聚苯硫醚樹脂注塑成型工藝研究及應(yīng)用

李沃源(浙江新和成股份有限公司，浙江 紹興 312500)

0 引言

聚苯硫醚樹脂(PPS)的推薦長(zhǎng)期工作溫度為220～240 ℃。該材料具有良好的熱穩(wěn)定性，其力學(xué)性能在100 ℃、160 ℃和200 ℃下分別保持原始值的80%和60%左右[1-2]。該材料在室溫下具有優(yōu)異的抗蠕變和抗疲勞性能。該材料還具有優(yōu)良的耐酸、堿、鹽、有機(jī)溶劑和其他介質(zhì)的性能，但氧化性酸和強(qiáng)氧化性介質(zhì)除外，幾乎不溶于170 ℃以下的任何化學(xué)溶劑，特別適用于氫氟酸、鹵代烴和氯離子耐腐蝕的情況。PPS是一種阻燃材料，氧指數(shù)為46～53，優(yōu)于大多數(shù)工程塑料。聚苯硫醚具有高電阻和低介電常數(shù)的電性能，并能在高溫高濕條件下保持良好的電性能。此外，樹脂材料的機(jī)械性能不是很突出，是因?yàn)樗c玻璃纖維、碳纖維、無(wú)機(jī)填料和固體潤(rùn)滑劑具有良好的親和力，改性后效果良好，因此注射成型中使用的顆粒主要由各種纖維和無(wú)機(jī)填料改性和增強(qiáng)。

1 聚苯硫醚成型方法

聚苯硫醚通常采用：注塑、擠塑、模壓、噴涂等方法成型加工。

1.1 注塑成型

PPS采用注塑成型時(shí)其熔融速率通?？刂圃?0～150 g/min(在343 ℃和0.5 MPa下 測(cè) 量)并且大部分所用的碳纖維或填料需增強(qiáng)或化學(xué)改性；對(duì)于注塑成型所用的注塑機(jī)一般選擇螺桿注塑機(jī)，如圖1所示。在進(jìn)行注塑時(shí)要求加熱溫度應(yīng)達(dá)到200～350 ℃，注射壓力應(yīng)達(dá)到50～150 MPa[3]。

圖1 螺桿式注射機(jī)

模具加熱：在低模具溫度(低于90 ℃)下獲得的注塑制品結(jié)晶度較低一般為20%～30%，在較高的模具溫度(120～220 ℃)下，可獲得50%～60%的高結(jié)晶度產(chǎn)品；注塑成型工藝的條件為：料筒體溫度控制在300～350 ℃，注塑壓力控制在65～130 MPa，模具溫度控制在120～200 ℃，保壓時(shí)間控制在30～120 h，成型收縮率約0.25%～0.75%[4]。

1.2 擠塑成型

PPS擠塑成型主要采用排氣式擠塑機(jī)如圖2所示。其工藝為：冷卻槽低于200 ℃；加熱器溫度300～340 ℃，加熱器與冷卻槽連接溫度320～340 ℃，模具溫度300～320 ℃[5]。

圖2 排氣式擠塑機(jī)

1.3 模壓成型

對(duì)于模壓成型首先需將樹脂粉末置于250 ℃以下預(yù)干燥2 h，然后再將樹脂粉末與填料按一定比例混合均勻一起加入模具中經(jīng)過高溫熔融(370 ℃)一段時(shí)間取出并放置于冷壓機(jī)上進(jìn)行冷卻處理；冷卻溫度時(shí)間取決于產(chǎn)品的厚度[6]。

1.4 噴涂成型

PPS噴涂成型通常以靜電粉末為主。在噴涂前需用油清潔金屬工件，噴砂時(shí)再進(jìn)行化學(xué)處理，這樣有利于提高噴料與工件之間的粘著力。此外，噴涂前工件需進(jìn)行熱處理，然后再用噴槍將聚苯硫醚粉靜電粉末均勻噴涂在待處理工件表面，待硬化后涂上涂層[7]。

2 PPS注塑加工成型要點(diǎn)

聚苯硫醚(PPS)是一種新型功能性工程塑料，具有機(jī)械強(qiáng)度高、尺寸穩(wěn)定性好、優(yōu)異的加工性能，同時(shí)該材料本身還具有良好的耐熱性、阻燃性和優(yōu)異的耐化學(xué)腐蝕性等，是一種可在惡劣環(huán)境條件下長(zhǎng)時(shí)間使用的特種工程塑料。純樹脂不適合注射成型，注射成型生產(chǎn)中使用的大多數(shù)塑料都是用于加工的改性塑料。PPS塑料堅(jiān)硬易碎，落地時(shí)發(fā)出金屬聲，很容易引起應(yīng)力裂紋。其熱變形溫度為260 ℃，熔點(diǎn)為280 ℃，根據(jù)上述特點(diǎn)在模具生產(chǎn)和注塑過程中的關(guān)鍵點(diǎn)如下。

(1)注射壓力和注射速度對(duì)熔體、模具填充和產(chǎn)品質(zhì)量有很大影響。一般來(lái)說，注射速度越快，表面涂層越好，但同時(shí)容易產(chǎn)生產(chǎn)品變形和易燃燒等缺陷，可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。平均注射速率可以在沒有經(jīng)驗(yàn)的情況下進(jìn)行。螺桿的反向壓力主要用于穩(wěn)定工件的重量并使密度均勻。由于PPS材料的熔融流動(dòng)性受注射壓力、料筒溫度等因素的影響，在實(shí)際工作中必須根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇。

(2)PPS材料的結(jié)晶導(dǎo)致加工后壁厚和角度變化的零件中的應(yīng)力集中，這將降低零件的強(qiáng)度，會(huì)導(dǎo)致尺寸變化，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)裂紋和其他缺陷，導(dǎo)致零件失效。因此，在設(shè)計(jì)塑料零件時(shí)，應(yīng)避免零件壁厚的過度變化，并處理零件上角的圓角。除了提高零件的強(qiáng)度和硬度外，還有助于消除殘余應(yīng)力并提高熔體處理的流動(dòng)性。

(3)退火處理的目的是提高工件的綜合機(jī)械性能和尺寸穩(wěn)定性，消除內(nèi)部殘余應(yīng)力，獲得更好的均勻顏色外觀。聚苯硫醚材料零件的退火溫度通常為180～240 ℃，退火時(shí)間為0.5～2.0 h。退火溫度高，退火時(shí)間短；退火溫度低，退火時(shí)間長(zhǎng)；較厚制品的退火溫度較高，退火時(shí)間相應(yīng)延長(zhǎng)；對(duì)在低模具溫度下形成的零件，采用較低的退火溫度。一旦工件達(dá)到退火時(shí)間時(shí)，必須隨加熱爐緩慢冷卻，以利于過程中消除內(nèi)部殘余應(yīng)力。

(4)在設(shè)計(jì)模具時(shí)，應(yīng)考慮模具的高溫(加熱溫度應(yīng)高于130 ℃)，模具鋼應(yīng)經(jīng)45～60 ℃(HRC)熱處理硬化以減少玻璃纖維在模具上的磨損。模具必須充分通風(fēng)，并在主通道出口的水端打開排氣槽，以避免充模不足和模具腐蝕。聚苯硫醚成型后制品硬度大，成型收縮率小，故不能采用潛伏型澆口，可采用圓形、梯形或邊部型澆口，可考慮開設(shè)冷料井。模具澆口形式取決于聚苯硫醚制品的形狀。

(5)與其他工程塑料相比成型工藝的條件要求不嚴(yán)格，并且設(shè)置了適當(dāng)?shù)目諝庾⒛z成型溫度值?？刹捎酶咚俑邏撼尚?由于高速和高壓快速填充的高熔點(diǎn)不適合在注塑過程中使用，材料會(huì)與冷模具結(jié)合并快速硬化成纖維流動(dòng)，因此無(wú)法用膠填充或表面異常粗糙)。注射壓力速度還受到注塑機(jī)、模具和產(chǎn)品本身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性的影響，因此可以在試生產(chǎn)后確定。注射時(shí)間和保壓時(shí)間受產(chǎn)品尺寸、過程長(zhǎng)度、澆口模式、注射速度等因素的影響，并通過試產(chǎn)決定。

3 PPS注塑成型工藝

3.1 干燥原材料

由于聚苯硫醚吸水率低，因此在加工前無(wú)法干燥。然而，如果原料長(zhǎng)期放置在高溫高濕的開放環(huán)境中，則必須在150～160 ℃下干燥2～3 h[8]。

3.2 成型溫度

聚苯硫醚成型溫度高，料筒體溫度280～360 ℃。在保證模具填充順暢和產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，料筒外殼的溫度不應(yīng)盡可能高，以防止氧化料筒外殼中橡膠的交聯(lián)甚至硬化[9]。噴嘴溫度應(yīng)單獨(dú)控制，以保持良好的橡膠流動(dòng)，不會(huì)堵塞和流涎。

3.3 注射壓力

注射壓力在50～200 mm之間。為了確保產(chǎn)品的機(jī)械性能和尺寸精度，最好采用高注射力，尤其是對(duì)于具有復(fù)雜形狀的薄壁零件。

3.4 注射速率

注射速率快，產(chǎn)品表面光潔度高，強(qiáng)度也高，但注射速率過快會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品扭曲、燒傷等現(xiàn)象，注射速率控制勻速較佳。

3.5 螺桿轉(zhuǎn)速

螺桿速度可在50～200 r/min之間，較高的速度可用于快速成型。此時(shí)，由于剪切速度高，膠料的溫升很大，必須降低桶體溫度[10]。

3.6 保壓壓力

為了防止內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生，保存壓壓力應(yīng)盡量低，滿足補(bǔ)縮便可，以制品不出現(xiàn)凹陷為準(zhǔn)。

3.7 背壓

一定的背壓促進(jìn)橡膠排氣和混合，以生產(chǎn)質(zhì)量相對(duì)穩(wěn)定的產(chǎn)品。通常背壓在0.5～1.5 MPa范圍內(nèi)。對(duì)于干燥不良的材料，背壓可能更高。

3.8 成型溫度

PPS是一種結(jié)晶聚合物。成型的溫度直接影響產(chǎn)品的結(jié)晶度，從而獲得各種特征和尺寸精度。不同的模具溫度導(dǎo)致結(jié)晶差異很大，例如94 ℃時(shí)為8%，150 ℃時(shí)為48%。模具溫度高，產(chǎn)品結(jié)晶度也高，力學(xué)性能好，但存在收縮大、凹陷、變形、沖擊強(qiáng)度差等問題；反之模具溫度低，產(chǎn)品結(jié)晶度低，收縮小，尺寸再現(xiàn)性好(產(chǎn)品尺寸和模具尺寸的復(fù)制程度)，沖擊強(qiáng)度好，超聲波焊接性改善，但機(jī)械性能較差。因此，成型溫度應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品要求確定。

3.9 成型周期

由于聚苯硫醚是一種結(jié)晶聚合物，需要較高的模具溫度和較長(zhǎng)的冷卻時(shí)間才能獲得良好的機(jī)械性能，以提高結(jié)晶度。對(duì)于厚壁產(chǎn)品，注射時(shí)間、壓力保持時(shí)間和冷卻時(shí)間比薄壁產(chǎn)品長(zhǎng)。為了避免冷卻收縮和內(nèi)應(yīng)力，復(fù)雜零件和薄壁產(chǎn)品的保壓時(shí)間也應(yīng)適當(dāng)延長(zhǎng)。

3.10 產(chǎn)品后處理

為了提高產(chǎn)品的性能，消除內(nèi)部應(yīng)力并保持產(chǎn)品性能和尺寸的穩(wěn)定性，可以將產(chǎn)品放入爐中進(jìn)行退火。條件通常為溫度200～260 ℃，時(shí)間2～4 h。具體條件取決于產(chǎn)品的厚度和用途。厚產(chǎn)品需要很長(zhǎng)時(shí)間，退火使產(chǎn)品再次結(jié)晶，從而結(jié)晶度提高，其性能也提高，但它會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品再次因收縮而改變尺寸，在模具設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮這一因素。

3.11 再生材料的使用

再生材料可以與新材料混合，比例取決于產(chǎn)品的性能要求。如果再生材料的比例較高，則產(chǎn)品的性能通常應(yīng)降低不超過30%，以避免造成產(chǎn)品性能和質(zhì)量的顯著下降。

3.12 停機(jī)處理

由于聚苯硫醚對(duì)金屬有很強(qiáng)的粘附力，加工后附著在桶體和螺桿上的聚苯硫醚材料必須在停機(jī)前清潔，否則冷卻后膠料會(huì)牢固粘附在螺桿上，影響下次或其他材料的生產(chǎn)。通常高密度聚乙烯(HDPE)可用于清潔；為了縮短時(shí)間，可以先用玻璃纖維材料清潔，然后用HDPE材料進(jìn)行清洗，這樣清潔效果更好，但價(jià)格更高。在生產(chǎn)過程中成型需停運(yùn)一段時(shí)間，必須排出整個(gè)筒體的膠料，筒體溫度必須降至270 ℃以下，由于熔融材料在高溫條件下長(zhǎng)時(shí)間加熱會(huì)分解并釋放有毒氣體，因此生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)必須注意通風(fēng)。

4 應(yīng)用范圍

(1)電子和電氣：微型電子元件封裝、連接器、插頭、插座、繞線架、微調(diào)電容器、安全底座，其中PPS在電子電氣上的應(yīng)用如圖3所示。

圖3 PPS在電子電氣上的應(yīng)用

(2)機(jī)械領(lǐng)域：PPS在機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用如圖4所示，主要用于泵殼、泵輪、襯套、齒輪箱、滾珠、萬(wàn)向頭、密封件、法蘭、計(jì)數(shù)器、液位計(jì)和流量計(jì)部件。

圖4 PPS在機(jī)械領(lǐng)域上的應(yīng)用

(3)汽車行業(yè)：溫度傳感器、蒸發(fā)器、氣化器、氣化泵、座椅底座、水箱和水室。

(4)家用電器：電風(fēng)扇、微波爐架、干衣機(jī)、咖啡壺、電飯鍋、熱風(fēng)扇、恒溫器、空調(diào)壓縮機(jī)。

(5)軍事領(lǐng)域：戰(zhàn)斗機(jī)、火箭垂直尾翼、火箭燃燒室、航空航天、飛行連接件、線圈架、儀表板等多個(gè)部件，特別是隱形戰(zhàn)斗機(jī)和轟炸機(jī)的主要部件[11]。還用于核潛艇的耐核部件、槍支、頭盔、軍用帳篷、器皿、宇航員用品、美國(guó)開發(fā)的新型作戰(zhàn)車輛和英國(guó)開發(fā)的塑膠坦克，以及軍艦和潛艇的耐腐蝕和耐磨部件。

(6)纖維和薄膜：聚苯硫醚纖維與其他合成纖維混合，生產(chǎn)高性能工業(yè)濾布和耐輻射航空面料。薄膜是最好的絕緣材料，絕緣等級(jí)達(dá)到F級(jí)?？捎糜谥圃祀娙萜鳌⒆杩闺娮釉?、扁平線圈骨架、導(dǎo)線涂層、蒸發(fā)器隔膜、熱印刷材料、磁盤、電子照相感光帶等。

5 結(jié)語(yǔ)

聚苯硫醚是一種結(jié)晶性樹脂，其特征是模具收縮的沖擊強(qiáng)度增加或降低、長(zhǎng)期熱變形溫度、表面硬度、抗蠕變、耐熱性和耐水性，所有這些都受到結(jié)晶度的影響。因此，成型過程中應(yīng)適當(dāng)控制模具溫度，模具溫度應(yīng)為50～180 ℃，最好在120～160 ℃之間。在模制產(chǎn)品的表面狀況較差，沒有光澤或尺寸穩(wěn)定性較差，使用時(shí)剛性不足，可以考慮將模具溫度提高160 ℃以上。