和環(huán)境溫度而定，越厚后收縮越大。附表2-1:常見塑料的成型收縮率塑料名稱收縮率（%）塑料名稱收縮率（%）HDPE1.5~3.5(2.0)*POM1.8~2.6(2.0)*LDPE1.5~3.0(1.5)*PA60.7~1.5PP1.0~3.0(1.5)*PA661.0~2.5GPPS0.4~0.8(0.5)*SPVC1.5~2.5(2.0)*HIPS0.4~0.6(0.5)*TPU1.2~2.0(1.6)*ABS0.4~0.7(0.5)*PMMA0.5~0.7(0.5)*PC0.5~0.7(0.5)*PBT1.3~2.2(1.6)*注：帶“*”的參數(shù)為本公司推薦值。流變性高聚物的流變性是指加工過程中，應(yīng)力、形變、形變速率與粘度之間的關(guān)系。這就涉及到溫度、壓力、時間及分子結(jié)構(gòu)、分子量大小及其分布對這些要素的影響。根據(jù)塑料的流變性，塑料又可分為剪敏性材料和熱敏性材料。粘度對剪切速率的依賴性越強，粘度隨剪切速率的提高而迅速降低，這種塑料屬于剪敏性塑料。常見的剪敏性塑料有ABS、PS、PE、PP、POM等等。如果熔體粘度對溫度的依賴性越強，粘度隨溫度的上升而下降得越快，這種塑料屬于熱敏性塑料。常見的熱敏性塑料PC、PA、PMMA等等。對于高分子聚合物來講，剪切速率對以上兩種材料的粘度都有影響，剪切速率的提高都可以在不同程度上降低熔體的粘度，可以使熔體產(chǎn)生“剪切變稀”現(xiàn)象。所以，在設(shè)計流道系統(tǒng)時，并不是流道尺寸越大，壓力降就越小，適當(dāng)小的流道尺寸可以提高熔體的剪切速率來降低粘度，進一步減少壓力降，這種效果對剪敏性材料來得明顯些。較小的澆口尺寸可以使增加熔體的剪切速率，產(chǎn)生大量的摩擦熱，熔體溫度明顯上升，熔體粘度跟著下降，增加流動性。所以，小澆口的采用對于剪敏性塑料往往是成功的。但制品的壁厚較厚時，應(yīng)該考慮到保壓而適當(dāng)加大澆口尺寸以延長澆口的凝固時間。取向效應(yīng)影響制品性能的因素還有塑料熔體在流動過程中的取向效應(yīng)。塑料熔體的大分子在外力的作用下被拉伸而順著流動方向互相平行排列，這種排列在塑料冷卻凝固之前來不及消除而凍結(jié)在固態(tài)制品中，便形成了取向效應(yīng)。取向效應(yīng)會使制品的整體性受到削弱，表現(xiàn)為各個的方向的物理機械性能的不一致，也可能導(dǎo)致各個方向收縮不均勻，從而可能導(dǎo)致制品翹曲變形。按熔體中大分子受力的形式和作用的性質(zhì)可分為剪切應(yīng)力作用下的“流動取向”和受拉伸作用下的“拉伸取向”下?？刂迫∠虻臈l件有以下因素：熔體溫度和模具溫度的下降會加強取向效應(yīng)；注射壓力增加可提高剪切速率和剪切應(yīng)力而加強取向效應(yīng)；制品厚度越薄，取向效應(yīng)越強；較大的澆口尺寸將加強取向效應(yīng)。有時采取某些特別的措施增強取向效應(yīng)，使取向方向的拉伸強度和彎曲強度得到提高。如拉伸薄膜、鉸鏈等。2.3聚乙烯聚乙烯(Polyethylene,簡稱PE)是塑料中產(chǎn)量最大的、日常生活中使用最普通的一種，特點是質(zhì)軟、無毒、價廉、加工方便。注射用料為乳白色顆粒。分子式為：[CHCH]2 2n由于主鏈為C-C鍵結(jié)構(gòu)，無側(cè)基，柔順性好，分子呈規(guī)整的對稱性排列，所以是一種典型的結(jié)晶高聚物。聚乙烯比較容易燃燒，燃燒時散發(fā)出石蠟燃燒味道，火焰上端黃色、下端藍(lán)色，熔融滴落，離火后能繼續(xù)燃燒。目前大量使用的PE料主要有兩種，即HDPE和LDPE。HDPE和LDPE的基本性能HDPE（低壓高密度聚乙烯,俗稱硬性軟膠）分子結(jié)構(gòu)中支鏈較少，相對密度0.94g/cm3~0.965g/cm3,結(jié)晶度80%~90%。其最突出的性能是電絕緣性優(yōu)良，耐磨性、不透水性、抗化學(xué)藥品性都較好，在60°C下幾乎不溶于任何溶劑；耐低溫性良好，在-70°C時仍有柔軟性。缺點主要有：耐驟冷驟熱性較差，機械強度不高，熱變形溫度低。HDPE主要用來制作吹塑瓶子等中空制品，其次用作注塑成型，制作周轉(zhuǎn)箱、旋塞、小載荷齒輪、軸承、電氣元件支架等。LDPE（高壓低密度聚乙烯，俗稱軟膠）分子結(jié)構(gòu)之間有較多的支鏈，密度0.910g/cm3~0.925g/cm3,結(jié)晶度55%~65%。易于透氣透濕，有優(yōu)良的電絕緣性能和耐化學(xué)性能，柔軟性、伸長率、耐沖擊性、透光率比HDPE好，機械強度稍差，耐熱性能較差，不耐光和熱老化。大量用作擠塑包裝薄膜、薄片、包裝容器、電線電纜包皮和軟性注塑、擠塑件。HDPE、LDPE在性能上的相同點：吸水率較低，成型加工前可以不進行干燥處理。聚乙烯為剪敏性材料，粘度受剪切速率的影響更明顯。收縮率較大且方向性明顯，制品容易翹曲變形。由於聚乙烯是結(jié)晶型聚合物,它的結(jié)晶均勻程度直接影響到製品密度的分布。所以，要求模具的冷卻水佈置儘可能均勻，使密度均勻，保證製品尺寸和形狀精度。模具設(shè)計時應(yīng)注意：1） ?聚乙烯分子有取向現(xiàn)象，這將導(dǎo)致取向方向的收縮率大于垂直方向的收縮率而引起的翹曲、扭曲變形，以及對制品性能產(chǎn)生的影響。為了避免這種現(xiàn)象，模具設(shè)計時應(yīng)注意澆口位置的確定和收縮率的選擇。2） .聚乙烯質(zhì)地柔軟光滑，易脫模，對于側(cè)壁帶淺凹槽的制品，可采取強行脫模的方式進行脫模。3） .由于聚乙烯流動性較好，排氣槽的深度應(yīng)控制在0.03mm以下。[CHCH]2nCH3聚丙烯聚丙烯（Polypropylene,簡稱PP,俗稱百折軟膠）由丙烯聚合而成，分子式為：屬于結(jié)晶形高聚物，有著質(zhì)輕、無毒、無味的特點，而且還具有耐腐蝕、耐高溫、機械強度高的特點。注射用的聚丙烯樹脂為白色、有蠟狀感的顆粒。聚丙烯容易燃燒，火焰上端呈黃色，下端藍(lán)色，冒少量黑煙并熔融滴落，離火后能繼續(xù)燃燒，散發(fā)出石油味。聚丙烯大致分為單一的聚丙烯均聚體和改進沖擊性能的乙烯—丙烯共聚體兩種。共聚的聚丙烯制品其耐沖擊性比均聚聚丙烯有所改善。PP性能上的主要優(yōu)點：1）.由于在熔融溫度下流動性好，成型工藝較寬，且各向異性比PE小，故特別適于制作各種形狀簡單的制品，制品的表面光澤、染色效果、外傷痕留等方面優(yōu)于PE料..通用塑料中，PP的耐熱性最好。其制品可在100°C下煮沸消毒，適于制成餐具、水壺等及需要進行高溫滅菌處理的醫(yī)療器械。熱變形溫度為100C~105C，可在100C以上長期使用。.屈服強度高，有很高的彎曲疲勞壽命。用PP制作的活動鉸鏈，在厚度適當(dāng)?shù)那闆r下(如0.25?0.5mm),能承受7000萬次的折疊彎曲而未有大的損壞。.密度較小，為目前已知的塑料中密度最小的品種之一。常見塑料的密度范圍見附表2-2。表2-2:常見塑料密度范圍塑料名稱密度范圍塑料名稱密度范圍HDPE0.941~0.965POM1.41~1.43LDPE0.91~0.925PA61.12~1.15PP0.90~0.91PA661.15GPPS1.04~1.06SPVC1.16~1.35HIPS1.04~1.05TPU1.2ABS1.04~1.06PMMA1.17~1.20PC1.2PBT1.26~1.30PP性能的主要缺點：由于是結(jié)晶聚合物，成型收縮率比無定形聚合物如PS、ABS、PC等大。成型時尺寸又易受溫度、壓力、冷卻速度的影響，會出現(xiàn)不同程度的翹曲、變形，厚薄轉(zhuǎn)折處易產(chǎn)生凸陷，因而不適于制造尺寸精度要求高或易出現(xiàn)變形缺陷的產(chǎn)品。剛性不足，不宜作受力機械構(gòu)件。特別是制品上的缺口對應(yīng)力十分敏感，因而設(shè)計時要避免尖角缺口的存在。耐候性較差。在陽光下易受紫外線輻射而加速塑料老化，使制品變硬開裂、染色消退或發(fā)生遷移。模具設(shè)計:.成型收縮率大，選擇澆口位置時應(yīng)滿足熔體以較平衡的流動秩序充填型腔，確保制品各個方向的收縮一致。.帶鉸鏈的制品應(yīng)注意澆口位置的選擇，要求熔體的流動方向垂直于鉸鏈的軸心線。.由于PP的流動性較好，排氣槽深度不可超過0.03mm。聚苯乙烯[CHCH]2n聚苯乙烯(Polystyrene，簡稱PS、GPS,俗稱通用級PS或硬膠)是一種無定形透明的熱塑性塑料先由苯與乙烯加成得乙苯，再由乙苯制得苯乙烯，最后由苯乙烯加聚反應(yīng)得聚苯乙烯?；瘜W(xué)結(jié)構(gòu)式為:聚苯乙烯容易燃燒，火焰為橙黃色，濃黑煙炭束，軟化、起泡，散發(fā)出苯乙烯單體味。PS性能的主要優(yōu)點：.光學(xué)性能好。其透光率達(dá)88%~92%,可用作一般透明或濾光材料器件，如儀表、收錄機上的刻度盤、電盤指示燈、自行車尾燈的透光外罩等。.易于成型加工。因其比熱低、熔融粘度低、塑化能力強、加熱成型快，故模塑周期短。而且成型溫度和分解溫度相距較遠(yuǎn)，可供選擇范圍廣，加之結(jié)晶度低、尺寸穩(wěn)定性好，被認(rèn)為是一種標(biāo)準(zhǔn)的工藝塑料。.著色性能好。PS表面容易上色、印刷和金屬化處理，染色范圍廣，注射成型溫度可以調(diào)低，能適應(yīng)多種耐溫性差的有機顏料的著色，制出色彩鮮艷明快的制品。PS性能的主要缺點：其最大的缺點是性脆易裂。因其抗沖擊強度低，在外力作用下易于產(chǎn)生銀紋屈服而使材料表現(xiàn)為性脆易裂，制件僅能在較低的負(fù)載使用；耐磨性也較差，在稍大的磨擦碰刮作用下很易拉毛。2?耐熱溫度較低。其制品的最高連續(xù)使用溫度僅為60~80°C，不宜制作盛載開水和高熱食品的容器。此外，PS的熱脹系數(shù)大，熱承載力較差，嵌入螺母、螺釘、導(dǎo)柱、墊塊之類金屬元件的塑料制品，往往在嵌接處出現(xiàn)裂紋。成型加工工藝要求較高。雖然PS透明、易于成型，但如果加工工藝不善，將帶來不少問題，例如：.PS制品老化現(xiàn)象較明顯，長時間光照或存放后，會出現(xiàn)混濁和發(fā)黃。.PS對熱的敏感性很大，很易在不良的受熱受壓加工環(huán)境中發(fā)生降解。PS的改性為了改善PS強度較低、不耐熱、性脆易裂的缺點，以PS為基質(zhì)，與不同單體共聚或與共聚體、均聚體共混，可制得多種改性體。例如：高抗沖聚苯乙烯(HIPS)、苯烯腈-苯乙烯共聚體(SAN)等等。HIPS它除了具有聚苯乙烯易于著色、易于加工的優(yōu)點外，還具有較強的韌性和沖擊強度、較大的彈性。SAN具有較高的耐應(yīng)力開裂性以及耐油性、耐熱性和耐化學(xué)腐蝕性。模具設(shè)計：PS的熱脹系數(shù)與金屬相差較大，在PS制品中不宜有金屬嵌件，否則當(dāng)環(huán)境溫度變化時，制品極易出現(xiàn)應(yīng)力開裂現(xiàn)象。2?因PS性脆易裂，故制品的壁厚應(yīng)盡可能均勻，不允許有缺口、尖角存在，厚薄相連處要用較大的圓弧過渡，以避免應(yīng)力集中。為防止制品因脫模不良而開裂或增加內(nèi)應(yīng)力，除了選擇合理的脫模斜度外，還要有較大的有效頂出面積、有良好的頂出同步性。PS對澆口形式無特殊要求，僅要求在澆口和制品連接處用較大的圓弧過度，以免在去澆口時損傷制品。ABS[(CHCH)(CHCH)(CHCH)]2 x 23 23y 2 znCNABS(Acrylonitrile-Butadiene-Styrene)俗稱超不碎膠，是一種高強度改性PS,由丙烯腈、丁二烯和苯乙烯三種組元以一定的比例共聚而成，化學(xué)結(jié)構(gòu)式為：三元結(jié)構(gòu)的ABS兼具各組分的多種固有特性：丙烯腈能使制品有較高的強度和表面硬度，提高耐化學(xué)腐蝕性和耐熱性；丁二烯使聚合物有一定的柔順性，使制件在低溫下具有一定的韌性和彈性、較高的沖擊強度而不易脆折；苯乙烯使分子鏈保持剛性，使材質(zhì)堅硬、帶光澤，保留了良好的電性能和熱流動性，易于加工成型和染色。ABS本色為淺象牙色，不透明，無毒無味，屬于無定形塑料。粘度適中，它的熔體流動性和溫度、壓力都有關(guān)系，其中壓力的影響要大一些。ABS樹脂是一種緩慢燃燒的材料，燃燒時火焰呈黃色，冒黑煙，氣味特殊，在繼續(xù)燃燒時不會熔融滴落。主要優(yōu)點：綜合性能比較好：機械強度高；抗沖擊能力強，低溫時也不會迅速下降；缺口敏感性較好；抗蠕變性好，溫度升高時也不會迅速下降；有一定的表面硬度，抗抓傷；耐磨性好，摩擦系數(shù)低；電氣性能好，受溫度、濕度、頻率變化影響??；耐低溫達(dá)-40°C；耐酸、堿、鹽、油、水；可以用涂漆、印刷、電鍍等方法對制品進行表面裝飾；較小的收縮率，較寬的成型工藝范圍。主要缺點：不耐有機溶劑，會被溶脹，也會被極性溶劑所溶解;耐候性較差，特別是耐紫外線性能不好；耐熱性不夠好。普通ABS的熱變形溫度僅為95C~98C。ABS的改性ABS能與其他許多熱塑性或熱塑性塑料共混，改進這些塑料的加工和使用性能。如將ABS加入PVC中，可提高其沖擊韌性、耐燃性、抗老化和抗寒能力，并改善其加工性能；將ABS與PC共混，可提高抗沖擊強度和耐熱性；以甲基丙烯酸甲酯替代ABS中丙烯腈組分，可制得MBS塑料，即通常所說的透明ABS。綜上所述，ABS是一類較理想的工程塑料，為各行業(yè)所廣為采用。航空、造船、機械、電氣、紡織、汽車、建筑等制造業(yè)都將ABS作為首選非金屬材料。模具設(shè)計1.排氣為防止在充模過程中出現(xiàn)排氣不良、灼傷、熔接縫等缺陷，要求開設(shè)深度不大于0.04mm的排氣槽。聚碳酸酯CH3C]nnCH3聚碳酸酯（Polycarbonate,簡稱PC,俗稱防彈玻璃膠）常指雙酚A型聚碳酸酯，它性能優(yōu)越，不僅透明度高，沖擊韌性極好，而且耐蠕變，使用溫度范圍寬，電絕緣性、耐候性優(yōu)良，無毒。是一種有優(yōu)異工程性能的較理想的塑料，外觀透明微黃，剛硬而帶韌性。其分子式為：聚碳酸酯的結(jié)晶傾向較小，沒有準(zhǔn)確的熔點，一般認(rèn)為屬于無定形塑料。流動性較差，冷卻速度較快，制品易產(chǎn)生應(yīng)力集中。它的流變性很接近牛頓型流體，它的粘度主要受溫度影響。聚碳酸酯可緩慢燃燒，火焰呈黃色，黑煙炭束，熔融起泡，散發(fā)出特殊花果臭，離火后慢慢熄滅。PC優(yōu)良的綜合性能主要表現(xiàn)在以下幾個方面：1?機械強度高。其沖擊強度是熱塑性塑料中最高的一種，比鋁、鋅還高，號稱“塑料金屬”；彈性模量高，受溫度影響極??；抗蠕變性能突出，即使在較高溫度、較長時間下蠕變量也十分小，優(yōu)于P0M；其他如韌性、抗彎強度、拉伸強度等亦優(yōu)于PA及其他一般塑料。PC的低溫機械強度是十分可貴的。所以在較寬的溫度范圍內(nèi)，低溫抗沖擊能力較強，耐寒性好,脆化溫度低達(dá)-ioo°c；熱性耐氣候性優(yōu)良。PC的耐熱性比一般塑料都高，熱變形溫度為135~143°C,長期工作溫度達(dá)120~130C，是一種耐熱環(huán)境的常選塑料。其耐候性也很好，有人做過實驗，將PC制件置于氣溫變化大的室外，任由日曬雨淋，三年后僅僅是色澤稍黃，性能仍保持不變；成型精度高，尺寸穩(wěn)定好。成型收縮率基本固定在0.5%~0.7%，流動方向與垂直方向的收縮基本一致。在很寬的使用溫度范圍內(nèi)尺寸可靠性高。PC的主要缺點：1.是自身流動性差，即使在較高的成型溫度下，流動亦相對緩慢；是在成型溫度下對水分極其敏感，微量的水分即會引起水解，使制件變色、起泡、破裂；抗疲勞性、耐磨性較差、缺口效應(yīng)敏感。PC優(yōu)良的綜合性能使其在機械、儀器儀表、汽車、電器、紡織、化工、食品等領(lǐng)域都占據(jù)著重要地位。制成品有：食品包裝、餐飲器具、安全帽、泵葉、外科手術(shù)器械、醫(yī)療器械、高級絕緣材料、齒輪、車燈燈罩、高溫透鏡、窺視孔鏡、電器連接件和鐳射唱片、鐳射影碟等。模具設(shè)計PC制品與模具設(shè)計除了遵循一般塑料制品與模具的設(shè)計原則外,還需注意以下幾點：由于PC的流動性較差，所以，流道系統(tǒng)和澆口的尺寸都應(yīng)較大，優(yōu)先采用側(cè)澆口、扇形澆口、護耳式澆口；由于熔體粘度較大，要求型腔的材料比較耐磨；熔體的凝固速度較快，流動的不平衡對充填過程影響明顯。為了防止滯流，型腔應(yīng)該獲得較好的充填秩序；PC對缺口較為敏感，要求制品壁厚均勻一致，盡可能避免銳角、缺口的存在，轉(zhuǎn)角處要用圓弧過渡，圓弧半徑不小于1