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寻找注塑材料降解的根源

时间: 2011-07-15 02:16 来源: 作者: 点击:

注塑过程中出现的材料降解问题一直在困扰着模塑商们,如果按照注塑过程的各个环节有系统地、循序渐进地进行材料的MFR(熔体流动速率)测试和分析,就不难找出材料降解的根源。

过去几年里,材料供应商和模塑商们一直在讨论聚合物的分子量对其性能的重要性这方面的问题,并获得了适用于大多数材料的平均分子量和MFR之间的关系曲线。对于大多数材料来说,比较制品的MFR与相应原材料的MFR,可以准确地判断出注塑加工对聚合物的影响。

然而,虽然MFR发生的较大变化表明材料确实出现了降解问题,但是却并不能因此而找出引起该问题的根源,它只能说明原材料在从包装袋或包装箱到形成制品之间的某道工序上发生了一些人们不期望出现的变化。

为了找出材料降解的根源,可以将有关MFR测试与材料加工和原材料的知识系统地结合起来。根据以往的经验,在塑料的注塑加工过程中有几个步骤会造成树脂降解,测量材料经过这些步骤时的MFR也许可以找出问题的根源。

材料的干燥

第一个步骤是加工前要对材料进行干燥。如果材料不需要干燥,就可以不考虑这个步骤,反之则必须考虑干燥对聚合物的影响。

现在有许多业内人士提到材料的“过度干燥”问题,这是一个没有科学根据的术语。因为严格地讲,“过度干燥”意味着更加彻底地去除了材料所含有的水分,那种认为把水分降到极低的水平会对材料造成破坏的观点是没有充分证据的。相反,在成型过程中却有充分的数据证明当不把材料的水分降至极低时,材料的性能会遭到破坏。

不过,若在高温下对某些材料进行长时间的干燥,确实可能使它发生氧化,造成降解。尤其是像尼龙、聚酯、聚碳酸酯这些对温度敏感性较高的材料,其中又以尼龙的温度敏感性为最高。如果加工商怀疑某种材料是因为过度干燥而被损坏的话,那么比较一下颗粒料在干燥前后的MFR有什么差别,就能够基本知道材料的损坏是否是由干燥因素引起的。

熔体温度和停留时间

下一个步骤是把聚合物材料加入到经加热的注塑机机筒中。聚合物材料在机筒里会发生很多变化,此时影响材料性能的最主要的因素是时间和温度,而且二者息息相关,必须一并考虑。某种塑料熔体处在某一温度时可能适合5min的停留时间,但是若把停留时间延长到10min,则可能会对该材料造成灾难性的损坏。因此,当某种材料被用于具有不同容积机筒的两台注塑机时,必须考虑时间和温度的匹配。

影响熔体加工的另一个因素是水分。当树脂没有进行干燥或者干燥不完善时,塑料熔体会与水发生水解反应而导致降解。因此,许多材料必须在经过干燥后才能进行成型生产,特别是聚酯、聚碳酸酯、尼龙、聚氨酯这些材料或者它们的混合物,当然也并非是所有的材料在湿态模塑时都会降解。

值得注意的是,水分的这种影响绝对不是孤立的,它与温度和时间这两个因素都有关联。如果材料在加热的机筒中停留的时间越长,那么温度和水分二者破坏材料性能的机率就越大。要想知道以上三方面因素对材料的综合影响,则可以通过测量材料的MFR而获得。如果按照材料供应商的推荐工式参数成型的制品的MFR值增加过多,那么必须对熔体在机筒内的停留时间和温度以及原料所含的水分重新进行测量,以获得最佳的控制值。
对熔体温度的测量要注意两点,一是一定要使用带有预热探头的精密测温计,二是机筒里必须要有充足的物料,以防止测量过程中的探头发生冷却。对于停留时间,我们往往喜欢用计算值(根据注塑量和注塑能力算出)表示而不进行实际测量。但是通过把计算值和实测值两者进行比较后发现,实测值一般是计算值的1.5~3倍。它们之所以有这么大的差别,其原因在于计算值没有考虑两节螺块之间的物料,因此必须对停留时间进行实际测量。其具体的测量方法为:先将料斗倾斜一边而使料斗内的物料滑下去直到可以看见螺杆为止,然后再将几粒不同颜色的颗粒料投入料斗内,在统计出制品出现新颜色前的注塑次数后,再用这个数乘以平均生产周期,此值即为停留时间值。

模具和流道

最后一个步骤是材料被注入模具并在模具中冷却。在此过程中,模具的设计是影响材料性能的最主要因素,但是此因素往往被人们所忽视,这是因为人们始终认为高聚物在离开喷嘴之后有损于材料性能的因素已不存在了。然而,因为物料在模具中的流动路线受到限制,而且它已经开始冷却,此时会产生较大的剪切应力,特别是在浇口处,材料承受着最高的剪切应力,因此最好分别对流道和制品进行试验。

在对流道的试验中,需要特别关注热流道系统。热流道系统就像模塑过程中的一个“黑匣子”。尽管人们可以读取不同区段的控制器上的温度值,但是不能确定系统在各个点上的熔体的温度。一个设计优良的热流道系统应能够保证在各区段内的温度分布相对均匀,在材料的停留时间、压力降和剪切应力之间应具有良好的平衡。但是令人遗憾的是,真正适合原材料设计的热流道系统少之又少。另外还必须注意的是,热流道系统的温度参数只是代表了注塑机机筒内的工艺条件,而模具中的流道和浇口内的熔体温度则总是趋向于机筒控制器上的温度。

找出降解的根源

该制品的成型选用了特定的热流道系统和模具,即把物料先送入一个热流道中,再进入到一个8腔模具中,然后进入4个冷流道。各个冷流道分别向2个模腔注料。由于采用的是快速注料,此时各个流道的树脂的流动差异可以平衡在5%之内。因此为了简化MFR试验,所有流道都被认为是同等的。

表1中的数据表明,物料从颗粒变成制品后的MFR的总增加值为45.6%,这超过了材料供应商的推荐值上限(上限为40%)。如果仅仅测试颗粒和制品的MFR,则很难找到降解的根源,但是通过以上循序渐进的试验就可以发现,物料从次浇口进入模腔时的MFR变化最大。尽管这不是一个普遍规律,但是对于像聚碳酸酯这样容易受到高剪切力破坏而导致降解的物料来说,这种情况的确经常发生。

当检查向各模腔注料的浇口直径时发现,它们的直径只有0.020 in (1 in=25.4mm)。为了降低物料在次浇口到模腔入口处所受的剪切力,人们将浇口直径扩大到了0.035 in,从而使制品的 MFR降到了13.96g/10min,或者说物料从颗粒变成制品后的MFR的总增加值被减至17.6%。因此,通过这种测试MFR的方法,就可以找出在整个注塑过程中究竟是哪个环节对材料性能的破坏最严重,从而可以较快地找到材料降解的根源,而不必在次要问题上浪费时间。

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