2.2.2 塑料的工艺性能

塑料在常温下是玻璃态，若加热则变为高弹态，进而变为黏流态，从而具有优良的可塑性．可以用许多高生产率的成型方法来制造产品，这样就可节约原料、节省工时、简化工艺过程，且对工人技术要求低，易于组织大批量生产。下面介绍成型加工中常用的一些参数。

1．收缩率

塑料从热的模具中取出并冷却到室温后，其尺寸发生变化的特性称为收缩率。由于收缩率不仅是树脂本身的热胀冷缩，而且还与各种成型因素有关，所以成型后塑件的收缩称为成型收缩。

成型收缩主要表现在以下几个方面：

（1）塑件的线尺寸收缩。由于热胀冷缩、塑件脱模时的弹性恢复、塑性变形等原因，导致塑件脱模冷却到室温后其尺寸缩小。为此，型腔设计时必须考虑予以补偿。

（2）收缩方向性。塑料在成型时由于各个方向的收缩不同，致使塑件的性能呈各向异性。例如，沿料流方向收缩大，强度高；而与料流垂直方向则收缩小，强度低。此外，成型时由于塑件各部位密度及填料分布不均匀，所以各部位的收缩也不均匀。这种由于收缩的方向性而产生的收缩不一致，容易使塑件发生翘曲、变形、裂纹，尤其在挤塑及注塑成型时方向性更为明显。

（3）后收缩。塑料成型时，由于受成型压力、剪切应力、各向异性、密度不匀、填料分布不匀、模温不匀、硬化不匀及塑件变形等因素的影响，引起一系列应力的作用，这些应力在黏流态时不能全部消失，所以塑件在应力状态下成型时存在残余应力。当脱模后，由于应力趋向平衡及储存条件的影响，残余应力发生变化而使塑件发生再收缩，这种收缩称为后收缩。通常挤塑及注塑成型的后收缩比压塑成型的大，热塑性塑料的后收缩比热固性塑料的大。

（4）后处理收缩。有时按性能及工艺要求，塑件成型后需要进行热处理，而热处理后也会导致塑件尺寸发生变化。故在模具设计时，对高精度塑件应考虑后收缩及后处理收缩的误差，并予以补偿。

收缩率用成型尺寸相对收缩的百分数来表示。由于金属模具与塑料的线胀系数不同，收缩率分为实际收缩率和计算收缩率。实际收缩率表示模具或塑件在成型温度时的尺寸与塑件在室温时的尺寸之间的差别；而计算收缩率则表示室温时模具尺寸与塑件尺寸的差别。这两种收缩率的计算可按下列公式求得：

Δξ实际=（a-b）/b×100%

Δξ计算=（c-b）/b×100%

式中 Δξ实际——实际收缩率；

Δξ 计算——计算收缩率；

a——模具或塑件在成型温度时的尺寸（mm）；

b——塑件在室温时的尺寸（mm）；

c——是模具在室温时的尺寸（mm）。

工程应用时，实际收缩率与计算收缩率相差不大，但在模具设计中，常用计算收缩率。

影响收缩率变化的因素主要有以下几个方面。

（1）塑料品种：各种塑料都有各自的收缩率。同种塑料由于树脂的相对分子质量、填料及配方比等的不同，收缩率及各向异性也不同。热塑性塑料成型过程中存在结晶引起的体积收缩，因此与热固性塑料相比收缩率较大、收缩率范围宽、方向性明显。此外成型后的收缩、退火或调温处理后的收缩一般也都比热固性塑料大。

（2）塑件结构：塑件的形状、尺寸、壁厚、有无嵌件、嵌件数量及其分布对收缩率大小也有影响。同一塑件的不同部位，其收缩率也经常不同。如果塑件形状复杂、壁薄、有嵌件、嵌件数量多且对称分布，则收缩率就小。

（3）模具结构：模具的分型面、加压方向、浇注系统形式、布局及其尺寸对收缩率及方向性影响也很大，在挤塑及注塑成型时更为明显。如果采用直接浇口和大截面的浇口，则收缩小，但方向性大；浇口宽且短，则方向性小。距浇口近的或与料流方向平行的部位收缩大。

（4）成型工艺：模具温度高，熔料冷却慢，则密度高、收缩大。对于结晶型塑料，因结晶度高，体积变化大，故收缩更大。模温分布与塑件内外冷却的均匀性会影响塑件各部位收缩量的大小及方向性。此外，保压压力及保压时间对收缩的影响较大：保压压力高，保压时间长的制品收缩小，但方向性强。若注塑压力高，层间剪切应力小，脱模后回弹大，收缩可适当减小。熔料温度高，收缩大，但方向性小。因此在成型时调整模温、压力、注塑速度及冷却时间等工艺参数可改变塑件的收缩。

2．流动性

塑料在一定温度与压力下填充型腔的能力称为流动性。每一品种的塑料通常分为三个不同等级的流动性，以供不同塑件及成型工艺选用。

（1）热固性塑料流动性的测定方法。测定流动性所使用的模具称为拉西格压模。将一定质量的欲测塑料预压成圆锭，将圆锭放入压模中，在一定的温度和压力下，测定它从模孔中挤出的长度，这就是拉西格流动性，数值大则流动性好。

（2）热塑性塑料流动性指数的评定。一般可从相对分子质量大小、熔体指数、阿基米德螺旋线长度、表观黏度及流动比（流程长度与塑件壁厚之比）等一系列指数进行分析。相对分子质量小、相对分子质量分布宽、分子结构规整性差、熔体指数高、螺旋线长、表观黏度小及流动比大的流动性好。通常用熔体指数和阿基米德螺旋线长度来表示流动性的大小。

影响流动性的因素主要有以下几个方面。

（1）塑料品种：不同品种的塑料，其流动性各不相同，即使同一品种的塑料，由于其树脂相对分子质量的大小、填料的形状、水分和挥发物的含量以及配方比的不同，其流动性也不相同。此外，加入增塑剂、润滑刑也能显著地增加流动性。塑料的相对分子质量越大，表观黏度越大，且对剪切速率的依赖性越强；相对分子质量分布越宽，其黏度对剪切速率的依赖性越强；分于链具有刚性的聚合物，其黏度随剪切速率的变化比柔性分子链的聚合物快。

（2）模具结构：模具成型表面光滑、型腔形状简单等都有利于改善流动性。

（3）成型工艺：注塑压力增大，则熔料受的剪切作用大，流动性也增大，尤其是聚乙烯、聚甲醛等较为敏感。料温高，则流动性增大。聚苯乙烯、聚丙烯、尼龙、有机玻璃、ABS、AS、聚碳酸酯、醋酸纤维素、PPO、聚砜、聚苯醚、酚醛塑料等塑料的流动性随温度变化较大；而聚乙烯、聚甲醛的流动性受温度变化的影响较小。

3．比体积和压缩率

比体积是单位质量的松散塑料所占的体积；压缩率是塑料的体积与塑件的体积之比，其值恒大于1。比体积和压缩率都表示粉状或短纤维状塑料的松散性，可用来确定模具或注塑机加料量的大小。比体积和压缩率大，则要求加料量大，同时，塑料内充气增多，排气困难，成型周期增长，生产率降低。比体积和压缩率小则压锭和压制容易，而且压锭重量也较准确。但是，若比体积太小，则影响塑料的松散性，以容积法装料时会造成重量不准确。比体积的大小因塑料粒度、颗粒不均匀度的不同而不同。

4．结晶性

结晶性是指塑料从熔融状态到冷凝过程中，分子由无次序的自由运动状态而逐渐排列成为正规模型倾向的一种现象。根据塑料冷凝时有无结晶现象，可将塑料分成结晶型塑料和非结晶型（无定形）塑料两大类。

判断这两类塑料的外观标准是看厚壁塑件的透明性。一般来说，结晶型塑料为不透明或半透明的（如聚甲醛等），非结晶型塑料为透明的（如有机玻璃等）。但也有例外情况，如聚4-甲基戊烯为结晶型塑料，却有高度透明性，ABS为非结晶型塑料，却并不透明。

模具设计和选择注塑机时应考虑结晶型塑料的以下特性：

（1）料温上升到成型温度时所需的热量多，应选用塑化能力大的设备。

（2）冷凝时放出的热量大，应对模具进行充分冷却。

（3）熔态与固态的密度差大，成型收缩大，容易发生缩孔或气孔。

（4）冷却快，则结晶度低、收缩小、透明度高。结晶度与塑件壁厚有关，壁厚则冷却慢，结晶度高，收缩大，物性好。

（5）各向异性显著，内应力大。脱模后未结晶化的分子有继续结晶化倾向，易放生变形、翘曲。

（6）结晶熔点范围窄，易发生未熔粉末注入模具或堵塞浇口。

（7）大分子链结构简单、分子链节小、支化程度低、分子化学结构对称、立体规整性好，以及大分子的刚柔性和分子间作用力适中等情况，均有利于提高结晶速度和结晶度。

5．热敏性、吸湿性及挥发物含量

热敏性是指某些热稳定性差的塑料，在高温下受热时间较长或浇口截面过小及剪切作用大时，料温增高就容易有变色、降解、分解的倾向。具有这种特性的塑料称为热敏性塑料，如硬聚氯乙烯、聚偏氯乙烯、聚甲醛、聚三氟氯乙烯等。热敏性塑料在分解时会产生单体、气体、固体等副产物，尤其是有的分解气体对人体、设备、模具有刺激、腐蚀作用或有毒性，同时有的分解产物往往又是该塑料分解作用的催化剂（如聚氯乙烯的分解物为氯化氢）。为了防止热敏性塑料在成型过程中出现过热分解现象，可采取在塑料中加入稳定剂、合理选择设备、正确控制成型温度和成型周期、及时清理设备中的分解物等办法。此外，合理设计模具的浇注系统、在模具表面镀铬等，也是一些重要措施。

塑料中水分及挥发物含量，可能会直接影响塑件的物理、力学和介电性能。塑料中水分及挥发物含量大，在成型时产生内压，可能有气泡产生或以内应力的形式存在制品中，一旦压力消失便会使制品变形、机械强度降低。此外，水分及挥发物含量过多时，会促使流动性过大，容易溢料，塑件容易发生翘曲、波纹及光泽不好。若水分含量超过限度，则在成型过程中由于水分在成型设备的高温料筒内挥发成气体，或促使塑料水解，会使树脂起泡或黏度下降，不仅影响产品质量，而且给成型加工带来困难。

根据塑料对水分亲疏程度的差别，塑料大致可以分为吸温或黏附水分的和不吸湿也不黏附水分的两大类。后者成型前必须进行干燥处理，以除去其中的水分。

6．定型速度

热固性塑料在成型过程中要完成交联反应，即树脂分子由线型结构变成体型结构，这一变化过程称为硬化。硬化速度通常以塑料试样硬化1mm厚度所需的秒数来表示，单位是s/mm，此值越小硬化速度就越快。硬化速度与塑料品种、塑件形状、壁厚、成型温度以及是否预热、预压等有密切关系。例如采用压锭、预热，提高成型温度，延长加压时间，都能显著加快硬化速度。此外，硬化速度还应适合成型方法要求。例如挤塑及注塑成型时，应要求在塑化、填充时化学反应慢、硬化慢，以保持较长时间的流动状态；但充满型腔后，在高温、高压下应快速硬化。硬化速度慢的塑料，会使成型周期增长、生产率降低；硬化速度快的塑料，则不能成型大型复杂的塑件。热塑性塑料在成型过程中没有硬化的交联反应。主要是塑料的凝固定型，定型速度与冷却效率等有关。