注塑工藝 04-01 深入塑料結構_rec

如果你修過我們的基礎射出成型課程，你就具備了機器控制的扎實基礎。 我們將在這門高級注塑成型課程中運用這些知識。 注塑成型的塑膠零件具有獨特的結構。 在某些方面，它們可以與膠合板相媲美。 成型過程會在塑膠中產生具有不同性質的層次。 這些塑膠層通常看不見，但 nevertheless，它們確實存在。 模塑機可以通過改變模塑條件來改變內部結構。 來自同一模具的塑膠零件性能可波動達10%。 有時甚至僅透過改變成型條件，就能實現更佳效果。 在這門成型課程中，我們將教您如何理解並控制塑膠零件的內部結構， 以便塑造出一致且高品質的零件。 我們開始吧。 所有塑膠都是透過將短分子結合起來，形成長分子而製成的。 這個過程稱為聚合。 結果產生了一條長而細的分子，形狀很像一根細長的義大利麵，但卻非常微小。 它們的實際長度很少超過一萬分之一厘米，約為一萬分之一英寸。 我們用波浪線來表示聚合物分子，以顯示其形狀， 但它們的实际尺寸比這些線條小了數千倍。 塑料有兩種基本類別，分別是熱固性塑料和熱塑性塑料。 如果塑料是熱固性塑料，加熱聚合物分子會使其軟化， 因此塑膠可以被塑造成各種形狀。 接著，分子之間形成交聯，或相互連接。 這是塑膠變成固體的方式。 熱固性塑膠只能一次成型為特定形狀。 它們無法重新熔化。 熱塑性塑料是注塑成型中最常使用的類型。 分子之間不會相互結合。 熱塑性塑料被加熱，使其能夠流動，然後成型為所需形狀。 例如這種注塑吹塑成型的瓶子。 熱塑性塑料可以重新熔化，以形成另一種形狀。 例如這款齒輪。 在熱塑性塑料家族中， 聚合物分子可以有三種常見的排列方式或結構。 晶體結構，其中分子相互摺疊排列 無定形結構，其中分子呈隨機排列， 以及分子彼此平行排列的取向結構。 這些結構各自具有獨特的特徵，會影響最終成品的品質。 在任何成型零件中，這些結構的數量會影響零件的尺寸。 強度、抗衝擊性、光學特性及其他特性。 所有射出成型零件至少會包含兩種，有時甚至會包含全部三種聚合物結構。 如果一種材料，無論是哪種材料，而不僅僅是塑膠，具有結晶結構， 這意味著物質從液態變為固態。 或從固態轉變為液態，於特定溫度，或極窄的溫度範圍內。 對於水來說，凝固點與熔點是一個精確的數值，即0°C或32°F。 冰是水的晶體形式。 當水結冰時，每個水分子都會成為一種稱為晶體的堅固結構的一部分。 這些線條顯示了晶體的形狀。 水變成固體。 如果水的溫度超過其熔點，其晶體結構就會熔化。 水分子不再被牢牢固定在原位，可以自由移动。 許多種聚合物分子會形成晶體。 聚乙烯、聚丙烯、尼龍、縮醛樹脂、聚苯硫醚 聚對苯二甲酸乙二酯（PET）等都是常見的結晶性塑膠。 當這些塑料在料筒中受熱時，晶體會熔化，塑料便變成液體。 模具填滿後，隨著塑膠冷卻，晶體便重新形成。 但它們可以以不同的量和尺寸重新形成，這將影響成型零件的特性。 由長分子製成的聚合物晶體，必然與由短分子（如形成冰的水）所形成的晶體大不相同。 當聚合物分子冷卻至其凝固溫度時，分子會一個接一個地相互摺疊。 這使得分子的排列比隨機排列時更加緊密。 為什麼有些塑膠具有結晶性，而有些則沒有？ 這是一個聚乙烯分子。 聚乙烯在其主鏈上具有碳原子，側鏈上則有小型的氫原子。 聚乙烯分子結構非常流線型，冷卻時能緊密排列形成晶體。 像苯環和聚苯乙烯這樣的大型側基會使鏈之間的距離過大，無法形成晶體。 你知道如何快速判斷一種塑膠是否為結晶性塑膠嗎？ 請查閱其中一本參考書，確認其模具收縮係數。 如果收縮率超過1%，也就是每英寸收縮千分之十英吋，或每公分收縮千分之十公分，則表示此塑膠具有顯著的結晶結構。 結晶性塑料的收縮率遠大於非晶性塑料，因為結晶結構中的分子排列更為緊密。 模具中的冷卻速率會影響塑膠零件的結晶度。 冷卻速率必須足夠緩慢，以確保聚合物分子有足夠時間形成晶體。 此圖顯示了模具溫度，或更精確地說，模具中冷卻速率，如何影響結晶結構的形成量。 陰影區域代表晶體能夠形成的溫度範圍。 從給定的熔融溫度開始，緩慢冷卻（也就是較高的模具溫度），會讓塑膠在結晶形成範圍內停留更長的時間。 較慢的冷卻過程允許形成更多的晶體結構，晶體也會長得更大。 快速冷卻，模具溫度較低，可縮短塑料處於結晶形成區的時間。 /module/10000面包/10000-10000-10000-10000-10000-10000-10000-10000-10000-10000-10000-10000-10000-10000-10000-10000-10000-10000-10000-10000-10000-10000-10000-10000-10000-10000-10000-10000-10000-10000-10000-10000-10000-10000-10000-10000-10000-10000-10000-10000-10000-10000-10000-10000-10000-10000-10000-10000-10000-10000-10000-10000-10000-10000-10000-10000-10000-10000-10000-10000-10000-10000-10000-10000-10000-10000-10000-10000-10000-10000-10000-10000-10000-10000-10000-10000-10000-10000-10000-10000-10000-10000-10000-10000-10000-10000-10000-10000-10000-10000-10000-10000-10000-10000-10000-10000-10000-10000-10000-10000-10000-10000-10000-10000-10000-10000-10000-10000-10000-10000-10000-10000-10000-10(reference) 較高的模具溫度會導致更高的結晶度以及更大的晶體。 較低的模具溫度會導致結晶量減少以及晶體變小。 對模具製造者來說，這件事的重要性何在？ 更高的結晶度會導致更大的零件收縮。 如果您的零件收缩過多，請嘗試降低模具溫度，以加快冷卻速度。 結晶度的高低也會影響零件的抗衝擊性。 大晶粒會產生比小晶粒更脆的零件。 如果零件太脆，請在模具中加快冷卻速度。 以下是聚丙烯聚合物晶體的顯微鏡視圖。 這些類似射線的形狀由數百萬個單獨的晶體組成，形成所謂的球晶。 小型球粒靠近外壁，因為那裡冷卻速度較快。 大的球粒體在冷卻最慢的地方內部生長。 晶體將會在稱為成核劑的微小顆粒周圍開始形成。 另一種提升結晶度的方法是，由塑膠供應商在塑膠原料中添加成核劑。 成核劑會增大晶體生長的包絡尺寸。 會開始形成更多的晶體，因此每個晶體會更小，而結晶度的百分比則會增加。 使用成核劑的優勢在於晶體含量更多且晶體更小。 成型零件將具有更佳的光學清晰度、更高的抗衝擊強度以及更一致的尺寸。 有時模塑工程師加入的著色劑或其他添加劑會起到成核劑的作用，進而影響零件的尺寸。 有一類半結晶性塑膠稱為液晶聚合物，簡稱LCP。 這些塑料即使處於液態，其中部分分子仍以束狀排列，具有類似晶體的特性。 因此，這個名稱被稱為液晶。 液態晶體的束狀結構位於無定向的塑料分子之間。 當液晶聚合物流動時，液晶分子會容易排列定向，導致黏度大幅下降。 LCPs 的獨特性質在於其剛性、強度以及低流動黏度。 它們的行為如同其他結晶性塑膠，只是成型後的零件收縮率極低。 許多常見的塑膠並沒有晶體結構。 分子如我們先前所示，處於隨機排列的狀態。 它們稱為無定形塑膠。 包括亞克力、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚碩酮、ABS 及其他多種材料。 這些塑膠的主鏈上具有較大的側基，使得聚合物主鏈無法靠得足夠近以形成晶體。 無定形塑料具有三個與晶體型塑料截然不同的重要特性。 首先，它們沒有特定的熔點。 當你加熱非晶態塑料時，它會變得越來越柔軟，就像黃油一樣。 其次，這種材料的收縮率遠低於結晶性塑膠。 當在注塑模具中冷卻時，非晶態塑料的收縮率通常在0.4%至1%之間。 結晶型塑膠的收縮率範圍為1%至2.5%。 結晶性塑料的收縮率通常為非晶性塑料的兩到三倍。 第三個重要的差異在於，非晶態塑料達到成型溫度所需的熱量少得多， 通常僅需晶體塑料所需熱量的50%至70%。 對塑膠成型機操作者而言，這表示一種適用於無定形塑料的通用螺桿，可能無法提供足夠的摩擦熱，以在所需的生產速率下完全熔化結晶性塑料。 模塑品中可能會發現部分熔化的粒料。 或者，如果閘門太小，部分熔化的顆粒可能會堵塞閘門。 通用螺絲經常用於結晶性塑膠上。 但如果需要高熔融塑料的产出，則可能需要使用專為結晶性塑料設計的螺桿。 我們所稱的結晶性塑膠，實際上在晶體之間仍具有部分非晶結構。 因此，這些塑膠更準確的名稱是半結晶性塑膠。 除了這裡所見的摺疊鏈結構外，我們也可以將聚合物晶體表示為分子束，如圖所示，以顯示分子必須如何相互鄰接才能形成晶體。 束之間的空間充滿了未形成晶體的分子。 因此，這些區域是無定形的。 從現在起，我們將使用「半晶態」這個名稱來描述任何具有非晶態和晶態結構的塑料。 模塑零件中的晶體或非晶結構是一種主要取決於聚合物分子形狀的性質。 現在，我們將描述一種取決於加工條件的重要成型零件特性，這正是模具製造者可以控制的。 取向是由內部分子流動速度比外部分子快所引起的分子排列。 流速差迫使外層分子產生取向，亦即沿著流動方向排列。 如果這種對齊狀態保留在成型零件中，會導致零件具有方向性特性。 這稱為各向異性。 分子的取向導致成型零件在流動方向與垂直方向的強度和收縮率不同。 當存在取向時，塑膠零件在分子之間更容易斷裂。 塑料的取向能力取決於分子的剛性程度。 像聚乙烯這樣極其柔韌的分子，很容易透過流動而被拉直或取向。 你可以看到聚碳酸酯具有非常堅固的結構。 它很難被拉直，因此流動無法在這種塑料中造成顯著的分子取向。 此表格顯示幾種常見塑膠類型的取向相對能力。 稱為幂律數的特性，是衡量塑性材料取向相對能力的指標。 數值越低，表示傾向於定向的傾向越高。 例如，聚丙烯和聚苯乙烯可藉由流動輕易地取向。 聚碩和聚碳酸酯是取向程度最低的塑料之一。 這個幂律數還顯示了塑性材料的一個重要流變特性，我們將在後續課程中進行討論。 分子取向是由流動所引起的，但會在冷卻過程中被鎖定並保留在成型零件中。 如果塑膠零件冷卻得非常緩慢，取向的分子就會恢復到未取向的形狀。 如果我們正在成型結晶性塑料，你知道冷卻速率也會影響結晶度的高低。 由於結晶性塑料比非晶性塑料含有更多熱量，因此需要更多的冷卻。 這可能意味著需要更多的冷卻液管路以及更佳的配置位置。 若使用熱流道模具，由於結晶性塑料具有明確的熔點，因此在澆口區域的溫度控制尤為重要。 閘門中的塑膠若溫度過高會滴漏，若溫度過低則在循環之間會凍結。 在本課中，我們描述了熱塑性分子在任何成型零件中可能存在的三種排列方式，以及每種排列方式的特性。 這三種基本的分子排列構成了所有熱塑性塑膠成型零件的結構。 每種材料的數量取決於塑膠類型、添加劑，以及最重要的是成型條件。