塑料制品成型收缩率与影响因素

塑料受热后会发生热膨胀，熔融状态也有明显的体积膨胀，且在模具型腔的制约下可增加物料的致密性。而在成型后冷却时会发生体积收缩，到室温后制品会发生与成型模型尺寸有差别的尺寸收缩。这种尺寸差别在不同塑料品种、不同成型方法及不同成型工艺条件下各不相同。因此，在模具设计时必须要掌握塑料收缩特性，用收缩量设计模型尺寸才能保证收缩后的制品尺寸符合使用的要求。另外，制品在使用或存放过程中因环境温度等多种因素的作用也会再引发尺寸变化，如果事先没有考虑尺寸变化的因素，则对有尺寸精度要求的制品（如有配合精度要求的制品）会导致因尺寸变化而失去使用功能。

总之，塑料成型收缩特性是塑料应用技术中的一项重要参数，人们必须掌握所选塑料的收缩特性，并采取措施适应其特点才能可靠地使用制品和加工合格的制品。

1.塑料热收缩的原因及特点

塑料具有很高的线胀系数，一般为（25～120）×10^-6/℃，比钢、玻璃、陶瓷等材料大好几倍，故在受热时会发生很大的体积膨胀和相应的线性膨胀。通常，加热到T_g后分子间自由间隙增大，致使体积随温度增加而急剧增大，直至T_m以上体积胀大失形呈熔体状态。当冷却时则体积也发生明显的收缩（称为热收缩），并有滞后现象，即需要相当长时间后收缩才能回复到膨胀前的平衡状态。

由于塑料在成型加工中物料具有发生体积膨胀和收缩的特点，所以制品成型脱离模具后其体积和尺寸会发生收缩（比成型模腔小），称为塑料的收缩特性。因收缩量与树脂结构、成型工艺等各因素有关，所以成型后的收缩常称为成型收缩。生产中常用线性方向尺寸收缩来评定、计算和分析收缩情况，所以线性成型收缩可简称为成型收缩。

（1）收缩具有方向性 在热塑性塑料中熔体流动时分子会沿流动方向拉长和取向排列，所以冷却时也会发生方向性收缩，称为取向收缩，且两个方向收缩量有明显的差异，对非增强塑料一般平行方向的收缩大于垂直方向。收缩取向性在热塑性塑料挤出成型、吹塑或吸塑成型、压延成型、拉伸成型及增强塑料制品中更明显。

（2）收缩具有不均匀性 无论什么塑料或制品都存在收缩不匀的现象，不仅不同品种塑料，即使同品种不同批次的品种甚至同一制品的不同部位都可能发生收缩不等不匀的现象。每种塑料各自都有一定的收缩范围，成型后制品收缩量会在该范围内波动导致收缩不匀和不稳定。

2.成型收缩的形式

由于成型收缩有滞后特性，所以从制品出模后在相当长的一段时间内都会发生收缩（尤其对结晶型塑料延续时间较长），所以将其分为若干阶段进行研究。

1）从制品出模后10h以内收缩量较大，尤其在出模后的2～4h时更明显，此时的收缩称为初期收缩，此时制品的尺寸不能用作成品尺寸。

2）制品出模后16～24h或24～48h内收缩趋于稳定，尺寸变化不大，此时的收缩称为成型收缩，此时的尺寸可作成品尺寸的依据。

3）制品出模后在30～60天内还会收缩发生尺寸变化，该阶段的称为后收缩，后收缩收缩量很小，对一般用途制品可略去不计。

4）当制件需进行退火或吸湿等后处理时，制品会发生再收缩，称为后处理收缩，对有尺寸要求的制品，在模具设计时应留补偿余量。

5）当制品与其他材料制品配合使用（如塑料齿轮与金属轴）时，或制品接触溶剂时，则制品会因热膨胀和溶胀而导致尺寸变化，在制品设计时也应考虑补偿余量。

除了上述几种收缩形式外，热塑性塑料与热固性塑料的收缩特点也有所差别。

热固性塑料的热收缩主要由材料热胀冷缩和模壁压缩形成的塑性变形及脱模后的回弹变形综合作用下形成，其热收缩比热塑性塑料小，但平行加压方向收缩比垂直方向小，随压力增大取向性明显增加，且这种收缩引起的尺寸减小是不可逆的。

热塑性塑料的热收缩比热固性塑料大，由于它可压缩性大，所以成型时有塑性变形和回弹变形。物料可压缩性越大，则回弹性也越大，脱模后会发生尺寸回弹。因此，热塑性塑料制品的最终尺寸存在由塑性变形、回弹变形、热收缩三种因素组合而成的可逆性结构收缩。

另外，结晶型塑料的结晶体也会发生体积收缩而直接影响制品的收缩量，结晶度越大，体积收缩越大。由于影响结晶度的因素很多，所以该项收缩量受外界因素影响也较大，但它在整个收缩量中所占的比例要比热膨胀系数导致的结构收缩小得多。

3.成型收缩率

塑料的成型收缩性能用成型收缩率来计量。按成型收缩的定义，成型收缩率的表示式为

成型收缩率可分为线尺寸收缩率和体积收缩率，体积收缩率约为线性收缩率的3倍。生产中主要以线性尺寸成型收缩率为计算值，各资料介绍的成型收缩率也都是线性尺寸收缩率。

各种塑料的成型收缩率都按国家标准测试方法进行测定。本节仅举例介绍几种不同成型工艺的收缩率数据，参见表7-30～表7-38。

由此可见，不同成型工艺的收缩率也不同，收缩率大或范围宽的塑料，一般不宜制作高尺寸精度的制品。

表7-30 部分塑料注射模塑的收缩率

表7-31 收缩范围较大的塑料成型收缩率

①根据塑件形状、塑件精度等影响收缩率的因素，酌情取上限或下限。

表7-32 成型线性收缩量

（续）

注：种类中的百分数均指质量分数。

表7-33棒材挤出成型收缩率（%）

注：定径套内径定型，棒径<100mm。

表7-34 热成型制品的收缩率（%）

表7-35 FRTP的成型收缩量

表7-36 部分热固性塑料的压缩率与成型收缩率

表7-37 几种塑料中空吹塑制品的成型收缩率

表7-38 异型材定型收缩率（%）

以上各表中的成型收缩率数据都是在设定条件下测定的，当与制品成型和使用条件不同时，数据可能与实际收缩率有所出入，所以选用数据时应结合实情酌情修正。对尺寸精度高的制品或无确定的收缩率的数据时，则宜采用试验方法（如作简易模具制作试样）以测定的实际收缩率作为设计依据，且在模具设计成型件时留有尺寸修正余量，以备补偿成型收缩率误差用，避免出现模具报废。

4.影响成型收缩率的因素

影响成型收缩率变动的因素很多，既有增大收缩的因素，也有缩小收缩的因素，在一个制品身上它们互相交错作用，最终形成定型的收缩状态。其中主要的因素将会决定制品收缩的趋向。影响成型收缩率的主要因素概括起来包括树脂品种、填料、制品结构、模具及成型工艺条件等方面。表7-39所列为这些因素对成型收缩的一般影响规律。

表7-39 影响成型收缩率的主要因素

（续）

（1）塑料品种及组分 塑料中的树脂、助剂、增强材料、填料、颜料等各组分的品种和配比都会直接影响成型收缩率的大小及波动范围，其中树脂的收缩特性是决定该塑料的基本收缩特性的最主要因素。

1）树脂因素。通常，热固性树脂成型后呈网状结构，其收缩率及波动范围、取向性、后收缩都比热塑性料小；树脂中相对分子质量小、分布均匀、流动性好、颗粒均匀及含水量少的料收缩率也小；结晶型料的收缩率及波动范围、取向性比无定形料大。

2）增强材料因素。不同品种的增强材料（如玻璃纤维、碳纤维等），规格（长度的尺寸纤径、长径比）、形态（连续纤维、短切纤维、织物、无序排列、定向排列、交错排列等形式）都会直接影响塑料的收缩特性。通常，增强料的收缩率及波动范围都比未增强料小，但取向性大，且随纤维含量的增大，收缩率降低，取向性增大（在结晶料中纤维含量增大，取向性更明显）。另外，在增强料中取向性与未增强料相反，即沿料方向收缩率小，垂直方向收缩率大，且随纤维含量的增大沿料方向收缩下降速度增大，取向性更明显；增强材料的长度、排列方向对收缩特性也有明显的影响，纤维长则收缩小、取向性大；无序排列、织物料或交错排列形式的增强料，则收缩、取向性也小。表7-40及图7-23所示为几种增强塑料的成型收缩特性。

表7-40 纯树脂与加30%玻璃纤维树脂的收缩率

3）填料因素。多数填料都具有降低收缩率的作用，但作用比玻璃纤维小，而取向性也比玻璃纤维小；填料品种对收缩性也有较大的影响，如无机填料比有机填料收缩率小，非纤维状或粉状料可使成型收缩率几乎等向缩小，因此收缩取向性小，而纤维状填料可使流动方向的收缩率大幅度缩小，但垂直方向的缩小作用不及粉状填料，因此纤维填料各向异性较大。不同填料品种的收缩作用见表7-41和表7-42。

图7-23 玻璃纤维含量与成型收缩率的关系

表7-41 不同填料的酚醛塑料成型收缩率

表7-42 填料对酚醛注塑成型收缩方向性的影响

4）颜料因素。颜料在塑料中含量较小，但对塑料收缩特性也有影响，其影响随颜料品种、含量和树脂品种而变化，差异较大。一般情况下，无机颜料，如钛白粉、炭黑、群青等颜料对收缩特性影响较小；有机颜料，如酞菁等可增大收缩率及各向异性，对结晶型塑料颜色还可起成核剂作用，故影响增大，同颜料品种与不同树脂搭配时的收缩特性（见表7-43～表7-46）。

表7-43 有机颜料的浓度对聚丙烯制品成型收缩率的影响

表7-44 颜料对聚乙烯收缩率的影响

表7-45 添加颜料的HDPE的收缩率

注：1.成型条件：颜料添加量为0.2%（质量分数），树脂温度230℃，模具温度40℃。

2.样片尺寸（长×宽×厚）：145mm×80mm×2.5mm。

表7-46 聚甲醛因着色而产生的收缩率变化

①除原色未加颜料外，其余各色的颜料添加量为0.2%。

②制品尺寸（长×宽×厚）：130mm×110mm×3mm。

5）其他。泡沫塑料的收缩率除随树脂品种变化外，还与发泡率有关，发泡倍率大、泡径大，则收缩率也大。

另外，还必须注意，即使同一种塑料不同批次和不同牌号的品种，成型收缩特性也不相同，见表7-47。不同PA品种的成型收缩率差异很大，为此选料时必须要知道用料的成型收缩率是否可用。此外，对不同批次料，常采用将各种批次料均匀混合后使用的方法来降低收缩率的波动。

（2）制品结构 制品的壁厚、尺寸形状、有否嵌件等因素对制品的收缩特性都有较大的影响。

多数塑料制品如果壁过厚或壁厚不匀，则收缩率会呈不等比例增大，热塑性塑料较明显，其中PS、AS、PBT、PET、CA更明显。PBT塑料壁厚从1mm增至2mm时，其成型收缩率从1.3%增至2.1%（注射压力为50MPa），而ABS、PC等塑料的壁厚与收缩率关系较小；HPVC料当壁厚增大时收缩率反而会变小；POM在某壁厚值时收缩率可达最小，大于或小于临界壁厚收缩率都会随壁厚的变化而增大。结晶塑料的壁厚对收缩率的影响比无定形料大，增强塑料的壁厚对收缩率的影响也很显著，且垂直方向更显著。

表7-47 部分尼龙品种的成型收缩率

总之，制品壁厚与收缩率的关系很密切，但不同塑料的影响程度不等，且两者呈不等比例的增长关系，故常需凭经验按壁厚取收缩率值。另外，如果降低制品的表面积和体积之比，则也可降低收缩率和取向应力，但该比值过小会导致制品内外冷却不匀而产生温度应力。几种塑料不同壁厚时的收缩率数据见表7-48。

表7-48 不同塑料制品的壁厚度与成型收缩率的关系

（续）

不同形状的制品或同一制品上不同部位的收缩特性也不同。通常，形状简单制品的收缩率及取向性大；制品成型时熔体受约束的部位收缩小；平行流料的部位收缩大且取向明显。另外，有无嵌件，嵌件数量多少及布置位置都会直接影响料流方向、密度分布及收缩阻力大小、收缩率及方向性。制品的形状也会影响收缩特性，广口瓶的口部直径比底径收缩大；而挤出制品纵向受牵引的影响，其收缩比径向大。成型收缩率与制品形状的一般关系如图7-24所示。

图7-24 成型收缩率与制品形状的一般关系

1—壁断面：薄→厚 2—拐角：锐角→直角 3—冷却时间：短→长 4—浇口：小→大

总之，制品的形状尺寸及结构等因素都能影响收缩特性，因此对精密制品应逐一分析各部位收缩特征并选择适当的成型收缩率值。该工作量较大，易产生误差，故常用试制样品的方法来测定收缩特性。

（3）成型方法及工艺条件 这两方面对收缩特性能的影响既关键又复杂，现分述如下：

1）成型方法。不同成型工艺在加工制品时由于塑料形变特性和条件不同，所以塑料的收缩特性也不同。例如，用吸塑成型的制品收缩比气压制品大；压铸成型制品收缩及取向性都比压塑成型制品大，但用预压片方式加工的压铸制品可降低收缩率及取向性。

2）成型工艺条件。每一种成型工艺各有不同的成型工艺条件，各自的成型工艺条件对制品收缩特性的影响也不同。例如，浇注成型时料温高，则收缩率增大；而注射成型时料温高、流动性好，型腔压力大，则可降低收缩率。

另外，成型条件对收缩特性的影响还与塑料品种等各种因素有关。例如，PP的收缩率对熔体温度变化很敏感，而PMMA、GFPS料随熔料温度升高时收缩率变化很小。由此可见，在分析成型工艺条件对收缩特性的影响时需按不同的成型方法特性并综合树脂特性等各方面因素来分析。本节仅以注射成型为例，以各单项成型工艺条件来分析其与收缩特性的关系；实际生产中，制品的最后收缩特性是各项因素综合作用的结果。

①成型压力及成型时间的影响。通常，注射压力增大，制品组织密实，收缩率下降，取向性增大。尤其是保压压力大，保压时间长时，制品受压缩变形大，脱模后弹性回复大，收缩率小，但取向性增大，且因模腔各部位或多腔模的各腔压力不一致时，则会引发收缩不匀。另外，压力过高可能发生溢料，反而会增大收缩率，还可能发生粘模，增大内应力和制品变形。

压力与收缩率呈不等比例的增减关系，且不同塑料的收缩率对压力变化的敏感程度也不相同。另外，在不同料温和模温时，压力与收缩率的关系也不同。一般情况下，在相同压力下料温升高、模温降低时，收缩率变小，而且料温变化的影响较大。

成型时间是指从熔料注入模腔开始到充满型腔后停止保压补缩时为止所占用的时间，其中包括填充时间（注射时间）和保压时间。注射成型时当浇口封闭后即终止保压，而热固性塑料模压成型时制品固化定型后即终止保压。

在保压补缩阶段保压压力大，保压时间长，则可明显地降低收缩率，增大取向性。但这也应该是有节制的，因为当保压压力增大到一定值，制品已填实致密时，则再增大保压压力收缩率降低也不再发生，且过高的压力会增大制品的内应力或使浇口处产生裂纹等弊端。

上面介绍了成型压力、保压压力、保压时间对成型收缩影响的一般规律，具体实例如图7-25～图7-27所示。

图7-25 注射压力与收缩量的关系

图7-26 20%GF-PC制品收缩率

图7-27 保压时间与收缩量的关系

1—PP流动方向 2—PP垂直流动方向 3—尼龙664—PMMA

然而，在实际操作中各种参数共同参与了对收缩的影响作用，所以成型压力对制品收缩率的影响还受其他因素变化的制约，相关实例如图7-28～图7-31所示。

由此可见，成型压力与收缩率的关系是按实际成型条件而变化的，但压力大、收缩小总的倾向不变，仅是影响程度不同而已。

图7-28 HDPE成型温度的收缩率与成型压力的关系（模温为40℃，空冷）

图7-29 制品壁厚度和注射压力与PBT成型收缩率的关系

图7-30 聚甲醛的收缩率与保压时间的关系（模温为100℃，注射压力为80MPa）

图7-31 聚甲醛的成型压力与收缩率的关系

②熔料温度的影响。通常，熔料温度高时体积膨胀大，冷却时的收缩量也大，但在模塑成型时（如注射、模压成型等）由于熔体温度高，流动性好传递的成型压力高，制品密度高，所以熔体温度高时通常可降低收缩率及取向性。但不同的塑料、对此的反映不同，如GFPA6料温高时反而会提高收缩率，而GFPS、PMMA料的收缩率对料温变化不敏感。几种塑料熔体温度与收缩率的关系如图7-32所示。

图7-32 几种塑料熔体温度对收缩率的影响

此外，取向性还与工艺条件，如制品壁厚和浇口大小等有关。当提高料温时，熔体粘度下降，流动阻力变小，切应力也变小，从而可降低取向性。但当压力损失小，型腔压力增高或增大保压补缩作用时，则又可增大取向性。另外，增高模温时取向应力松弛也可迅速降低收缩率。诸多因素模具和注塑条件对取向作用的影响见表7-49。影响模腔压力（型腔压力）参数的主要因素见表7-50。不同注射温度与结晶度对收缩率的影响见表7-51。

表7-49 模具和注塑条件对取向作用的影响

表7-50 影响模腔压力参数的主要因素

表7-51 聚烯烃的收缩率与注射温度的关系

①将试样加热到熔化温度以上，以1℃/min的速率冷却后测定密度，据此计算结晶度。

③模具温度及冷却时间的影响。模温及冷却时间对收缩率的影响按实际条件可发生有增或有减的作用。

熔料注入高模温型腔时，如熔体冷却慢，由于分子链充分回复，体积收缩增大，则制品收缩率也增大，但如果此时压力损失小，熔体也充分压力成型，则质量提高，脱模后回弹增大，则制品收缩也可变小。

此外，在低模温时对非结晶或结晶型塑料如果冷却速度快，分子来不及发生趋向性或结晶，则收缩率也较小，如果模温低到使熔体在模内充分冷却定型时，则脱模后制品可能呈无收缩状态，其尺寸接近于模腔尺寸。当然，在实际生产中是不允许冷却时间过长的，因为冷却时间过长会降低生产率，也会使料筒内熔体滞留过长，还会发生分解，增大内应力等。

由此可见，模温高或低对成型收缩率的影响有两种结果，对某一制品而言，其结果取决于树脂品种、制品壁厚、熔体温度、模具温度及冷却时间等因素的综合作用。

通常情况下，模温高时成型收缩率增大，模内冷却时间长能降低收缩率，但是结晶型塑料如果在高模温下冷却时间长则会提高结晶度和成型收缩率。在生产中模温对收缩率的影响各不相同，几种典型的影响曲线如图7-33和图7-34所示。它们有的递增或递减，也有先减后增的，且模温与成型收缩率都呈不等比例的增减关系。有的还会发生负收缩，如标准级POM在模温80℃以下时收缩率为负值，即制品不收缩反而增大。模温对平行料流和垂直料流的收缩率关系相似，故对取向性影响不大。

图7-33 模具温度与收缩量的关系

图7-34 模具温度与收缩率的关系

此外，模具上模温分布不匀也会导致制品各部位收缩不匀，内应力增大，发生翘曲变形，尤其对大型制品、结晶型塑料制品影响更大。因此，应尽量保持模温分布均匀，但有时为了改善由于取向或浇口布置等产生收缩不匀等弊端时，也可采用调节局部区域模温的方法。如果用控制模温来调节收缩率，则必须注意模温高低会带来其他的影响，如产生内应力和变形，引发粘模和溢料等，因此需统筹兼顾。

另外，制品脱模时的温度对收缩率也有较大的影响。脱模温度高，则收缩率大，且不均匀，制品易发生翘曲变形。反之，生产率低，不易脱模。

④注射速度的影响。注射速度是指熔体注入模腔时的速度，如果注速低则单位时间注入量少完成注射克量所需的注射时间长，对熔体剪切速率低，熔体填充型腔时间长，熔体粘度增大，熔体成型时料温低，压力小，此时如能保证制品正常成型，则制品的收缩率及取向性会变小，但低速注射会产生诸多质量弊端。生产中常采用中速或高速注射，但提高注速会加强分子链排向特性，致使收缩率及取向性变大。但另一方面，提高注速可提高熔料剪切热，降低粘度，提高流动性及成型压力，有利于补缩，从而也可降低收缩率。因此，注速变化对收缩率的影响视具体情况而定，与其他工艺参数相比通常注速变化对收缩率影响较小，一般规律是注速高则收缩率下降。

为了提高成型水平，目前采用了多级注射工艺，即在注射过程中随着熔体前进的流程及时改变注速，使熔体在填充型腔中不同截面的流道时保持适当流速和流量，可保证制品各部位质量及收缩均匀，减少变形，克服单纯低速和高速注射的缺点，充分发挥各自的优点。

（4）模具 模具的浇口形式、尺寸形状、分布位置、型腔流道截面尺寸形状、流程大小、流道回路形状、模具形状等因素对制品的收缩率有很大的影响，且对收缩率影响的程度随制品材料、尺寸形状、成型工艺参数等各项参与成型过程中的因素的变化而变。从模具的角度而言，对收缩率影响的主要因素有以下几个方面：

1）分流道的尺寸形状及流程长度。这些结构参数直接影响熔料在流道中热量损失及阻力大小（压力损失）。通常，圆形截面流道效果最好，矩形流道效果差。熔料填充型腔时型腔压力下降、粘度增大、填充性差，则制品不致密，收缩率大。

2）浇口形状、尺寸及分布。浇口尺寸大或厚度大，则压力损失小，保压补缩作用强，制品致密度高，成型收缩率小，反之，收缩率及取向性增大，如图7-35所示。同时，通过试验也证明在相同条件下用直浇口、点浇口、扁薄侧浇口加工制品，直浇口制品密度高，收缩量及取向性小；点浇口次之，扁薄侧浇口制品密度低，收缩及取向性大。用不同形式浇口加工ABS制品时的收缩率对比见表7-52。

图7-35 浇口尺寸与成型收缩率的关系

注：熔体温度为190℃；模具温度为80℃；制品壁厚为8mm。

表7-52 ABS成型收缩率与浇口形状的关系(www.xing528.com)

①模具温度为60℃。

3）浇口分布。经测试，通常距浇口远处的制品成型收缩率小，近处的收缩率大，如图7-36所示。

图7-36 改变浇口形状时所测得的制品各部分的成型收缩率

因此，对流程较长的型腔或多型腔，应考虑均衡流程设置多点浇口或平衡式布置的分流道，且流道的截面尺寸和形状、长度应既能保证充分保压补缩，又可降低压力损耗，从而减少收缩。

4）型腔形状。型腔形状是由制品形状而定的，对收缩率及取向性的影响表现在如下几个方面：

①相同塑料制作不同形状制品时收缩率及取向性不同，实例见表7-53。

表7-53 不同形状制品^①的收缩率

①试样是25%GF聚甲醛的注射成型制品。

②型腔不同部位收缩率及取向性不等，故对要求尺寸精度高的制品或收缩范围大的塑料品种，在确定收缩率时应根据塑料各部位尺寸形状（尤其是壁厚）来酌情选择。

③制品成型时有的部位是在模具的约束条件下定型的，如内型（内孔）就是在模芯限制下收缩的，所以该部分收缩率低，易控制尺寸精度，故对于要求尺寸精度较高的部分，设计时其尺寸应直接由模具尺寸来定长，如图7-37所示。将制品中标注尺寸精度的部位直接由模具尺寸来控制，可很有效地降低这些尺寸的收缩率。

图7-37 由模具直接定尺寸

④模具强度与材料。如果模具强度或刚性不良，在高注射压力下型腔发生变形或模具材料线胀系数大或热处理变形等原因致使型腔尺寸不稳定，这无疑会直接影响制品最终的收缩率值，尤其对大型或精密制品模具决不能忽略这些因素的影响。

另外，还有些模具因素也会影响收缩率和均匀性，如型面及流道表面光滑，熔体流动性好，可降低收缩率；脱模力小，顶出均匀可降低内应力和后收缩，防止制品变形；模具分型面吻合性不良或锁模力小导致溢料则会降低制品密度，增大收缩率等。

5.热固性塑料成型收缩的主要影响因素

热固性塑料成型加工时产生收缩的原因与热塑性塑料不同，其标准收缩率也是用直径为100mm，厚度为4mm的圆片试样在无约束状态下来测定的，其成型收缩的主要影响因素有如下几个方面：

（1）热胀冷缩 这是指因热胀冷缩而引起的尺寸变化。热固性塑料的线胀系数虽然比热塑性塑料小，但是仍然比钢材大数倍，制品从成型加工温度冷却到室温时，仍会产生远大于模具尺寸收缩量的收缩。这种热收缩所引起的尺寸减小是可逆的。其收缩量大小可以用塑料线胀系数的大小来判断。

（2）结构变化 热固性塑料的成型加工过程是该树脂在模腔中进行化学反应的过程，即产生交联结构，分子链间距离缩小，结构紧密，引起体积收缩。这种收缩所引起的体积减小是不可逆的。

（3）塑性变形 在热固性塑料制品脱模时，成型压力迅速降低，但模壁仍紧压着制品的周围，产生塑性变形。产生变形部分的收缩率比没有产生变形部分的收缩率大。因此，制品往往在平行加压方向收缩较小，而垂直加压方向收缩较大。为防止这种两个方向的收缩率相差过大，可采用迅速脱模的办法补救。

影响热固性塑料收缩的因素和原因见表7-54。

表7-54 影响热固性塑料收缩率的因素和原因

①有影响。

②影响情况未知。

6.后收缩及变形

制品在储存或使用过程中还会发生再收缩或变形现象，如后收缩、吸湿收缩变形及各种应力变形等，现简介如下：

（1）后收缩的成因及处理 对于成型时内应力大、结晶速度慢、取向性大的塑料及高压低模温成型的各种制品，在脱模后相当的时期内还会发生第二次收缩，又称为后收缩。一般情况下，热塑性塑料制品后收缩比热固性塑料制品大；注射、挤出制品后收缩比压塑制品后收缩大。后收缩对精密制品的尺寸精度及稳定性影响很大，且收缩量随机波动变化，对现有塑料也没有系统的测试资料可查，通常都需结合具体制品按设定的试验条件进行测试来获取后收缩率数据，再在制品和模具设计时考虑后收缩率并对后处理收缩引发的误差予以补偿。

1）后收缩的主要原因。制品成型过程中由成型压力和保压压力产生的残余内应力、冷却不匀的温度应力、取向变形的取向应力、结晶型塑料中的未结晶部分及脱模应力等各种不平衡的应力在冷却时被冻结在制品内，当制品在储存和使用过程中在外部环境（如环境温度、相对湿度等）作用下，致使发生内应力松弛、再结晶、取向回复（对热固性塑料则会发生再交联并释放反应物）等反应，减少聚合物体积、致使制品发生再收缩，从而形成后收缩。

通常，加工制品时如果料温高、成型压力、保压压力高、模温低、熔体冷却快、制品壁薄、使用或储存的环境温度高，则后收缩量大，且后收缩量随时间的延长逐渐增大，但经一段时间后会趋于平衡不再增大。在制品中沿料流方向和垂直方向都会发生后收缩，增强塑料制品垂直方向的后收缩率比平行方向的大，图7-38所示为共聚甲醛制品的后收缩与模具温度、制品壁厚、环境温度等因素的关系。

图7-38 共聚甲醛制品的后收缩与模具温度、制品壁厚、环境温度的关系

a）模具温度为30℃ b）模具温度为80℃ c）模具温度为120℃

2）减少后收缩的方法。为了克服制品后收缩引发的弊端，常需采用热处理方法，并在存放过程中保持适当的储存环境。目前，主要采用的方法有退火处理方法和高模温成型工艺。退火处理方法应用较广，该法又称为后处理或热处理。

退火处理就是将制品在低于热变形温度（约低10℃左右）下加热，且保温一定时间，使制品各种应力及未结晶部分发生应力松弛或再结晶，即提前使制品发生再收缩达到组织和尺寸稳定状态，使制品在储存和使用过程中不再发生后收缩。退火处理后制品的收缩量大小除了与冻结在制品内的各种不平衡因素有关外，还与热处理温度及保温时间有关。通常，热处理温度高，保温时间长，则收缩量大，且收缩量随浇口变厚、模温升高、注射压力减小、制品壁变薄而变小。增强塑料垂直方向的后收缩比平行方向的大。在制品和模具设计时应将成型收缩率与后收缩率的和作为总收缩率来进行尺寸计算。

退火处理的加热温度和时间及加热方式，对不同树脂制品的处理工艺也不同，一般加热温度比热变形温度低10℃以上；加热时间按加热方法、加热温度及制品厚度选择。有一点必须指出，后处理后制品的尺寸还会发生再次收缩和变化，不同塑料制品及后处理工艺后的后收缩值也不等，对于这一点在模具设计和后处理前都需预先估计到，并采取防范措施。另外，后处理时加热收缩是沿原流动取向方向进行的，原取向性大，则后收缩也明显，所以后处理后取向性也发生变化。POM热处理后收缩率变化情况实例见表7-55，从中可看出不同热处理情况下发生后收缩的趋势。

高模温成型工艺也可解决后收缩的问题，这实际上是利用高模温使熔体冷却缓慢，可充分释放各种不稳定的应力和变形，使其脱模后不再发生后收缩。例如，POM制品在模温60℃以下冷却成型，在环境温度70℃时发生后收缩0.3%；如在90℃以下成型，则退火后收缩为0.08%；如在90℃以上成型，则几乎无需退火处理。而且低模温成型时后收缩大，且经较长时间内仍会发生后收缩。PA66及GFPA6热处理后收缩情况见表7-56和表7-57。

表7-55 聚甲醛热处理后的收缩率

①树脂成型温度为200℃。

表7-56 尼龙^①加热收缩率

①制品为12.7mm×6.35mm×127mm的方柱。

表7-57 玻璃纤维增强尼龙6的成型收缩率及热处理后的总收缩率

①成型模具采用直接浇口。

从表7-56可知，用90℃高模温时，成型收缩率与热处理制品总收缩率相差甚微，但30℃模温的制品，其成型收缩率与后收缩率之差较大，达0.3%～0.6%。

（2）吸湿变形及处理 对于PA、PBT、CA、PF和增强或填充塑料，因其吸水性强，易吸湿，在储存和使用时周围环境的湿度也会使其吸湿而膨胀，然后随温度、湿度变化发生收缩率变化和尺寸变化。因此，常采用调湿处理工艺，即将制品放置在热介质中加热，并保温一段时间，使其充分吸湿达平衡吸湿量，从而使制品在储存或使用时不再吸湿，以消除后吸湿引发的尺寸变化。对PA类制品常利用热介质（如热水、醋酸钾水溶液）同时进行调湿和退火处理。对此类制品和模具设计时需考虑后收缩和吸湿膨胀形成的综合尺寸变化量来进行预先补偿设计。

（3）不均匀收缩及处理 制品收缩不均匀会导致其变形、翘曲或开裂等弊端并影响制品尺寸形状精度。形成收缩不匀的主要原因如下：

1）取向性。如前所述，熔体在填充过程中有许多因素可使它发生趋向流动和填充的现象，由此产生取向性收缩不均匀现象。

2）成型过程中不均匀因素，如塑化不匀、料温及模温不匀、压力损耗大导致的型腔各部位压力不匀、制品壁厚不匀、熔体填充不匀、制品冷却不匀、冷却过快或过慢、顶出不匀或顶出温度过高、制品顶出变形等诸多因素都可造成内应力增大或使制品在压力、温度、密度不匀的环境下冷却成型，致使发生体积收缩差异，收缩不匀。

3）收缩率波动性。由于塑料收缩率有随机波动的特点，故在制品各部位都有可能发生收缩差异，致使制品收缩不匀。

由此可见，制品收缩不匀是由取向应力、温度应力、不平衡体积应力、残余成型压力、变形应力（如脱模变形应力）等应力造成的，它不仅影响制品尺寸形状精度、力学性能、热性能及化学物理性能，也会导致制品翘曲、变形和断裂。

这些应力中，取向应力、温度应力、残余内应力的影响最大，而不平衡体积应力最难消除。所以彻底消除这些应力和收缩不匀是不可能的，我们只能从各个环节来控制降低这些应力，改善应力不均、收缩不均的状态，尽量使其降低到最小。内应力的分散和消除的一般可从以下几方面着手：

①塑料原材料。材料中的杂质易造成内应力，所以在生产时应尽可能除去。塑料的平均相对分子质量越高，相对分子质量分布越窄，内应力越小。对于多组分塑料，各组分分散均匀、排气好，制品内应力小。结晶型塑料在成型时加入成核剂，可使形成的球晶体积小、数量多，制品内应力小。若是大球晶与非晶面，则易造成内应力。

②制品设计。在进行制品设计时应尽量使制品表面积与体积之比尽可能小，使制品冷却缓慢，以减小内应力。制品的壁厚应尽量均匀，因壁厚不均，冷却速率不同易产生内应力。另一方面，在壁厚结合处应避免使用直角过渡，以防应力集中，最好采用流线圆弧过渡或阶梯式过渡。当制品带有金属嵌件时，嵌件的材质最好用铜质或铝质，并应进行预热，以防因材料的热膨胀系数不同而产生内应力。造型上应以曲面、双曲面为主，避免尖角，这样可很好地吸收冲击能使制品内应力减小。制品需要设计孔时，在孔的周围也易产生内应力，而且圆孔因易产生缩孔，内应力比较大，所以一般都设计为椭圆孔。

③模具设计。模具设计对制品内应力的影响也不能忽视。浇口小，保压时间短，封口压力低，制品的内应力就小，反之则较大。浇口一般应设在壁薄处，注射压力和保压压力低，制品的内应力小。大流道注射时间短，熔体不易降温，内应力就小，反之则较大。模具冷却系统的设计应使制品的冷却均匀一致，动、定模冷却均匀，制品的内应力小。顶出装置的顶出面宜大些，可使内应力较小。倍模斜度应尽可能大，这样既有利于制品的顺利脱模，同时也可使内应力较小。

④工艺条件。注射温度对制品内应力影响最大，因热塑性塑料的取向程度随注射温度的提高而减小，所以适当提高注塑机的料筒温度，不但可保证物料塑化良好，各组分分散均匀，而且还可降低收缩率，减小内应力。模具温度升高，制品冷却速度缓慢，大分子取向程度降低，内应力也会降低。较高的注射压力易产生较高的切应力，使大分子的取向程度增大，内应力增大。保压时间长，模内压力由于补压作用而提高，熔体会产生较大的剪切作用，使分子取向程度增加，制品的内应力增加。注射速度对制品内应力的影响较之温度和压力等因素的影响要小得多。通常，当注射速度较低时，制品易产生熔接痕，取向作用较低，而注射速度过高时，制品表面质量差，且制品内应力也较大，所以最好采用变速注射，即快速充模，低速保压。快速充模可减少熔接痕，低速保压可减小分子取向，这样内外温差也小，制品的内应力较低。

内应力可采用热处理的方法去除。热处理的实质是使塑料大分子中的链段、链节有一定的活动能力，使冻结的弹性变形得到松弛，取向的分子回到无规状态，同时也使结晶高聚物的结晶完善，从而使制品的内应力减小。

7.选择成型收缩率的方法

为了保证制品的尺寸精度及形状在模具设计时必须正确选择成型收缩率（包括后收缩率）来计算模具的成型零件，但影响成型收缩率的随机变化因素太复杂，欲正确地选择制品各部位的实际收缩率是非常困难的，需对制品的尺寸形状、选用的树脂、成型工艺及模具结构等诸多成型条件充分分析后，再凭经验来确定收缩率，且经试模核实或修正模具后才能确定实际收缩率。对精密复杂制品常先试制简易模具、成型制品来测试实际收缩量后再制作生产用模具，且在生产过程中还必须保证塑料的品质，严格控制成型工艺才能将制品实际收缩率控制在设定的范围。所以，不宜用塑料制作高精度的制品。选择成型收缩率的方法很多，但都不能保证绝对可靠，正确无误。下面介绍几种常用的方法。

（1）选用平均收缩率 多数塑料的收缩率有波动范围，故在制作低精度和形状简单的制品时，常选用收缩率范围内的平均值作为模具设计用的成型收缩率设计值。较精细的计算可按制品的壁厚及形状取略高于或低于平均值的收缩率作为设计值。另外，为了防止选择误差，便于修模，型腔尺寸取稍低收缩率计算，型芯取稍大的收缩率计算。但目前多数资料介绍的都是线型成型收缩率，而实际中制品收缩是体积收缩，所以对大型精密制品应选用平均体积收缩率来计算模具成型件尺寸。线型收缩率与体积收缩率互换的经验公式为

平行料流方向时 S_L=（0.1-0.05）S_V

垂直料流方向时 S_L′=（0.9-0.95）S_V

式中，S_L及S_L′分别是平行和垂直料流方向的线性收缩率（%）；S_V是体积收缩率（%），其值为，Vc是脱模后制品体积，V是模具型腔空间体积。

（2）按制品尺寸形状选择成型收缩率 具体体现在如下几个方面：

1）按制品厚度取经验数据来计算收缩率，通常壁厚大的取收缩率范围中大值，反之取小值。几种塑料按壁厚取收缩率的数据实例见表7-58～表7-62。

表7-58 PET制品厚度对成型收缩率的影响（端面浇口）（%）

表7-59 FR-PET制品壁厚与成型收缩率的关系

①低温模具指模具温度在60℃以下。

②高温模具指模具温度在80℃以上。

表7-60 聚乙烯、聚丙烯制品壁厚与收缩率

表7-61 聚甲醛制品壁厚与收缩率

表7-62 尼龙1010制品壁厚与收缩率

2）按制品尺寸形状分析各部位收缩情况和取向性，然后对各部位分别选取收缩率进行尺寸计算。对收缩率波动范围较大的塑料品种应选用这种方法。图7-39所示为按制品各部位几何形状计算收缩率的实例。

图7-39 按制品形状选定收缩率的实例

（3）按收缩率计算图选用成型收缩率 在模具设计中，要按制品图样尺寸求模具尺寸，这时就需要预先推定收缩率。然而，如前面几章所述，成型收缩和后收缩的大小因多种条件不同而异，过去有许多模具设计人员多是根据经验来估计收缩率的，而对于经验不足的设计人员来说，估计结果往往与实际收缩率有较大的偏差。

目前，已有了对一部分树脂所制定的推定收缩率的计算图。应用计算图推定收缩率是值得推荐的较为简便的一种方法，这种方法是将树脂品种、浇口尺寸及形式两因素结合在一起，按设定的注射成型工艺条件加工试样测得一系列收缩率数据后绘制的图表，应用时只要确定浇口尺寸和制品壁厚即可在图表中找出推定的收缩率值，应用较方便。但由于图表是在设定工艺条件下测制的，所以其值与不同条件下加工的制品实际收缩率也有一定误差，使用时应灵活掌握。下面介绍几种塑料推定收缩率的图表。

1）推定POM成型收缩率的图表如图7-40所示。

应用。将图7-40中（1）线上的制品厚度为3mm的点，与（3）线上的浇口面积4.5mm²（浇口厚度1.5mm×宽3mm=4.5mm²）的点连接，在（2）线上可得到一个交点，此点所表示的值即是模具温度在93℃时的成型收缩量，从图7-40中可得此值为0.025mm/mm。

图7-40 推定POM成型收缩量的计算图

注：原料为POM500和POM900，成型条件：螺杆式注射机；注射压力大于80MPa；模具温度为80℃；平均模温为93℃；熔体平均温度为210℃；浇口厚度为制品厚度的一半。

推定值与实测值比较。图7-41所示为在主流道的直接浇口面积为针点浇口面积2～3倍，圆形和环状浇口面积为最初固化处厚度的2～3倍的浇注系统条件下的测线图，图中虚线为图表推定值，实线为实测值，误差为±0.2%。

单一浇口与多浇口的比较见表7-63，圆筒形制品推定值与实测值比较见表7-64。

图7-41 POM制品推定收缩率与实测收缩率比较

表7-63 单一浇口与多浇口的比较（均聚物）

（续）

①表示多浇口，因为增大了浇口面积，所以推定值与实际值很接近。

②在注射压力降低时，循环周期缩短而产生了偏差。

表7-64 圆筒形制品的收缩率

2）推定PA66成型收缩率，图表如图7-42所示。

图7-42 推定PA66收缩率的计算图

在图7-42中，矩形浇口取最大宽度，半圆浇口取半径的2倍，圆形浇口取直径。关于浇口的厚度，对于矩形浇口取最小壁厚度，半圆浇口取半径的0.8倍，圆形浇口则取直径的0.8倍。

PA66的收缩率根据成型条件或成型制品形状、浇口尺寸不同而异。以螺杆前进时间充足为前提条件，可推定保持正常树脂温度、模具温度和注射成型压力时的成型收缩率。

例：注射成型PA66（制品壁厚度为2.7mm）的注射成型制品时，设模具的浇口宽3mm、浇口厚为2.2mm，工艺条件，模具温度为90℃、树脂熔体温度为290℃、螺杆注射压力为100MPa，试利用图7-42推定成型收缩率。

解：如图7-42所示，连接X轴线上3.0与Y轴线上2.2两点的直线，并向R轴线延长，交于R轴线上a点，由此交点a向Z轴线上2.6点作连接直线，并向A轴线延长交于A轴上20点。过X′轴线上290点与Y′轴线上90点作一直线，并延长至R′轴交于b点，由b点过Z′轴上左侧100点作直线，并延长至B轴，在B轴的交点为-3.8，则收缩率为收缩率=1/1000×（A+B）=1/1000×（20-3.8）=1.62%

推定尼龙66制品成型收缩率的计算。此图精确度为81%，推定值与实测值之差在±0.3%以内。

3）推定Zytel尼龙模塑收缩率。图表如图7-43所示。

图7-43 推定Zytel尼龙模塑收缩率的计算图

模塑收缩—A+BD—流动方向 T—垂直方向 B₁—Zytewc-10 Zytel101LNC-10 ZytelL103HS-LNC-10 B₂—Zytel 105 BK-10A B₃—Zytel408 NC-10 B₄—Zytel 31 LNC-10 B₅—Zytel 109 LNC-10

图7-43表示推定Zytel尼龙66制品成型收缩率的计算图。Zytel尼龙66成型收缩率与其品种、制品壁厚、料流方向及成型工艺等因素有关。此图分为A和B两部分，A部分反映模具设计因素，B部分反映成型条件及尼龙种类因素与成型收缩率的关系。

例：试估计制品尺寸为76mm×152mm×3mm，树脂为Zytel131LNC-10的模塑收缩值。

解：浇口为矩形，厚为2.3mm，宽为3mm，将模具尺寸按图7-43模具变量部分得出：A=0.02mm/mm。

根据经验，下面假定的成型条件较为合理：熔体温度为288℃，模具温度为65℃，注射成型压力为100MPa。将这些都代入图7-43的B₁部分的加工变数，连续直至到B轴为止。Zytel 131 LNC-10的成型收缩量数值是从B₁水平移至B₄，B₄的数值（流动方向为-0.014mm/mm，垂直方向为-0.009mm/mm）加上A值（可从模具变数处求得），就可以利用图7-43求出Zytel131LNC-10模塑收缩量在流动方向为0.0065mm/mm，在垂直方向为0.0115mm/mm。

（4）按压力p、体积V、温度T曲线选择和控制成型收缩率 综上所述，制品成型后的收缩率和后收缩量与制品设计、塑料品种、模具设计、成型设备、成型工艺条件等因素有关，在加工中熔体的体积膨胀及冷却固化阶段的体积收缩都与成型压力和温度有密切的关系。因此，塑料加工中p、V、T变化是致使制品发生收缩的根本因素，只要对各种塑料进行p、V、T试验即可求出p、V、T曲线图，从而可精确地预计成型收缩率，控制成型工艺条件即可制作出收缩率合格的制品。结晶型和非结晶型塑料的p、V、T曲线图如图7-44和图7-45所示。

图7-44 结晶型塑料的比体积和压力、温度的关系

图7-45 非结晶型塑料的比体积和压力、温度的关系

由图7-44可知，结晶型或半结晶型塑料的比体积（单位质量的体积，单位为cm³/g）在定压下因膨胀会随温度升高而增大，在定温下因压缩效应会随压力增大而降低；在熔点附近，比体积呈阶跃式变化。

非结晶型塑料的比体积，在恒定压力下也会因热膨胀而随温度增加；在恒定温度下也会因压缩效应随压力增加而降低。但非晶型塑料无明显熔点，仅有一熔化区域存在，比体积变化是渐变而非阶跃式变化，如图7-45所示。一般而言，结晶型塑料的收缩率较非晶型塑料为高，如结晶型PE的收缩率为2%，非结晶型PS的收缩率为0.6%。

按p、V、T的关系，可通过试验作出各种塑料的p、V、T曲线图，并按所得到的图可清楚地获得比体积的变化和体积收缩，然后再用体积收缩量即可计算出制品体积收缩率和线性收缩率，进而在成型过程中控制p及T就可达到控制收缩的目的。

现以非结晶型塑料在模腔中自高温冷却固化至常温为例，其体积变化关系如图7-46所示。

图7-46描述了，当熔料注入模腔点1开始，直至冷却热平衡点8为止的p、V、T关系变化的全过程，现简要说明如下：

1表示塑料开始填入模具，压力逐渐升高。

1～2表示模腔填充阶段，模腔压力逐渐增加至设定的注射压力。

2表示模腔填充结束，压力切换至保压压力。

2～3表示模腔保压/压缩阶段，模腔压力上升至设定保压压力值。

3表示模腔压力达到最高值（30～100MPa）。

3～4表示保压阶段由压缩切换至静置段。由于塑料部分回流，造成模腔背压稍微下降。

4表示保压/静置阶段开始。

4～5表示静置阶段，由于冷却造成压力下降，固化层厚度逐渐增加，塑料继续补偿收缩造成比体积降低。

图7-46 非结晶型塑料的p、V、T变化情况

a）压力、温度与时间的关系 b）比体积与温度、压力的关系

5表示浇口封口，保压/静置阶段结束。

5～6表示塑料继续冷却收缩，造成压力下降。

6表示模腔压力降至常压。此时，塑料制品体积与模腔体积相同，塑料制品开始模内收缩。

6～7表示定压冷却阶段，塑料制品持续收缩。

7表示开模及塑料制品脱模。

7～8表示脱模后定压冷却。

8表示最后达热平衡的塑料制品。

从图7-46b中可得到从熔体至固化比体积差值，按注射克量即可计算出体积收缩值，从而可按本节“选择平均收缩率”中的计算公式计算体积收缩率及线性收缩率。

8.用Moldflow软件选择成型收缩率

利用有限元分析的概念结合数字技术在Moldflow系统中已开发了收缩率分析模块（MPI/Shrink），它可将塑料属性、制品尺寸形状、注射成型工艺等因素组成的复杂关系分解成有限元的各单元，分析其对体积收缩率、结晶的作用，模具对熔体的限制作用，以及取向和冷却等方面的影响，从而预测材料在确定方向上的收缩率、体积收缩率、结晶作用、模具有限作用和取向效应等情况，可较正确地选择成型收缩率并设计制品及模具。