淺談TPU注塑制品典型缺陷的形成機理以解決對策

（派克漢尼汾過濾系統（上海）有限公司，上海201323）

淺談TPU注塑制品典型缺陷的形成機理以解決對策

葛良

（派克漢尼汾過濾系統（上海）有限公司，上海201323）

TPU材料注塑過程參數process control parameter的合理性直接影響其制品的機械性能、尺寸穩定性、外觀等產品技術要求。本文介紹了某款柴油過濾器總成水杯長期存在的尺寸穩定性差等質量問題的分析、解決方法，提高了制品的合格率，為TPU材料制品批量、穩定的加工提供了可以借鑒的經驗。

TPU產品開裂尺寸穩定性材料水分比重

1 前言

TPU是一種熱塑性聚氨酯彈性體橡膠，材料特性具有硬度范圍廣（60HA～85HD）；承載能力、抗沖擊性及減振性能突出；耐寒性突出（通常能達到-50℃，可取代一般PVC因低溫脆化而無法應用的各個領域）；加工性能好（常見有注塑、擠出、壓延等）；耐油、耐水性突出。TPU材料廣泛應用于汽車部件如防塵蓋、踏板剎車器、門鎖撞針以及過濾產品總成行業如柴油過濾器水杯等。

TPU材料對加工工藝參數有著嚴格的要求，只要有一個細小的環節出現偏差就會導致產品機械性能急劇下降、產品尺寸變化不穩定等問題，使生產企業合格率大幅降低。

2 TPU材質制品常見問題

2.1 柴油過濾水杯總成零件

水杯在柴油過濾總成部件中主要起到觀察經過過濾后的污染物的多少以方便用戶及時地將污染物通過排污閥及時排除和密封的作用。水杯還能集成加熱器等零件組成水杯組件，從而保證了柴油過濾器總成能擁有長期穩定的過濾性能以及柴油發動機具有良好的冷起動性能。

上述使用特性決定了水杯零件必須擁有以下兩種性能：（1）良好的機械性能以保證能承受內部柴油壓力的交替變化；（2）良好的尺寸穩定性以保證永久密封。

2.2 水杯總成零件常見問題

2.2.1 零件尺寸不合格

水杯螺紋尺寸檢測不合格，螺紋止規過，見圖1。該問題的產生直接導致了柴油過濾器總成安裝到柴油發動機后客戶進行出廠試車時出現水杯和筒體結合面密封不良的失效模式，使客戶的零公里投訴上升，嚴重時一個月內同一客戶就該失效模式投訴了50起之多。

2.2.2 零件開裂

安裝螺塞后，水杯開裂，見圖2。該問題的產生直接導致了生產線節拍降低、返工數量上升，影響客戶的訂單交付進度。

圖1 螺紋止規過

圖2 水杯安裝螺塞后開裂

3 問題分析和總結

3.1 問題分析

3.1.1 零件尺寸不合格

收集2個水杯，按照（圖3）所標識的尺寸進行為期2個月的跟蹤測量。測量結果顯示，剛生產完的水杯各項檢測數據均符合圖紙要求，隨著時間的推移，尺寸會漸漸變大直至超出圖紙要求（數據見表1）。

3.1.2 零件開裂

將開裂的零件本體取樣與材料樣塊進行紅外光譜對比試驗發現，兩者經過紅外光譜檢測顯示出它的特征峰值與波數基本吻合，可以排除材料本身的問題。

對比開裂零件和完好零件相同的部位，進行了體視鏡檢查后發現以下3個可疑特征：（1）故障零件裂紋上大下小，表明裂紋從上面開始裂開，見圖4；（2）故障零件裂紋上未發現有比較尖銳的角度，表明該裂紋不是受外力產生的，見圖5；（3）故障零件裂紋部位材料有熔融痕跡，表明材料受到過高溫且在結合時兩股材料流體狀態存在差異，見圖6。

對比完好零件的相同部位，則沒有發現有熔融痕跡，見圖7。

圖3 測量示意圖

圖4 故障件體視鏡低倍照片

圖6 故障件體視鏡高倍照片

表1 跟蹤檢測數據

圖7 完好零件高倍照片

3.2 問題總結

3.2.1 產品尺寸穩定性差問題

針對測量數據進行理論上的分析。由于TPU材料分子從微觀上觀察是個長鏈段，本身是卷曲狀的。當注塑時，由于注塑壓力，注塑速度等加工條件的作用，其進入模具后呈現拉直的狀態；但是分子本身一定會盡量回復成卷曲狀，所以高分子材料的收縮不可避免。在合理的加工工藝條件下，鏈段只會被微小的分離。分離后的鏈段其中的基團和分子比較多，意味著相斥力比較大，可以撐起比較大的體積和復雜的形狀，收縮比較小；隨著分子鏈段的分離，基團數量和分子比較少，那么相斥力也相對減小，體積、形狀變化不規律，收縮比變大。合理的加工工藝條件下，成品的尺寸變化率應該在0.2‰至0.4‰之間。然而，經過跟蹤測量后，可以明顯發現尺寸變化率大大超出了理論值。

3.2.2 產品開裂問題

圖8 模具示意圖

從零件的注塑工藝、模具結構來看，該裂紋部位在模具里是一個嵌件的結構。出現的熔融痕跡可以充分說明，兩股材料流體在匯合時沒有很好地結合從而導致了熔融痕跡的產生，見圖8。但是，光有熔融痕跡還不足以導致零件的開裂。因為當材料進入模腔，在注塑工藝參數的作用下，分子鏈段的輕微分離性保證了制品的機械強度和尺寸的穩定性；只有當注塑工藝出現異常，分子鏈段才會發生嚴重的分離，導致制品的機械強度出現明顯的下降和制品尺寸穩定性的不可控制。

綜上所述，零件尺寸變化不受控和零件開裂問題，最直接的原因為分子鏈段被嚴重分離。然而導致分子鏈段嚴重分離的根本原是因為塑料粒子中的水分在進入模腔前沒有被徹底去除。因為只有水分在高溫的作用下，會使長的高分子鏈段縮減成短的高分子鏈段。高分子材料的物理性能和鏈段長短有關系且成正比；如果鏈長很短，那么也意味著物理性能的損失相當大，反之亦然。

查閱材料加工技術手冊，TPU材料要求在加工前需要進行干燥處理，以免造成不必要的聚合物降解。加工前充分的干燥對于TPU來說是至關重要的。故TPU原料的烘干設備要求控制干燥空氣的露點值，露點必須在-40℃以下。如果干燥機中空氣的露點高于-40℃，那么干燥處理將反而會增加樹脂中的濕氣。對于TPU材料在加工時水份含量（重量）的控制必須低于在0.02%，最好是0.01%以下時，它能夠為產品提供非常卓越的綜合性能。而如果水分含量超過這個范圍，那么在加工時可能會造成TPU材料的嚴重降解[1]。

4 改進措施以及效果驗證

4.1 現行工藝評審

4.1.1 現行注塑工藝參數評審

造成熔融痕跡的產生可以通過調整注塑工藝參數來解決。現行的注塑工藝參數見表2。

表2 現行的注塑工藝參數

4.1.2 現行原料烘干工藝評審

在生產現場對原料烘干后的殘留水分進行了檢測。結果（見表3）顯示原料在現行的烘干工藝條件下水分含量大大超出了材料加工技術手冊的建議值。究其原因主要為：

（1）原料預烘桶密封性不良，導致原料在進入烘桶前已經吸附了大量的水分；

（2）原料在烘桶內裝的太滿。因為，烘料時熱氣從烘料筒下方往上吹，穿過粒子后從上方排出。當熱氣從粒子中通過時，會將粒子中的水分不斷帶出，如果全部裝滿粒子的話，熱氣到烘料桶上方碰到冷粒子，水汽會重新冷凝，黏附在粒子表面，造成粒子水分含量偏高。

表3 原料水分殘留檢測匯總

4.2 改進措施匯總

（1）調整注塑工藝參數，主要調整內容如表4所示。

表4 主要注塑工藝參數調整

（2）改進目前的烘料工藝，添置密封性能良好的預烘桶；

（3）通過調整抽料間隔時間，改進目前的烘桶裝料數量，使之保持在烘桶總量的70%左右。

4.3 改進效果驗證

經過注塑工藝優化后的水杯，經過3個月的連續生產再也沒有出現過開裂的問題。改進烘干工藝后，原料的殘留水分檢測達到預期，結果見表5。

表5 烘干工藝改進后原料殘留水分檢測

改進烘干工藝后，產品尺寸穩定性提高，跟蹤測量結果匯總見表6。

5 結論

經過為期半年的技術、質量攻關，終于使該零件的供貨質量水趨于穩定。回顧改進的過程，對于TPU材質的加工特性有了深入的了解。要想獲得良好穩定的TPU制品，必須在加工前對原料進行徹底地烘干。一般建議烘干后水分殘留控制在0.01%至0.02%之間。總之，在TPU材料的加工工藝中最重要的問題就是干燥！如果沒有辦法獲得徹底干燥的TPU，那么千萬別嘗試生產TPU材料制品。

1 TPU樹脂加工技術手冊[R]．上海：允圣貿易（上海）有限公司，2007．

Discussion on Defect Formation Mechanism of TPU Injection Product and Countermeasures

Ge Liang
（Parker Hannifin Filtration Products&Systems(Shanghai)Co.,Ltd.,Shanghai 201323,China）

The proper control of process parameters has direct influence on the mechanical properties, dimensional stability and appearance of TPU injection products.A diesel filter cup of TPU injection product has questions of size stability and crack for a long time,which affects the cup quality.Through careful analysis from defect formation mechanism,product dimensions to manufacturing process,the root causes is found and corresponding measures are taken to solve the problems,thus raising the qualification rate of the product.It provides a reference for making TPU products in mass production with stable processing.

TPU,product cracking,size stability,material moisture proportion

來稿日期：2014-04-15

葛良（1981-），男，工程師，主要研究供應商質量控制以及質量改進。

10.3969/j.issn.1671-0614.2014.03.012