注塑成型热固性塑料的加工

周明

热固性塑料注塑利用一螺杆或一柱塞把聚合物经一加热过的机筒（120～260°F）以降低粘度，随后注入一加热过的模具中（300—450°F）。一旦物料充满模具，即对其保压。此时产生化学交联，使聚合物变硬。硬的（即固化的）制品趁热即可自模具中顶出，它不能再成型或再熔融。
注塑成型设备有带一用以闭合模具的液压驱动合模装置和一能输送物料的注射装置。多数热固性塑料都是在颗粒态或片状下使用的，可由重力料斗送入螺杆注射装置。当加工聚酯整体模塑料（BMC）时，它有如“面包团”，采用一供料活塞将物料压入螺纹槽中。
, E/ s# H% c; D+ D采用这种工艺方法的加工聚合物是（依其用量大小排列）；酚醛塑料、聚酯整体模塑料、三聚氰胺、环氧树脂、脲醛塑料、乙烯基酯聚合物和邻苯二甲酸二烯丙酯（DAP）。
- P" ^% c# M8 ]8 k2 {( {多数热固性塑料都含有大量的填充剂（达 70%重量份），以降低成本或提高其低收缩性能，增加强度或特殊性能。常用填充剂包括玻璃纤维、矿物纤维、陶土、木纤维和炭黑。这些填充物可能十分有磨损性，并产生高粘度，它们必须为加工设备所克服。
工艺过程
+ s4 L% a2 ?$ w% [" J/ s1 C热塑性塑料和热固性塑料在加热时都将降低粘度。然而，热固性塑料的粘度却随时间和温度而增加，这是因为发生了化学交联反应。这些作用的综合结果是粘度随时间和温度而呈U型曲线。在最低粘度区域完成充填模具的操作这是热固性注射模塑的目的，因为此时物料成型为模具形状所需压力是最低的。这也有助于对聚合物中的纤维损害最低。
注射模塑工艺过程利用一螺杆使物料流经加热过的机筒，机筒则以水或油循环于机筒四周的夹套中。螺杆可按每种材料的不同类型加以设计，稍加压缩以脱除空气并加热物料获得低粘度。大多数热固性物料在此处的流动都是相当好的。
8 y+ {5 e. D6 o( j使物料进入模具的操作是中止螺杆转动和用液压把螺杆高速推向前，使被塑化的低粘度物料压入模具中。这种快速流动要求在0．5秒的时间里填满模腔，压力需达到193MPa。一旦填满膜腔时物料的高速流动产生更大的摩察热以加速化学反应。
模腔一旦被填满，注射压力就将降到保压压力 34.5—68.9MPa。这种保压压力维持在物料上5—10秒，随后卸压，然后开始下一个周期塑化阶段。
这种物料被保持在热的模具中，直至变硬，然后打开合模装置，顶出制品。制品刚顶出时可以是轻度未固化和有点柔软，在取出后1分钟或2分钟内利用制品内部保留的热量完成最终固化。热固性制品的整个生产周期为10—120秒钟，这取决于制品厚度和原材料的类别。
为改进制品的质量和重现性采用了许多不同的和专门的技术。鉴于有一些热固性聚合物在加热时产生气体，在模具被部分充满后往往有一个放气操作。在这一步骤中，模具微微开启，以便让气体逸出，然后迅即关闭，把余下物料再注人。
8 J* m" i  u3 g" l) B注压模塑提供了较高的强度、较好的尺寸控制，并改进了表面状态（外观），这是因为采用了带有伸缩式膜腔与膜芯的模具而得到的，注射过程中模具可以开启 1／8—l／2 in，并随后迅速压紧，似模具关闭那样。
& c8 h2 ~6 P# e& g/ }由玻璃纤维、填充料和聚酯不饱和树脂制成的整体模塑料可以在机器上装上另外的专门设备来完成注射模塑。将一活塞式供料机连接于机筒上，以强制供料，随后可以用两种不同的方式进行作业。一种带有传统的往复式螺杆，螺杆将物料推向前方，同时混炼和加热。这需要螺杆末端有一止过阀。防止物料返流回螺杆螺纹上，因为物料的粘度很低。另外一种方式是利用柱塞或活塞将物料压入模具模腔中，柱塞往往用于含玻璃纤维重量超过 22％的物料，因为这对纤维的损害较小，亦可得到较高的强度。
7 W* d% a, E/ R( z$ Y最早应用于热固性塑料成型的另一种工艺方法是压塑法（compression moulding）和压铸法（transfer Moulding）与它们相比，注塑法（Injection Moulding）的优缺点如下：
注塑法比压塑法优越处是：较快的成型周期（2～3倍）过程自动化；制品变化较少；较低的人工费；高的生产能力。
: |2 K8 h: d* Z& S/ |注塑法相对于压塑法的缺点是：较高的设备和模具投资；压塑法可以得到较高的制品强度和较好的表面光洁度。
压铸法的优点一般介于注塑法和压塑法之间。
& o% u. I4 J$ X) A- ?# Q设备
选择热固性塑料注塑用设备的重要因素包括：合模装置能力和注塑能力；控制系统和机筒温度。
闭合压力以吨计的合模装置，其选择应根据制品和流道的确定投影成型面积。所需吨位可由 1.5～5t／in2，这取决于模塑制品的复杂程度和所用的原材料。设备大小在30～3 000t间，大多数常见设备在100～600t之间。钢板的厚度和机器的刚性至为重要。使注料时尽可能少产生弯曲变形，导致溢料去除困难。
$ @7 j1 k  Q. ^( J% I机器的注射能力，需要根据充填模具所需最大注射压力和模腔与流道体系内物料体积进行分析。所需注射压力由聚酯整体模塑料所需的96.5MPa直到一些特种酚醛塑料所需的207MPa。机器的注射能力往往是以理论体积量来标志（螺杆或活塞注射的面积乘以其冲程）。
& C5 N9 E, ]2 S8 o* i+ s9 d, V一般情况下，设备的能力按该设备所能生产的制品体积的85%确定。当设备以聚苯乙烯生产能力来标志时，在确定制件重量计之生产能力时必须考虑到它和热固性塑料密度上的差异。
目前流行的控制系统是计算机控制，可选择注射速度、合模装置的负荷。工艺操作的程序、侧模芯至移入模具中的运动、顶出装置的工作周期以及机筒和模具温度的控制。一个特定模具和特定原料依次加料的调定和记录的方法是极有价值的。因为在工艺过程中有大量的变量。
, G* L# e' m, E! w6 c6 o7 f4 b# G" y# f机筒温度的控制是通过流经包覆机筒之夹套的热水进行的。模具温度控制最普遍的是利用插入式加热器进行，但也可以采用蒸汽或循环热油进行。
: d& e, y$ E  s7 E" p高度可控的模具温度是获取均匀制品最重要的。
" y( q0 G6 R; E" s% O5 }常用设备的选择包括：整体模塑料所用的供料器、快速更换模具系统、为快速注射用的液压流体储料缸、模具滑动用的连接于液压系统上的侧模芯、机械手式取件系统以及空气喷气装置（去除每成型周期中产生的溢料）。
4 j6 z: R- s. B) d; M由于聚合物的低粘度，它流入分模线上形成一层薄的膜状物，因此，热固性塑料成品常常需修整去除飞边。模塑制品的飞边去除往往是通过将制品进行滚光或将它们通过一台设备，在这台设备中，高速状态的塑料粒敲掉了脆的飞边层。
7 v/ a3 x  _0 l0 P应用
注射模塑法生产出的热固性材料的主要市场包括：
3 I, a$ B7 B7 ?汽车工业：发动机部件、头灯反射镜和制动用制品。
电气工业：断路器、开关壳体和线圈架。
家用电器：面包烘箱板、煮咖啡器的底座、电动机整流子、电动机外壳和垃圾处理机外壳。
$ {; H) P+ i0 ]1 d其它：电动工具壳、灯具外壳、气体流量计和餐具。
3 y) _$ M9 K3 p$ S' T. F文章关键词： 注塑、塑料、加工工艺