優化高性能聚合物成型

文/赫斯基注塑系統公司Mohammad Rafi

當成型耐高溫、耐磨損及機械性能優異的高性能樹脂時，采用直接澆口熱流道系統可以較傳統冷流道節省成型商的時間和金錢。

熱流道系統在20世紀60年代推出，用于成型通用聚合物，如聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）和聚苯乙烯（PS）等。自那時以來，技術創新提高了熱流道系統的能力。注塑行業已從熱流道直接澆口成型通用聚合物部件到采用熱流道系統生產工程聚合物部件，如聚碳酸酯（PC）、聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）和聚甲醛（POM）等。工程樹脂是高強度塑料材料，具有超過通用塑料的優越機械性能和熱性能。它們往往耐高溫、耐磨損和抗腐蝕。

圖1 這種聚合物分類有助于識別你正在使用的材料，進而可以使用合適的熱流道系統（圖片來自赫斯基注塑系統公司）

對于工程聚合物或耐高溫聚合物的應用，必須小心以確保熱流道歧管的熱穩定性，并且沒有材料停留和降解的死點或區域，以及沒有過熱點或過冷點。這些樹脂對溫度和停留時間敏感，意味著這些材料如果暴露在高溫下一段較長的時間后將會降解。因此，熱流道系統中總的流道容積不應該超過幾次注射量；注塑機的尺寸應使部件總的注射重量約占機器注射量的70%左右。由此，熔融塑料經過多次循環后不會留在機筒內。

由于缺乏對這一標準的理解，耐高溫聚合物部件成型多采用冷流道技術（如圖1所示）。然而，由于工程樹脂價格昂貴，許多情況下冷流道廢料不能回收再生，因此冷流道并不是最佳的解決方案。其實，目前使用工程聚合物的任何冷流道應用，都可以從轉換到熱流道系統中受益——從冷流道轉變為熱流道和對耐高溫聚合物塑料部件采用直接澆口，可以產生多達50%的節省，其中包括來自樹脂廢料、能源、人工和模具的節省。

在耐高溫聚合物成型中，一個重要的發展是聚芳醚酮（PAEK）的推出，它是一系列耐高溫的半結晶熱塑性塑料。聚醚醚酮（PEEK）屬于該系列，由于其熱穩定性（在高至260℃的溫度范圍內可用）、比強度高、耐沖擊、耐化學品和抗輻射以及尺寸穩定性，它是一種比較流行的工程樹脂，特別是對于具有薄截面的復雜幾何形狀部件已成為最佳選擇。

PEEK成型的例證

圖2 當為PEEK部件開澆口時，考慮閥式澆口和標準熱注道式澆口。因為熔體熱量可通過噴嘴/閥桿或澆口尖被帶到澆口，使澆口區域保持一個較高的溫度

圖3 這種帶有一個通孔尖澆口的偏置岐管適合于半結晶樹脂，如PEEK，因為它沒有材料保溫區域，而是通過噴嘴把熱量導入澆口，使它保溫

為了幫助證明這些樹脂和發展熱流道的重要性，我們在成型一種移動設備外殼（后蓋）時，考慮了加工要求和將要遇到的問題。由于部件是要求具有較高強度和剛度的薄壁產品，因而宜采用PEEK樹脂成型。

該試驗項目有一些挑戰。首先是澆口。在這些部件上采用直接熱尖型澆口不是一個好的選擇，因為PEEK樹脂在正常的加工溫度下會凍結。而提高尖端溫度（在澆口處）至340°C以上會導致樹脂降解，因而也不推薦魚雷式熱尖用于PEEK部件澆口。考慮的其他形式澆口包括閥式澆口和標準熱注道式澆口（如圖2所示）。采用這些澆口樣式，當熔體熱量通過噴嘴/閥桿或澆口尖端被帶到澆口時，澆口區域保持在較高的溫度下。

這種移動設備后蓋長102 mm，寬38 mm，壁厚1 mm，采用直接閥式澆口熱流道系統，在一臺180 t的注塑機中用一副單落偏置熱流道模具成型。這種單落偏置熱流道包括一個帶有通孔尖澆口的閥式澆口噴嘴（如圖3所示），該系統沒有材料保溫區域，而是通過噴嘴把PEEK要求的熱量導入澆口，使它保溫。

工程聚合物成型受益于熱流道

圖4 該圖描繪了塑料壓力與充模速度的關系，它顯示了一個使用直接閥式澆口熱流道系統的PEEK樹脂部件，其最佳充模時間為0.32 s，峰值壓力為10 954 psi

圖5 當采用正確的設備和加工條件時，移動設備外殼項目的高分辨率圖像展示了可實現的澆口質量。上面的高分辨率圖像顯示了澆口質量，下面的圖像顯示了具有良好澆口質量的成型部件

圖6 在低注射速度下，由于凝固發生得太快，部件的表面上出現了連波紋。增加注射速度可消除這些連波紋

PEEK是一種半結晶熱塑性塑料，它們的熔融溫度范圍在350～400℃，模具溫度在150～200℃的范圍內。由于PEEK樹脂的加工溫度高，熱流道系統，包括加熱的岐管和噴嘴，必須能夠保持較高的溫度，使樹脂處于熔融狀態。氣動閥式澆口執行器在這些極端的操作條件下表現良好。

加工之前，樹脂必須在120～150℃適當干燥 3～5 h。如果樹脂沒有經過適當干燥，那就可能在部件中形成放射斑或暗泡，從而影響部件的質量。請記住，注射速度、保壓時間、保壓壓力、注射量和加工溫度（熔體和模具）影響部件和澆口的質量，所以這些參數中的每一項都必須充分優化，以建立一個更寬廣的加工窗口，提高部件的質量和可重復性。為了優化部件的充模時間，在設定的熔融溫度385℃和模具溫度170℃下以不同的注射速度多次運行——從300 mm/s的高注射速度開始，然后減慢到25 mm/s。結果表明，部件需要更快的充模。最佳的充模時間被確定為0.32 s，峰值壓力為 10 954 psi（1 psi=6.895 kPa），如圖4所示。澆口的高分辨率圖像證明了澆口的質量通過采用正確的設備和加工條件得到保證（如圖5所示）。

在采用390～395℃熔融溫度的加工過程中，還觀察到澆口痕跡。我們降低熔融溫度解決了這個問題。此外，在低的注射速度下觀察到部件表面上的連波紋和溝槽。這是由于凝固發生得太快，樹脂流動的高阻力產生了不均勻的鋒面流動，并且固化的樹脂不充分接觸型腔壁。甚至更長的保壓時間也無法消除連波紋（如圖6所示）。我們通過增加注射速度，消除了波紋和溝槽。

雖然成型溫度在350～400℃范圍內的耐高溫聚合物具有一些挑戰，但直接澆口熱流道仍然是中小型部件成型的最佳選擇。模具制造商和注塑成型商可以證明為這類塑料件增加直接澆口而增加的前期成本是合理的，因為在產品生命周期內它節省了大量成本。關鍵是選擇一個合適的熱流道設計，以確保從注道襯套到澆口的整個熔體料道都保持在設定溫度的±5℃以內，避免結晶聚合物有任何過熱點/過冷點。