塑料成型工艺特性

在注射加工过程中涉及的塑料物理性能是多方面的，1.2节和2.3节已经有了详细陈述。本节陈述的塑料密度、熔体的流动性和成型收缩率是注射成型工程中的重要工艺参数。

1.塑料的密度

（1）固态密度 表3-15所列为固态塑料在室温下的密度。塑料中密度最低的是聚-4-甲基-1-戊烯P4MP（0.83g/cm³），最高的为聚四氟乙烯PTFE（2.2g/cm³）。填料添加和玻璃纤维增强后的塑料，密度增加。金属的密度一般有2.7～9.1g/cm³，钨的密度高达22.7g/cm³；陶瓷材料的密度在2.1～5.1g/cm³之间。

（2）塑料熔体密度 塑料原材料经加热塑化，熔融态塑料的密度降低，见表3-16。

表3-15 常用塑料的密度（单位：g/cm³）

注：GF—玻璃纤维充填；成分中的百分数指质量分数。

表3-16 几种塑料的熔体密度

注射成型时每次注入模具的塑料量，可以通过测定螺杆前面熔料的体积求得。注射计量以固态塑料容积V_i表示

V_i=α′V_m （3-14a）

可得每次注射质量G=ρV_i=ρ_mV_m=α′ρV_m

由此得ρ_m=α′ρ （3-14b）

两式中V_i——模具型腔和浇道的容积（cm³）；

V_m——注射计量熔体的容积（cm³）；

G——对模具每次注射的质量（g）；

ρ——注射塑料的固态密度（g/cm³）；

ρ_m——塑料熔体密度（g/cm³）；

α′——密度修正系数。无定形塑料可取0.95，结晶型塑料可取0.85。

密度修正系数反映液态塑料密度比固态塑料低。无定形塑料大约低7%左右。一些结晶型塑料大致低15%～20%。例如：PS固体密度是1.05g/cm³；塑化后熔体密度为0.98g/cm³。

（3）松密度和物理压缩比 注射机料斗内塑料原材料是松散的，有圆柱粒子、切碎屑片、粉剂或纤维絮等，其占有的体积为松密度。松密度与料斗中物料贮存高度有关。物料贮存高度大时，重力使松密度增大。固态塑料密度与原材料松装密度之比为物理压缩比。例如：聚酰胺PA原料粒子的松密度为0.475g/cm³；物理压缩比为2.3；PS粒子的松密度为0.59g/cm³；物理压缩比为1.78。

螺旋槽为等距不等深的螺杆，它的几何压缩比必须大于物料的物理压缩比。对于PA等结晶型塑料，螺杆的几何压缩比取3.0～3.5。而PS等无定形塑料的几何压缩比取2.0～2.8。物理压缩比实为塑料原材料与成型注塑件的体积之比，其值大于1。松密度表述了原材料的松散程度。比体积是指单位质量的松散塑料的体积。在原料贮存和输送时用体积计量。热固性模具的加料室要用体积计算，也要用比体积计量。显然，比体积和物理压缩比过大，塑化时排气量大，塑化效率降低。

2.塑料熔体的流动性

注射成型是在一定压力下的塑料熔体，经流动充填模具型腔而实现的。塑料熔体有比一般流体高得多的黏度，通常有10²～10³ Pa·s，并且有非牛顿的假塑性流体的特征。描述各种塑料的黏度，用流变曲线是科学的方法。但已往流变数据测算和应用有一定难度。注射生产企业已习惯用熔体流动速率，比较塑料熔体的流动性。

图3-29 热塑性塑料熔体流动速率测试仪

1—热电偶 2—料筒 3—出料孔 4—保温层 5—电加热棒 6—柱塞 7—负载

生产中通常用黏度的相对值，来评估熔体的流动性。热塑性塑料熔体流动速率测试仪，如图3-29所示（GB3682）使用最为普遍。熔体流动速率是在一定温度和负荷下，10min通过标准口模的熔体质量。口模内径2.095mm，长8mm。负荷用的砝码，及料筒自动控制的温度，均要按标准条件进行。熔体流动速率（g/10min），对应国外ASTM D1238标准，被译为熔体指数（Melt flow index），缩写MFI或MI。注射塑料熔体的MFI为5～50g/10min。MFI为15～25g/10min时最适宜注射流动充模。熔体流动速率是同一种热塑性塑料，不同规格品级的重要区别标志。薄膜吹塑的MFI是0.3～12g/10min。为防止吹塑过程中熔体黏度过稀而破裂，需要高黏度的塑料品级。

塑料熔体的流动速率测量方便，其仪器简单，数据容易获得。但此数据不能用于熔体流动的黏度、体积流率、剪切应力与剪切速率及流程压力损失的计算。

图3-30所示为塑料流程比测试注射模，有阿基米德螺旋线布置的窄小流道。将定量的某种塑料，在一定熔融温度和注射压力下注入，测得流程长度，除以流道截面的厚度就得到流程比。一些塑料熔体的最大流程比见表3-17。

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图3-30 塑料流程比测试注射模

表3-17是一些塑料熔体在80～90MPa压力下的最大流程比FLR_max。螺旋槽的间隙（流程厚度）2.5mm。由表3-17可知，高黏度物料如PC、PSU等的FLR_max在100～130，中等黏度物料如ABS和POM等的FLR_max在160～250；而低黏度物料如PE和PA等的FLR_max在300左右。

表3-17 一些塑料熔体的最大流程比

注：注射压力为80～90MPa。当流程厚度小于2.5mm时，取表值的下限。

热固性塑料采用图3-31所示的拉西格测试模，测定流动性。按GB 1404标准，将某种塑料在料腔中热压成锭后，在规定温度和压力下挤压，测得3min内小孔中挤出塑料长度（mm）。挤出长度越长的塑料品种，流动性越好。

图3-31 热固性塑料拉西格测试模

1—压柱 2—模腔 3—模套

3.塑料的成型收缩率

注射生产中，成型收缩率的定义为

换算后得

式中 S——计算的成型收缩率；

L_m——模具成型零件在室温下的实际尺寸（mm）；

L——注塑件在室温下对应的实际尺寸（mm）。

目前国内实际应用的成型收缩率的定义为

换算后得

L_m=L（1+S） （3-16）

从物理概念而言，式（3-15）中S说明了收缩率是绝对收缩量对于收缩前的尺寸之比，比较确切；式（3-16）换算得L_m对模具成型零件尺寸计算较为方便。

将式（3-16）按二项式定理展开，可得到

由于收缩率在10^-2～10^-3之间，后面的S²+S³+…可以略去。

注射塑料在高温高压的熔融状态下充模（常见各种熔体温度为170～300℃），然后被冷却固化。通常脱模温度为20～100℃。塑料材料有比金属约大2～10倍的线膨胀系数。不同塑料有不同的成型收缩率。无定形和热固性塑料的成型收缩率较小，在1%以下；结晶型塑料的成型收缩率在1%以上。表3-18列出了常用的注射塑料的成型收缩率。用无机填料充填、用玻璃纤维增强的塑料有较低的成型收缩率。成型收缩率越大，其收缩率的波动范围也越大。现代注射生产中，为使成型收缩稳定，花费很高成本采用了许多高新技术。

表3-18 常用注射塑料的成型收缩率 （单位：mm/mm）

（续）