烯烴類(lèi)熱塑性彈性體注塑工藝條件研究

楊 軍 程利 周嬌紅 景曉陽(yáng)

（湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410208）

熱塑性彈性體（TPE）作為一種用于替代傳統(tǒng)橡膠和部分塑料的極具發(fā)展前景的新型材料，近年來(lái)應(yīng)用日益廣泛。TPE既具有普通橡膠的彈性，又可象熱塑性塑料一樣進(jìn)行成型加工，其中注塑成型更是方興未艾。本研究基于常用的烯烴類(lèi)熱塑性彈性體（TPO），探討其注射成型工藝特性和規(guī)律，以期獲得性能及外觀質(zhì)量?jī)?yōu)異的TPE注塑制品。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

SANTOPRENE 8201-55，SANTOPRENE 8211-75，美國(guó)山都平公司。

1.2 主要設(shè)備、儀器

HTF320W1塑料注射成型機(jī)，寧波海天集團(tuán)股份有限公司；

HS-80恒溫恒濕試驗(yàn)箱，上海邁源環(huán)境實(shí)驗(yàn)設(shè)備廠；

SFY-100塑膠水分測(cè)定儀，深圳市冠亞電子科技有限公司；

RVD15真空除濕干燥機(jī)，東莞日進(jìn)鑫塑膠機(jī)械有限公司。

1.3 試樣制備

（1）將 SANTOPRENE 8201-55，SANTOPRENE 8211-75 原料在拆袋后，置于HS-80恒溫恒濕試驗(yàn)箱中，設(shè)置溫度23℃，濕度50%。每組三份試樣，每份10g。

（2）將SANTOPRENE 8211-75及其回收再磨料置于RVD15真空除濕干燥機(jī)，設(shè)置溫度82℃。每組三份試樣，每份10g。

（3）注塑試樣尺寸為 117mm（長(zhǎng)）X 81.3mm（寬），厚度尺寸通過(guò)改變模具活動(dòng)鑲件獲得，分為 0.5mm、1.5mm、2.5mm、3.5mm、4.5mm五個(gè)系列。注塑試樣采用位于窄邊的側(cè)澆口進(jìn)澆，澆口寬度為12.7mm、深度取試樣厚度值的80%。每組五個(gè)試樣。注塑工藝條件：模具溫度25℃，熔體溫度230℃，注射時(shí)間1s，二次壓力取初級(jí)壓力的50%。

1.4 性能測(cè)試

（1）吸濕率利用SFY-100塑膠水分測(cè)定儀測(cè)定，依據(jù)“烘箱法”原理，采用特質(zhì)鹵素加熱源裝置干燥試樣，通過(guò)直接比較試樣干燥前后質(zhì)量的變化取得水分含量值。

（2）成型收縮率按GB/T 15585-1995測(cè)試。其中測(cè)試條件要求在注塑試樣至少放置24h之后再進(jìn)行測(cè)量，以確保試樣完全冷卻及再結(jié)晶。

2 結(jié)果與分析

2.1 存放時(shí)間及干燥時(shí)間對(duì)熱塑性彈性體吸濕率的影響

大多數(shù)熱塑性彈性體具有吸濕性，水分含量過(guò)高會(huì)引起熔體質(zhì)素惡化，出現(xiàn)縮孔、疏松、表面粗糙、外觀不均勻及銀紋等缺陷。在生產(chǎn)過(guò)程中，需要注意各個(gè)環(huán)節(jié)的防潮措施，尤其是生產(chǎn)前后間歇的儲(chǔ)存。圖1為在溫度23℃，濕度50%環(huán)境下，熱塑性彈性體隨著存放時(shí)間的增加，其吸濕率變化情況?？梢?jiàn)1.5～2個(gè)小時(shí)后水分含量即已超標(biāo)，前6個(gè)小時(shí)吸濕率增加較快，8小時(shí)之后趨于飽和穩(wěn)定。因此熱塑性彈性體應(yīng)該采用密封良好、內(nèi)置隔濕層的包裝袋，存放于清涼干爽的環(huán)境之中，而且在臨近加工前才能打開(kāi)包裝，加工結(jié)束后須立即將剩余原料放回包裝袋或儲(chǔ)存于清潔、密封容器中。

圖1 熱塑性彈性體吸濕率與存放時(shí)間關(guān)系

對(duì)于存放時(shí)間較長(zhǎng)的熱塑性彈性體原料，建議采用帶干燥劑的干燥系統(tǒng)或真空干燥箱進(jìn)行干燥，干燥溫度75℃～90℃，避免采用普通熱空氣干燥系統(tǒng)，這種系統(tǒng)干燥不均勻，且耗時(shí)較多，不利于濕氣去除。圖2是熱塑性彈性體采用真空除濕干燥機(jī)在82℃干燥時(shí)隨著時(shí)間的增加，吸濕率變化情況?？芍稍镄铝闲枰?～4小時(shí)，干燥回收再磨料需要4～5小時(shí)。注射機(jī)最好采用干燥室料斗，可連續(xù)地提供干燥的熱料，防止已經(jīng)干燥的原料在生產(chǎn)間歇中再次吸濕而喪失干燥效果。熱塑性彈性體吸濕率不應(yīng)超過(guò)0.08%，以免濕氣造成制品內(nèi)部縮孔或表面白斑及粗糙。

圖2 熱塑性彈性體吸濕率與干燥時(shí)間關(guān)系

2.2 制品厚度對(duì)熱塑性彈性體成型收縮的影響

成型收縮是影響制品質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一，成型收縮率隨成型材料、制品結(jié)構(gòu)、工藝條件和模具結(jié)構(gòu)等諸多因素變化而變化。熱塑性彈性體成型收縮率值偏高，而且當(dāng)制品形狀、厚度等改變時(shí)，波動(dòng)范圍較大。圖3是熱塑性彈性體成型收縮率隨制品厚度不同而變化的情況。由圖可見(jiàn)其相應(yīng)關(guān)系是非線性的，曲線中部有個(gè)低谷，在制品厚度為2.5～4.0mm時(shí)，具有較小的成型收縮率，在其余區(qū)域無(wú)論制品厚度加大或縮小，其成型收縮率都呈增大趨勢(shì)，且該變化趨勢(shì)逐漸減緩。曲線顯示沿平行流動(dòng)方向的成型收縮率要大于垂直流動(dòng)方向的成型收縮率。厚壁制品具有較高的成型收縮率，符合塑膠材料的普遍規(guī)律，而薄壁制品仍然具有較高的成型收縮率，是由于熱塑性彈性體冷卻速度快導(dǎo)致成型時(shí)不能完全保壓以及熱塑性彈性體的高取向性形成的。因此對(duì)于厚壁制品，可采取降低模具溫度的方法來(lái)降低成型收縮率，而且隨制品厚度增加，模具溫度降幅相應(yīng)加大；但對(duì)于薄壁制品，則不能采取這種方法，模具溫度適當(dāng)提高，反而有利于降低成型收縮率。一般情況下，提高熔體溫度、增加注射壓力及保壓壓力、延長(zhǎng)成型周期、加大澆口尺寸、保證模具排氣順暢等措施，均可用于對(duì)成型收縮率的控制。

圖3 制品厚度對(duì)熱塑性彈性體成型收縮的影響

2.3 熱塑性彈性體注射成型工藝特點(diǎn)分析

（1）溫度的設(shè)置

熱塑性彈性體注塑加工區(qū)域?qū)拸V，熔體溫度范圍180～230℃，各項(xiàng)溫度設(shè)置如表1所示，具體設(shè)定還需參照制品厚度及模具結(jié)構(gòu)等情況。

表1 熱塑性彈性體注塑溫度設(shè)置

（2）充填和保壓設(shè)置

熱塑性彈性體冷卻速率較大，而且流動(dòng)性具有高度的剪切敏感性，因此宜采取高壓快速注射，有效充模壓力需40～70MP，注射速度應(yīng)盡可能快，以利于熔體流動(dòng)充填，并使制品保持良好的表面質(zhì)量。注射啟動(dòng)時(shí)螺桿轉(zhuǎn)速為75～150rpm，速度取注射機(jī)最大值，增壓壓力逐漸加大到注射機(jī)最大注射壓力的80%～90%，直到完成滿注。為避免產(chǎn)生溢料飛邊，通常要求注射機(jī)具有300～500kg/cm2的鎖模力。

完成充填后應(yīng)立即進(jìn)行保壓，保壓壓力取3.5～14MP，保壓時(shí)間根據(jù)澆口凝固時(shí)間確定。保壓不足會(huì)導(dǎo)致熔體與模具型面接觸不良，嚴(yán)重影響冷卻效果，增加成型收縮，甚至出現(xiàn)縮孔、凹陷及各種外觀和性能缺陷；保壓過(guò)度則會(huì)造成制品性能降低，尤其是澆口附近的力學(xué)性能惡化，同時(shí)會(huì)加大原料消耗，提高生產(chǎn)成本。為達(dá)到良好的保壓效果，通常在完成一個(gè)注射周期后，可在注射機(jī)螺桿前端保留3～6mm墊料。而且要注意壓力的切換操作，充填結(jié)束后，保壓壓力應(yīng)由低漸高，當(dāng)冷凝層達(dá)到一定厚度時(shí)，再保持較高的保壓壓力，這樣可獲得既無(wú)凹陷又無(wú)飛邊的效果，尤其適用于厚壁制品。

高壓快速注射容易形成模具困氣問(wèn)題，造成低強(qiáng)度熔接痕或燒焦現(xiàn)象。一方面要優(yōu)化模具的排氣性能，另一方面要適當(dāng)調(diào)整注射充填參數(shù)，可將注射時(shí)間逐漸延長(zhǎng)，同時(shí)相應(yīng)降低注射壓力和速度，直至缺陷消除。當(dāng)然在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，往往還需要結(jié)合對(duì)熔體溫度、模具溫度的調(diào)整，才能最終解決問(wèn)題。

（3）冷卻時(shí)間設(shè)置

充填保壓結(jié)束后，模具開(kāi)始冷卻，以使注射制品在脫模時(shí)具有足夠的強(qiáng)度和剛度，避免開(kāi)裂變形，保證外觀和精度質(zhì)量，因此充足的冷卻時(shí)間是必要的。但是盡量縮短冷卻時(shí)間，又是減少注射成型周期，降低生產(chǎn)成本的主要途徑，實(shí)際生產(chǎn)中總希望能找到一個(gè)最佳臨界點(diǎn)，這需要進(jìn)行耐心的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試獲得。所謂冷卻時(shí)間的設(shè)置，其實(shí)就是預(yù)先估測(cè)。影響冷卻時(shí)間的因素很多，如塑料種類(lèi)、制品厚度、熔體溫度、模具溫度等。對(duì)于熱塑性彈性體，當(dāng)熔體溫度、模具溫度等確定后，最主要的影響因素就是制品厚度了，因此通常根據(jù)制品厚度來(lái)估測(cè)冷卻時(shí)間。當(dāng)采用雙側(cè)冷卻時(shí)，每2.5mm壁厚所需的冷卻時(shí)間大約是10到15秒；當(dāng)采用單側(cè)冷卻時(shí)，每2.5mm壁厚所需的冷卻時(shí)間大約是15到25秒。也可按下式進(jìn)行冷卻時(shí)間估算：T=δ2 xC。式中T為冷卻時(shí)間（s），δ為制品或流道最大厚度（cm），C為熱塑性彈性體供應(yīng)商提供的冷卻常數(shù)，如表2所示。

表2 熱塑性彈性體冷卻常數(shù)

3 結(jié)論

（1）大多數(shù)熱塑性彈性體具有吸濕性，當(dāng)其吸濕率超過(guò)0.08%時(shí)，會(huì)形成制品內(nèi)部縮孔或表面白斑及粗糙等缺陷。在溫度23℃，濕度50%環(huán)境下存放時(shí)，1.5～2個(gè)小時(shí)后水分含量就會(huì)超標(biāo)，而且前6個(gè)小時(shí)吸濕率增加較快，8小時(shí)之后趨于飽和穩(wěn)定。

（2）對(duì)于熱塑性彈性體原料，建議采用帶干燥劑的干燥系統(tǒng)或真空干燥箱進(jìn)行干燥，干燥溫度75℃～90℃。采用真空除濕干燥機(jī)在82℃干燥時(shí)，新料需要3～4小時(shí)，回收再磨料需要4～5小時(shí)。

（3）熱塑性彈性體成型收縮率隨制品厚度不同而變化，其相應(yīng)關(guān)系是非線性的。在制品厚度為2.5～4.0mm時(shí)，具有較小的成型收縮率，在此范圍之外無(wú)論制品厚度加大或縮小，其成型收縮率都呈增大趨勢(shì)，且該變化趨勢(shì)逐漸減緩。沿平行流動(dòng)方向的成型收縮率要大于垂直流動(dòng)方向的成型收縮率。

（4）熱塑性彈性體熔體溫度范圍180～230℃，宜采取高壓快速注射，有效充模壓力需40～70MP，保壓壓力取3.5～14MP，通常根據(jù)制品厚度來(lái)估測(cè)冷卻時(shí)間。

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