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注塑成型件的性能和加工工藝條件的影響
注塑加工工藝不僅決定著成型件的形狀，而且還有它的材料特性。圖1顯示出在參考生產(chǎn)條件下于被研究樣品中心所產(chǎn)生的球晶尺寸及分配。在正被討論的情況中，球晶直徑約為18mm。 對形態(tài)重要性的認識不足 是塑件的整體形態(tài)結(jié)構(gòu)決定著每種情況下的終端使用性能。這意味著不只是塑件的外在性能以工藝為條件，內(nèi)在性能也是如此。這也意味著對成型化合物進行熱機械的處理，如加工過程中的壓力、溫度和剪切率所定義的，都決定著所生產(chǎn)出來的塑件的材料結(jié)構(gòu)（形態(tài)）。產(chǎn)品外在和內(nèi)在性能確定了產(chǎn)品的最終性能。所以塑料的形態(tài)控制著塑件的皺縮及其形狀，同時也確定了材料的使用性能。塑件性能對于某一種塑件形狀不一定就是最佳的性能，如高機械強度、理想的硬度、良好耐磨性。反過來，理想的形態(tài)將不可避免地產(chǎn)生出一個穩(wěn)定的塑件形狀，但也是一個不可能再改變的一種形狀。 一旦建立起工藝和最終品質(zhì)之間的相互關(guān)系，一個事實就變得清楚了：只能通過對注塑加工進行一定優(yōu)化形式的工藝控制，才能獲得優(yōu)質(zhì)的塑件，這種控制以形態(tài)為重點，也包括了對狀態(tài)變量的記錄和控制。所以穩(wěn)定的工藝控制需要工藝適應(yīng)于被加工的塑料。它以熱力學因素為基礎(chǔ)，對于半結(jié)晶熱塑性塑料，還必須考慮到結(jié)晶動力學。然而，在塑料加工業(yè)內(nèi)還沒有對此的普遍認識，尚待向人們灌輸這種思想。 對加工POM的研究 以易流動的共聚甲醛（POM）為例子，人們就注塑加工過程中工藝條件對所制塑件最終性能之影響進行了研究和探討。 為做這個研究，按照DIN/ISO 527標準，在雙腔注塑加工模具中以不同的注射速度和壓力做出5A型的拉伸樣板（截面積4×1mm2）。模腔通過位于塑件側(cè)翼的側(cè)面上的銷式澆口被填充。注塑加工模具在近澆口處裝備有壓力感應(yīng)器，能在拉伸樣板的中央肩部位置測量出壓力變化。在所有測試中，塑件生產(chǎn)的模溫被設(shè)定在95℃，因為這是原材料制造商為高品質(zhì)塑件所推薦的溫度。在一臺鎖模力為220kN的注塑加工機上加工成型化合物。螺桿直徑是18mm，機器上注嘴溫度為210℃。 圖1：樣品中心球晶結(jié)構(gòu)的顯微圖研究結(jié)果一方面揭示出塑件內(nèi)在與外在性能之間的清晰關(guān)系，另一方面也揭示出與所選工藝條件的關(guān)系。盡管所生產(chǎn)出的塑件有著幾乎一致的機械強度，但不同樣板材料結(jié)構(gòu)的變形能力有著明顯的區(qū)別。這從斷裂時不同拉伸應(yīng)變看得很清楚，特別是每種情況獲得的不同拉伸沖擊強度。注射速度數(shù)值被標準化為20cm3/s,拉伸沖擊強度可以降低55％，而測量出的重量和皺縮之變化只有2.5％或15％。 以材料為中心的品質(zhì)管理的必要性 通過動態(tài)熱差法（DSC）對不同樣板進行的補充性研究只突出了開始時形態(tài)上的細微區(qū)別。換句話說，綜合地來看，所研究樣板擁有均勻的結(jié)晶。這個結(jié)果也在冷卻（結(jié)晶熱量）中和在二次加熱階段（均勻前期過程之后的熔融熱）可觀察到。 從動態(tài)差分熱量測定的結(jié)晶過程，可明顯看到，當聚合物加工過程中的注射速度逐級上升時，較低溫度下的結(jié)晶熱由-74J/g增加到-97J/g。這暗示所用POM材料會因為加工的原因而出現(xiàn)變化。材料分子量和分子量分布的變化提升了不相近固化性能（整體結(jié)晶或多或少是一致的），所以促進了不同結(jié)構(gòu)（形態(tài)）的形成，這由峰值高度與峰值寬度的比值得到證明，其由2.7降到了1.6。 在這種情況中，只靠DSC（首步加熱）來觀察不同樣品的整體結(jié)晶，會導致對品質(zhì)的不正確評估，因為在這里沒有差別是顯而易見的。只有當結(jié)構(gòu)是在一個不直接的基礎(chǔ)之上被評估時，這才會突出存在的區(qū)別。 在極化發(fā)射光下對不同樣品的薄斷面（約10mm）進行顯微觀察，顯示出受不同工藝條件控制所做出塑件的結(jié)構(gòu)非常不一樣。當注射速度提高時，能觀察得到的非球狀外層的厚度由102mm急劇下降到30mm，同時余下結(jié)構(gòu)也經(jīng)歷著變化（圖2）。所以，高注射速度下制出的塑件硬度急劇下降也要歸結(jié)為材料方面的不理想形態(tài)變化。圖2右邊所示的結(jié)構(gòu)與所研究塑件的極脆性變形性能有關(guān)系，拉伸沖擊測試的沖擊強度比具有圖2中左邊所示結(jié)構(gòu)相同塑件的沖擊強度要低上100％。 圖2：加工對形態(tài)結(jié)構(gòu)的作用加工對流變性能的影響 在不同注射速度下加工易于流動的POM，明顯對材料的流變性能起著深遠的影響。聚合物剪切程度的增大引起微分子逐步的鏈分解，這又伴隨著熔體的流動性（在注塑加工模具內(nèi)的壓力傳送）發(fā)生變化，進而結(jié)晶動力學發(fā)生變化。已經(jīng)測量和討論過的DSC曲線表示進行著的這些過程。流變性調(diào)查也確定著這種表現(xiàn)。所用流變計是UDS200型號。取100mg的樣本，流變計承受210℃溫度下、0.1-100s-1 范圍內(nèi)的對數(shù)遞增剪切速率，間隔寬度為0.1mm。 這些結(jié)果證明了當注射速度提高時，加工中的聚合物的分解加劇。聚合物的平均分子量根據(jù)加工條件而進行變化，這是從注射速度升高時零粘度下降可清楚看到的事情。 結(jié)論 所報道的研究表明，不同的注射速度對共聚甲醛（POM）材料注塑加工件的最終質(zhì)量有著顯著的影響。塑件的流變性能隨剪切而變化，對加工中的POM熔體起著作用。這種變化要歸因于摩爾質(zhì)量的下降，以及分子量分配的調(diào)整，這是被實驗數(shù)據(jù)所證明的。隨著塑件形成過程當中熔體冷卻下來時，POM熔體的流變性能與實際熔體溫度和熔體壓力一起確定著晶化動力學。這意味著完全不一樣的結(jié)構(gòu)和高度變化的使用性能能夠隨著加工條件而變化。 對于易流動的共聚甲醛，脆變是明顯的，它會降低薄壁塑件的沖擊強度達50％。這個研究結(jié)果是與在實際中觀察到的是基本上一致的。所探討的現(xiàn)象對于流動性一般的聚甲醛是較少出現(xiàn)的。 所以如不考慮形態(tài)，是沒可能對塑件品質(zhì)作出一個明確說明的。所以具有最新技術(shù)的塑料生產(chǎn)工藝需要一定形式的品質(zhì)管理，它首先監(jiān)控塑件內(nèi)在性能的質(zhì)量（例如監(jiān)控模腔壓力曲線），所以也就確保了所得產(chǎn)品在整體上是高品質(zhì)的，假定內(nèi)在性能也以外在性能為條件。 所以，已經(jīng)得出的研究結(jié)果表明，為了實現(xiàn)預(yù)防性的品質(zhì)管理，應(yīng)用以材料為中心的工藝監(jiān)控和隨后的工藝控制在未來是可取的和確實有必要的。只有以這種方式，才有可能大大避免由加工作業(yè)引起的使用性能不充分所帶來的對塑件的潛在傷害。 需要作進一步的研究，來為理想結(jié)構(gòu)作出定義，將確保為極薄壁或極小型塑件的生產(chǎn)，實現(xiàn)塑件的最終穩(wěn)定性能。
