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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(duì)形態(tài)重要性的認(rèn)識(shí)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(duì)成型化合物進(jìn)行熱機(jī)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(shí)也確定了材料的使用性能。塑件性能對(duì)于某一種塑件形狀不一定就是最佳的性能，如高機(jī)械強(qiáng)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(gè)穩(wěn)定的塑件形狀，但也是一個(gè)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(gè)事實(shí)就變得清楚了：只能通過對(duì)注塑加工進(jìn)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(diǎn)，也包括了對(duì)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(xué)因素為基礎(chǔ)，對(duì)于半結(jié)晶熱塑性塑料，還必須考慮到結(jié)晶動(dòng)力學(xué)。然而，在塑料加工業(yè)內(nèi)還沒有對(duì)此的普遍認(rèn)識(shí)，尚待向人們灌輸這種思想。 對(duì)加工POM的研究 以易流動(dòng)的共聚甲醛（POM）為例子，人們就注塑加工過程中工藝條件對(duì)所制塑件最終性能之影響進(jìn)行了研究和探討。 為做這個(gè)研究，按照DIN/ISO 527標(biāo)準(zhǔn)，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?yàn)檫@是原材料制造商為高品質(zhì)塑件所推薦的溫度。在一臺(tái)鎖模力為220kN的注塑加工機(jī)上加工成型化合物。螺桿直徑是18mm，機(jī)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(jī)械強(qiáng)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(shí)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(qiáng)度。注射速度數(shù)值被標(biāo)準(zhǔn)化為20cm3/s,拉伸沖擊強(qiáng)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(dòng)態(tài)熱差法（DSC）對(duì)不同樣板進(jìn)行的補(bǔ)充性研究只突出了開始時(shí)形態(tài)上的細(xì)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(gè)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(dòng)態(tài)差分熱量測定的結(jié)晶過程，可明顯看到，當(dāng)聚合物加工過程中的注射速度逐級(jí)上升時(shí)，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(huì)因?yàn)榧庸さ脑蚨霈F(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(jìn)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(huì)導(dǎo)致對(duì)品質(zhì)的不正確評(píng)估，因?yàn)樵谶@里沒有差別是顯而易見的。只有當(dāng)結(jié)構(gòu)是在一個(gè)不直接的基礎(chǔ)之上被評(píng)估時(shí)，這才會(huì)突出存在的區(qū)別。 在極化發(fā)射光下對(duì)不同樣品的薄斷面（約10mm）進(jìn)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(dāng)注射速度提高時(shí)，能觀察得到的非球狀外層的厚度由102mm急劇下降到30mm，同時(shí)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?dú)w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(qiáng)度比具有圖2中左邊所示結(jié)構(gòu)相同塑件的沖擊強(qiáng)度要低上100％。 圖2：加工對(duì)形態(tài)結(jié)構(gòu)的作用加工對(duì)流變性能的影響 在不同注射速度下加工易于流動(dòng)的POM，明顯對(duì)材料的流變性能起著深遠(yuǎn)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(dòng)性（在注塑加工模具內(nèi)的壓力傳送）發(fā)生變化，進(jìn)而結(jié)晶動(dòng)力學(xué)發(fā)生變化。已經(jīng)測量和討論過的DSC曲線表示進(jìn)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(jì)是UDS200型號(hào)。取100mg的樣本，流變計(jì)承受210℃溫度下、0.1-100s-1 范圍內(nèi)的對(duì)數(shù)遞增剪切速率，間隔寬度為0.1mm。 這些結(jié)果證明了當(dāng)注射速度提高時(shí)，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(jìn)行變化，這是從注射速度升高時(shí)零粘度下降可清楚看到的事情。 結(jié)論 所報(bào)道的研究表明，不同的注射速度對(duì)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(duì)加工中的POM熔體起著作用。這種變化要?dú)w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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所證明的。隨著塑件形成過程當(dāng)中熔體冷卻下來時(shí)，POM熔體的流變性能與實(shí)際熔體溫度和熔體壓力一起確定著晶化動(dòng)力學(xué)。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(duì)于易流動(dòng)的共聚甲醛，脆變是明顯的，它會(huì)降低薄壁塑件的沖擊強(qiáng)度達(dá)50％。這個(gè)研究結(jié)果是與在實(shí)際中觀察到的是基本上一致的。所探討的現(xiàn)象對(duì)于流動(dòng)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(duì)塑件品質(zhì)作出一個(gè)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(shí)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(shí)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(duì)塑件的潛在傷害。 需要作進(jìn)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(shí)現(xiàn)塑件的最終穩(wěn)定性能。
