[新版]射出成形的来由的实际与实务

[新版]射出成形的来由的实际与实务 射出成形的理由的理論與實務 一.射出成形理論 射出成形加工目前尚無法以數學式來 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示,當我們分析機械,材料和加工過程,其原因就會變得很明顯.大部分影響加工的因素------在料管和模具內的塑料溫度,溫度曲線,壓力流料速度,以及模具溫度和流動形態------在所有或非連續的孤立點都是無法量測的,而且加工過程的變化無法回饋至射出成形機以做成形條件的自動調整. 塑料的物理性質相關於溫度和速度是非線性的,而且是可壓縮,可伸張,彈性的,並且離模后性質易改變,這些性質可能隨著在模具內的塑料流向而有所不同;或是受環境影響隨時間而強烈的改變,在有些塑料結晶的變化程度是無法預知或再生的. 通常材料是以三種狀態存在著------固態,液態和汽態.當固體加熱而達到固態與液態的平衡點,此點稱之為熔點,此時繼續加熱也無法升溫直到物體吸收到足夠的熱能以轉換固態成液態,此熱能稱為熔解潛熱(THE LATENT HEAT OF FUSION),在塑膠加工,我們關心的是液態與固態而結晶性塑料從固態到液態的轉變是突然而易分辨的,但是非結晶性(AMORPHOUS)塑料此種轉變則不易分辨.假如我們以圖形來表示塑料的性質,諸如比容積(SPECIFIC VOLUME)或對溫度的熱容量(HEAT CAPACITY).我們可以看到在斜線上有一突然改變的定點.在熱力學上稱之為第二定律轉換點(SECOND ORDER TRANSITION),在塑膠科學則稱之為玻璃轉化點 Tg(GLASS TRANSITION POINT),在玻璃轉化點以下,樹脂是固化的並且尺寸穩定,特性如同固體,它具有些許彈性的脆化特性,而且其性質與時間無關.在Tg點以上,樹脂的動作將會是同粘流體(VISCOUS LIQUID)一般,並証明彈性體(ELASTOMERIC)的性質取決於化學結構與結晶程度,此時其性質高度依存於時間因素.對塑料的再加熱,使其達到熔融區(MELTING RANGE),在結晶性樹脂熔融區的上限就是熔點,在這溫度以上,則結晶無法存在,但是在非結晶性樹脂,就難以決定真正的熔點. 塑膠並非理想的固體,它們存在著由粘性或流動性質混合而成的彈性性質-----就是虎克彈性性質(HOOKEAN ELASTIC PROPERTIES)和延遲的彈性反應(DELAYED ELASTIC RESPONSES),因此稱之為粘彈性(VISCOELASTIC)材料. 在材料內有兩種能量系統,第一種是牛頓重力性質的位能(POTENTIAL ENERGY)由分子間的作用力而測得另一種是動態(KINETIC ENERGY),和系統內熱能有關,它是分子間任意的運動,稱之為布朗運動(BROWNIAN MOUEMENT).系統內其內能(熱能)愈高,則任意運動愈多.在固體,位能(分子間的吸引力)是大於動能(使分子變為分離的運動能),因此固體有固定的結構,因為分子間的吸引力強到足夠限制其相對運動.當大量的能量使其變為液態,則位能和動能變為相等,分子間彼上間能作相對運動.但是其凝聚力大到是以維持一個連續的介質(CONTIGUOUS MEDIUM). 塑膠有兩個主要的結合力(BONDING FORCE),就是共有原子價結合 子(COVALENT BOND),以及第二個力量,通常稱為VAN DER WAALS 力.共有原子價結合力存在於當電子在二個原子的外圍,並為其彼此所共有,這是典型的C-C(CARBON-CARBON)結合,並且是樹脂在商業應用上的主要結合力,它的分離能(DISASSOCIATION ENERGY)是83K CAL/MOLE. VAN DER WAALS力是自然的靜電力(ELECTROSTATIC),其分離能是2-5K CAL/MOLE,它們是在分子與分子鍵(MOLE-CULAR SEGMENTS)之間而隨著距離的六次方(SIXTH-POWER)而改變.顯然的,比起主要的共有原子價結合力,它們是小得多,但它們也是對流動的阻抗力之一部分.分子吸引能與保持原子在一起的結合力有顯著的不同,它通常稱為凝聚能(COHESIVE ENERGY),為分子從其鄰接者移動一段距離所需要的能. 假若我們取一立方吋的塑膠,將其升溫,其體積會增加,但是我們並未在立方體內加入任何的分子,因此分子間距離的增加是可信的,因為VAN DER WAALS力隨著距離的六次方而減少,因此,分子和分子鍵變得更易流動.因為這些力是一種指數形的降低,所以樹脂從固態到液態的性質改變,會有一相對的狹窄區間,稱為玻璃轉化點,因凝聚力為決定樹脂強度的主要因素,因此我們可以了解溫度對樹脂物性的重大影響. 在此提出一個塑膠分子的物理觀念,將使得塑膠的流動性質和特性易於了解,讓我們以PE塑膠為例,它是由ETHYLENE分子連接而成,在ETHYLENE(乙烯)其碳與碳之間的雙結合(SINGLE BOND)更不穩定.我們 能夠利用溫度,壓力和觸媒劑(CATALYSTS)造成乙烯分子彼此反應形成聚乙 烯: 乙烯 聚乙烯 ， ， ， ， ， ， C C : : : : ， ， n ， ， ， ， ,,, 當乙烯分子聚合,理論上它們能夠產生直線的碳連結(CARBON LINKAGE),如圖B之上圖所示,這稱為直線性型(LINEARTYPE)材料.它也可能聚合成非線性型態的碳原子而彼此連結,分枝而成鏈,如圖B之下圖所示,分枝的總量依制造方法而定,高壓加工比低壓系統有更多的分枝(BRANCHING) Figure A Plot of specific volume versus temperature for an amorphous polymer And a crystalline polymer,showing the glass transition temperature(Tg)and the Melting point (Tm). EFFECT OF BRANCHING Figure B Branching of polyethylene causes chains to be kept further Apart,reducing density and rigidity and affecting other properties. (Robinson Plastics Corp.) 更深入的了解樹脂分子的性質,首先必須知道碳原子是繞著其連結者而可 0自由轉動,並且能夠在180以內彎曲,旋轉和纏繞使得分子和分子鍵彼此糾 纏,這些凝聚力是由VAN DER WAALS型態之吸引力所組成,在樹脂另一種 型態的力量無庸置疑,就是碳-----碳連結(C-C LINKAGE). 從這些簡單的分子結構之概念,我們將能夠預知線性和分枝性材料的不 同性質. 密度(DENSITY):樹脂的線性結構,使得分子較分枝型結構更為緊密,也 就是更濃密(DENSE),在商用PE可分為三種密度:低密度PE其密度為 0.910-0.925 g/c.c.高密度PE通常稱為線性PE. 氣體和熔液的可浸透性(PERMABILITY TO GAESS AND SOLVENTS):因分枝型材料在結構上有較大的空間,因此氣體和熔液較容易浸透. 抗拉強度(TENSILE STRENGTH):線性材料,分子間較為緊密,所以有較強的內部分子(INTER MOLECULAR)(VAN DER WALLS)力,因為抗拉強度是由分子力的強度所決定,所以線性材料的抗拉強度高於分枝型材料. 伸長率(PERCENTAGE ELONGATION TO FAILURE): 因為線性型分子比分枝型分子能夠纏繞的更多,也因此更難以使其分離,所以使用強在的拉力,較易破丕其分子而不易產生流動和伸長,分枝型材料有較低的分子間強度,在破丕前較可能產生滑勸,而有較大的伸長率. 剛因性(STIFFNESS):線性型的分子較分枝型更為緊密,較少有機會作鏈的分裂運動(SEGMENTAL MOTION)以及BACKBONE的彎曲,因此較為剛固. 熱變形(HEAT DISTORTION):在負載下的熱變形溫度(H.D.T)為一根試棒在已知的負載下產生66或264 PSI的外部縴維(OUTER FIBER)的應力,將會造成變形的溫度,在一固定的溫度,高密度材料的分子吸引力(FORCES OF ATTRACTION)比低密度材料大.因為其分子鍵較為緊密,因此它將吸取定量的熱能以分離線性分子到某一距離,以使其吸引強度等於分枝型,這種額 外的熱需求,事實上就是線性材料在一定剛固性時能夠吸收更多的熱,因此它 0的熱變形溫度較高,低密度PE一般的熱變形溫度為100F,中密度PE為 0 0130F,高密度PE則為160F. 軟化溫度(SOFTENING TEMPERATURE): 高密度材料的軟化溫度高於低密度材料,其原因如上所述. 硬度(HARDNESS): 硬度是由穿透力試驗(PENETRATION TEST)所測得,而線性型分子較為緊密,也就是對穿透力的抵抗較大,因此硬度較高. 抗潛變性(RESISTANCE TO CREEP): 潛變是由一已知力(應力)造成一流動的量(應變),線性型材料有較高的分子間力(INTERMOLECULAR FORCE),因此有較高的抗應變(STRAIN). 流動性(FLOWABILITY): 因為線性材料有較強的分子吸引力,因此它比分枝型材料較難流動. 壓縮性(COMPRESSIBILITY): 分枝型材料分子間有較大的空間,所以較易壓縮, 沖擊強度(IMPACT STRENGTY): 因為線性材料比分枝型有較大的分子吸引力,通常都認為它會有較高的沖擊強度,但事實不然,我們知道,沖擊力是沿著結晶性組織的交界面快速的擴散破裂,因為線性材料的分子較為緊密,所以較容易結晶化,線性材料的較高 結晶度也就成為其降低沖擊強度的原因. 改變樹脂密度對於其性質會有如表1所示的影響. Table 1 Effect of density on polymer properties – Increasing Density causes the indicated change in the property Listed in the first column Increasing density Changes the Increase Decrease Yield(Pcs/lb) X Permeability to gases and solvents X Tensile Strength X Percentage elongationtto failure X Stiffness X Heat distortion X Softening temperature X Hardness X Resistance to creep X Flow ability X Compressibility X Impact strength X 結晶(CRYSALLINITY) 結晶性(CRYSTALLINE)材料是由非結晶(AMORPHOUS)部分以及結晶 部分所組合而成的,而結晶性材料的性質如PE PP PA 和POM是被非結 晶性材料的含量,結晶狀態的含量,性質,以及配向性(ORIENATION)所影響. 對固定的樹脂,其性質主要決定成形條件和成形后處理(POST MOLDING TREATMENT). 當結晶性樹脂被熔融時,分子被擴張分離,因此不再有一固定結構.大的分 子鍵振動和旋轉造成一個全面的非固定結構(DISORDERED STRUCTURE),當樹脂冷卻時,若達到分子的吸引力強到是以防止其自由運 動,並且固定位置旋轉和振動.因為分子結構相同,而這距離是由溫度所控制, 在一個固定的溫度其影響很大,並使材料開始結晶,這就是我們所知的結晶溫 度,其溫度通常比熔融平衡點(EQUILIBRIUM MELTING POINT)低10度或 更低點. 結晶性樹脂的熔解潛熱(LATENT HEAT OF FUSION)就是熔解或形成結晶所需要的能,在HD PE(HIGH DENSITY PE)其值為104BTU/LB,ACETAL 為70BTU/LB,LDPE為56,NYLON為66,例如加熱ACETAL至成形溫度(MOLDING TEMPERATURE)約需180BTU/LB.其中70 BTU/LB是用來熔解其結晶結構,相反的,對於PS,因為PS為非結晶樹脂,則不需要熔解潛熱,因為它沒有結晶需要被熔解,在此必須註意,就是一般射出成形機的料管輸出功率是以PS為計算標准,因此對於結晶性材料,則必須考慮熔解潛熱的額外需要. 在結晶性材料,分子是在一個固定的結構上,比非結晶狀態占有小很多的空間,結晶化代表了容積的突然減少,因此結晶性樹脂顯示了比非結晶性樹脂較大的收縮,因為非結晶性樹脂不會有由於結晶化所造成的容積改變.結晶化的程度是隨著成形條件而改變,所以高結晶性材料通常較難保持容差(TOLERANCE). 對於一個成形者,他可以在一定的范圍內,靠著調整下列的成形變數以改變樹脂的結晶程度: 1. 模具溫度 2. 離模后成品的冷卻方式 3. 成形周期 4. 射出與保持壓力 當樹脂在模穴內,較高的模具溫度使得分子有較大的運動,這種條件提高了分子間的緊密度,使得成品被冷化成結晶狀態,因此較高的模具溫度,產生較高的結晶度,相同的,成品較快的冷卻速度,會降低其結晶度.壓力也會提高結晶率,因為它使得分子鍵更為緊密.但是成形周期則可能提高或降低結晶度,這將取決於模具溫度,射出壓力與成形周期間的相互關系. 對於固定的材料,其收縮量取決於結晶度,而結晶組織其分子較非結晶(AMORPHOUS)組織更為緊密,因此結晶度愈高,則收縮量愈大. 以下將討論結果對材料物理性質的影響: 密度(DENSITY):因為結晶使得分子結構更緊密,因此密度隨著結晶度的提高而增加. 剛固性(STIFFNESS):塑膠的撓曲性(FLEXIBILITY)決定於其鍵的轉動能力.結晶組織阻礙了此種轉動,因此結晶材料是較相同塑膠在非結晶狀態下更為剛固,在結晶度70%的PP其抗拉模數(TENSILE MODULES)(SIFFNESS) 得65,000PSI,但當結晶度為95%則抗拉模數(STIFFNESS)提升到150,000PSI. 抗拉強度(TENSILE STRENGTH):抗拉強度隨著結晶度的提高而增加,對於較緊密結合的結晶組織,比非結晶材料需要更大的力量去破丕其結合狀態,在結晶化70%的PP其抗拉降伏強度(TENSILE YIELD STRENGTH)(使樹脂開始流動所需要的力量)是4000PSI,提高其結晶化至 95%,則其抗拉降伏強度也升高到6100PSI,因為流動主要是在非結晶部分,因此較高非結晶材料,較低的結晶化,將會有較高的破裂伸長率(THE PERCENT ELONGATION AT BREAK),對於一慢速冷卻的PP,其降伏強度為3750PSI,斷裂伸長率為50%,相同的產品,快速冷卻,將降低其結晶,同時也降低其降伏強度至3000PSI,但是其斷裂伸長率卻提高至80%. 沖擊強度(IMPACT STRENGTH):從結晶組織的強度之觀點,我們會認為沖擊強度會隨著結晶的提高面增加,但,事實不然,在結晶組織沖擊能(IMPACT ENERGY)會沿著破裂的結晶介面迅速擴散,這在有些工業反而被有利的利用,如鉆石切割,但在成形上它卻是個顯著的缺點.70%結晶化的PP其缺口沖擊強度(NOTCHED IZOD IMPACT STRENGTH)為2.8呎-磅/吋,但結晶化提高至95%,其沖擊強度降至0.9呎-磅/吋. 收縮(SHRINKAGE):如目前面所提到的,提高結晶度會降低體積,也因此提高收縮率. 硬度和耐磨性(HARDNESS AND ABRASION RESISTANCE):硬度是由穿透深度而量得,它會隨著結晶的增加而提高,但結晶率在80%以下,其變化不顯著.而耐磨性也會隨著結晶化而提高,在實用上,成形條件對硬度和耐磨性的影響很小. 熱性質(HEAT PROPERTIES):提高結晶化可提升軟化和熱變形溫度(HEAT DISTORTION TEMPERATURE).較高軟化溫度或熱變形溫度是由於樹脂在較高溫度仍保有其剛固性,因為剛固性是決定成品從模具頂出的因 素,因此較高的結晶化,需要有較高的料溫,模溫以及較慢的冷卻速率,如此又增加了冷卻時間,因此結晶化對成形周期的影響,有時是難以判斷,但是對較薄的成品,較高的結晶化,將對降低成形周期較為有利. 抗應力龜裂性(STRESS CRACKING RESISTANCE):較高的結晶化會降低其抗應力龜裂性,其原理與沖擊強度隨著結晶化的提高而降低是一樣的,因此,較高的模具溫度(促成較高結晶化)提高了應力龜裂的影響.現以一PE 0000制的洗碟盆作試驗,讓它成形在模具溫度為118,135,150和175F,然后做應力龜裂性試驗(成形后24小時),則其失敗率為30%,60%,80%和100%. 光學性質(OPTICAL PROPERTIES):目前尚沒有一個簡單的說明結晶與光管性質的關系.較高的結晶將會有較高的表面光度,通常較高的結晶度將造成透光率的降低和霧狀的增加,但是NYLON較高的結晶度會提高其透光性. 翹曲(WARPAGE):結晶性材料比非結晶性材料更易於翹曲,這主要是由於溫度對結晶的影響.當一個非結晶材料冷卻時,成品的密度主要取決於模穴內塑料的充填量,但是,結晶性材料則又受著塑料在模具內不同溫度影響其結晶的變化,這造成了不同的收縮和密度,而建立了較高的內應力,當應力超過樹脂的容許范圍,就會產生應變成翹曲. 黏度(VISOSITY) 當粘性材料流經管子,鄰近於管壁的粘性材料會有一層狀附著於管壁並且不會流動,其下層則為流動狀態,並有滑過管壁附著層,愈向中心,流動率愈大, 如附圖所示.這種想像的層狀移動就是 SUBFACE HIGHLY ORIENTED SUB-SURFACE ORIENTATION FROM HIGH SHEAR NEAR WALL Fig 19-2 Cavity melt flow model(looking at part thickness) 一種剪切作用,這種剪切型態發生在射出成形中的料管,噴咀,豎澆道,流道,澆 口以及模穴.作用在流體造成剪切作用的單位壓力叫做剪應力(SHEAR STRESS).層狀間的移動速度叫做剪變率(SHEAR RATE),現在,以方程式的 方式來表示: 剪應力 U(粘度)= 剪變率 = = 2 單位壓力?面積 P?Rπ PR S(剪應力)= 流動阻抗面積 2πR?L 2L 3 Q:流量(IN/SEC) R:流管半徑(in) L:流管長度(in) P:壓力(psi) 2 U:粘度(lb,sec/in) H:矩形導管高(in) W:矩形導管寬(in)通常為2h. 3 R(剪變率)=4Q?πR(用於園柱形) 2 =6Q?Wh(用於矩形) 4 s PR 4Q πPR = = 粘度= r 2L πR3 8QL 4 Q=πPR?8uL(用於園柱形) Q=Ph4?9uL(用於當W=2h之矩形) 因此,牛頓流體(就是剪應力隨著變率而改變)的流動行為,是每秒的流量(Q)依單位壓力(P)和流路幾何形狀(R)而定,並且隨著流路長度(L)和粘度(U)的增加而減少.但是,粘彈性(VISCOLASTIC)材料的行為就無法如此可預測.其粘度的改變是隨著剪應力而改變,而剪應力和剪變率間的關系並非依照粘性流動的法則,因此,若想求得粘度值,則溫度,剪應力,以及在特定的剪應力之下的剪變率都需被預知,而且,各種塑料的剪應力會因分子結構的不同而有所變化.如剪變率敏感性材料(SHEAR-RATE SENSITIVE)或剪變率非敏感性材料(SHEAR-RATE INSENSITIVE). 剪變率敏感性材料,對於壓力的反應是:分子容易改變並且會在流向同向,粘度會降低,因此變得較易流動,它們通常有較低的分子量(MOLECULAR WEIGHT),也就是分子鏈較短.物性較低,流向和垂向的收縮差較大,並且在流向較易配向,因此,在流向和垂向的強度也不同.而剪變率非敏感性材料是由長鏈分子組成,其分子長達數百呎,甚至數哩,這些長分子是被此纏繞,以至於剪應力的使用僅會造成更大的糾纏,而結果是力量的增加,並不會使粘度降低,並且,因為分子結構的纏繞形式可能被攬亂,因此會影響物性.為了更正確的了解剪變敏感性材料及剪變非敏感性材料的粘彈性流動行為,讓我們想像一條纜線,是由許多標准而平行的細線所制成,假如我們試著推動這纜線通過一個相同尺寸的開口,在接近開口壁面的線會有附著於壁面的趨勢.而其他的線則會向著力的作用方向而移動,線的移動速度會有不同,在中心處的速度最高,當中心部分通過開口,其他部分的線則會跟進,因此而產生了流動.這種現象符合了剪變敏感性塑膠的流動. 對於剪變非敏感性塑膠,讓我們想像一條纜線由許多成螺旋狀纏繞的細線所組成,當我們推動這纜線通過等尺寸的開口,此時線將糾纏的比原來更為嚴重,力量的繼續增加,將會危害甚至於破丕這些細線,而無助於纜線的流動能力,這種情況是相似於剪變非敏感性塑膠,當推動此類膠通過一個不正確尺寸的開口,將會造成物性的惡化. 在流體研究方面,目前已經發展出一個計算壓力降的經驗公式,它能夠顯示所有因素間的相互關系: Pd=f q2?0.0123 L Pd:壓力損失(psi) 4 df:摩擦系數(無因次) d:導管內徑(in) L:導管長度(ft) q:流量(gpm) 對於平滑的鋼管,f值約為1/15,這是塑膠材料流動在平滑流路,相對於壓力降的代表值. 在此又產生另一個疑問:就是如何把這些理論觀念和公式與產品制造產生關聯?流動法則為: 4 πPR Q= 8uL (用於園形導管) 除了粘彈性材料的粘度和粘度值為常數的牛頓流體之情況不同外,這公式可被應用在粘彈性材料.無論如何,在成形的操作中,有一相同的簡易方法用來決定粘度值,就是靠著在一固定的時間內輸送定量的塑料進入模穴.只是要是周期間的狀態都是一樣的,則我們可以確知,塑料之粘度為一定值.有些粘度的制程控制是基於量測螺杆移動一精確距離所需的時間,而當時間值不在預先設定的范圍內,則會有一信號輸出作為調整. 3 Q是指塑料流量(in/sec),它是由決定輸送到液壓缸油量的流量可變控制閥所控制.也就是使得塑料流至加熱室的運動,這種運動可能從1秒至10秒, 主要是決定於控制閥的設定,在大部分的情況,塑料在1秒到2秒之間,這就是說整個模穴的充填,幾乎是瞬間的,對於大部分的材料,都是希望如此,因為這將使得在模穴內每一處的固化時間較為接近,而在整個模穴內的均勻料溫,會降低應力,並且使得接合線的強度較強. 在方程式中另一個相關的變數量澆口的深度或半徑,因為澆口是整個流路系統中,最小的流料點(直接澆口例外),假設我們要對澆口的尺寸做修正,則我們必須知道,對於一個園形的開口,直徑加大10%,或則對於一個四方形的澆口,深度加深10%,將可使塑料流量多4.7%.而且太小的澆口也可能在澆口附近造成一些成形的問題如流紋(FLOW MARK)或噴流紋(JETTING),或是造成成品縮水或充填不良.當然,太大的澆口尺寸,也會有一些問題,例如因為澆口封口(SEALING)時間的增加,而增加成形周期,或是留下較明顯的澆口痕跡,對於有些產品,這將是不可忍受的缺陷. 在方程式中下一個影響的因數是壓力(P),它提供在成形過程中剪切作用的能源,並代表了在螺杆轉動功的輸入,促使塑料向前運動的壓力,以及螺杆轉動時所施加的背壓(BACK PRESSURE)和在成形產品時所產生的壓力降.在設定這些壓力值時,必須小心使壓力所產生的熱以及料管提供的塑化熱能的總合,能夠使得塑料獲得所期待的粘度.太高的功輸入,可能造成實際的料溫高於所設定的溫度.對於剪切應變非敏感性材料,必須特別注意,在整個塑化熱能的需要上,由功的輸入和來自壓力所產生的熱,必須是只占小比率,也就是說,必須保持較低的背壓和較慢的螺杆轉速. 相關於方程式的最后一個因數是流路長度,當我們提到流路長度,必須考 慮的是有效長度,而不只是尺寸上的總合長度.每次流路轉彎時,有效長度會 變得較大,而其值的變化主要取決於轉彎處的形狀,從壓力降的實驗公式,我 們發現流路的表面粗度會影響有效長度,下圖顯示了轉彎處的形狀對有效長 度的影響.表面粗度為50rms是最有利於流動,因此豎澆道(SPRUE),流道 (RUNNER),澆口(GATE)和模穴的拋光都必須符合此一 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 . 表面粗度50rms R=1/3 to 1/2 of D h=1/3 of D Fig 7-5 Effective length of runner bends. For R=1/3 to 1/2 of D. effective length is Li for sharp corners effective length is 25 Li for chamfer h=1/3 of D. Effective length is 2.5 L.