聚丙烯注塑加工成型收缩率的影响因素

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聚丙烯注塑加工成型收缩率的影响因素

塑料制品的质量取决于材料(树脂、加工助剂等)的选择和注塑加工条件。塑料成型加工是一门科学与工程紧密结合的交叉学科，其任务是：了解材料的特性，确定最适宜加工条件，制取最佳性能产品。热塑性塑料注塑制品成型时收缩率与结晶度及球晶大小密切相关，球晶与聚合形式及助剂有关，而结晶直不仅取决于化学结构而且还受到加工过程中冷却速率、熔体温度、模具温度、制品厚度等的影响，给模具设计确定型腔尺寸和控制制品尺寸精度带来困难。生产中迫切需要了解注塑工艺对各种塑料收缩率的影响规律。聚丙烯具有较高的结晶性，给产品带来较好的刚性，但也决定了其较大的制品成型收缩率，给其在注塑领域的应用带来了不少的限制，通常，PP的结晶度通常为40～70％，其它为非定形区，由此它的成型收缩率会出现在1~2.5％范围内。在与一些下游应用厂家的交流中经常碰到需要解决降低PP的成型收缩率的问题。因此不少石化研究院所对在PP 的生产和加工两个过程中如何降低其收缩率等问题进行了研究。

2 常用聚丙烯加工技术

聚丙烯作为增长最为强劲的通用塑料，与其具有较宽的成型加工适应性有很大关系。如PP可注塑、吹塑、真空热成型、涂覆、旋转成型，也可熔接、机加工、电镀和发泡等，并可在金属表面喷涂。目前，常用的聚丙烯成型加工技术有注塑、挤塑、薄膜、发泡等。

常用聚丙烯按聚合方式及其链段结构的不同，可分为均聚、无规共聚以及嵌段共聚，通常注塑采用均聚和嵌段共聚PP，挤塑三种都可以使用，吹塑和薄膜(如 BOPP)可采用均聚和无规共聚PP。目前市场上注塑成型和挤出PP使用量较大。一般注塑温度在180~210℃之间，注塑压力在65~140MPa，模具温度为40~70℃。预干燥温度在80℃左右[1]。

3 聚丙烯的成型收缩性与注塑工艺

聚丙烯的成型收缩率一直是注塑厂家所关心的指标，成型收缩率包括结晶收缩，取向收缩、热收缩、负收缩和后收缩。通常，PP从注射温度降低到室温时，体积收缩较大，收缩率一般在1％~2.5％，且具有各向异性，并存在占总收缩宰10％-15％的后收缩[2]。

成型收缩率的大小与树脂性能、注塑工艺参数、制品壁厚及是否有颜料存在有关。其中注射压力和树脂温度的提高对降低成型收缩率有利，且对产品的其它性能无不利影响。因此在注塑过程中，往往选用较高的注射压力，以防止物料在充模时的冷却效应给流动性带来不利的影响。以下分别是注射压力、注射时间、模具温度及树脂温度对成型收缩率的影响[3]。

3.1 注射压力

注射压力是指螺杆端面处作用于塑料熔料单位面积上的力，也可以指注射时的充模压力，随着充模压力的提高，制品成型收缩率随之减小。如进行塑瓶生产时，当充模压力从5MPa增大到10DMPa，瓶体收缩率由1.66％降低到1.62%。因此采用高压注射使充模压力增加有利于降低制品收缩率，其降低收缩率的原因是当高压注射时，塑料分子间受到的压缩程度增大，分子与分子之间的结合更紧密，进而制品收缩程度相应变小。

封口压力是指熔体在特定温度和压力下交入模腔并一直持续到浇口封口这一段压力。封口压力对制品收缩起决定性作用，封口压力越高，制品收缩越小；如果注射时的工艺条件和设备不能保证稳定的封口压力，就会使制品产生收缩被动，影响制品的尺寸稳定性。封口之前的模腔压力取决于保压压力，保压压力实际上可看作维持保压阶段的注塑压力，如果浇口冻封时间是一定的，那么提高保压压力必须使浇口的封口压力提高，保压压力对浇口封口压力的影响实际上就反映了对收缩率的影响，而保压压力实际上也是注塑压力的直接反映。图3显示注射压力核成型收缩率的关系。

充模速率是指充模时的线速度，充模速率对PP制品收缩率的影响较复杂。从料温与传压的角度来说，提高料流的速率有利于压力的传导，使收缩下降。但注射速度太大，摩擦生热大，制品体内应力增大，增加各向异性，制品收缩率也增大。

充模速率是由注射速度确定的。另外也受模具结构影响(如浇口截面高度与模腔深度的比值)。充模速率对成型收缩宰的影响具有双重性，如果从分子结构方面来看，提高充模速率将会使结晶和取向作风加强，结晶收缩和取向作用都会增大，成型收缩率具有增大趋势；但是充模速率增大以后，有助于克服熔体进入膜腔时的困难，如果注射时间不变，则模腔内的进料量必然会增加，这意味着补缩时间相对延长，于是成型收缩率将会下降。图4显示注射时间与成型收缩率之间的关系。

3.3 模具温度

模具温度是控制制品冷却定型的主要因素，它对成型收缩率的影响主要表现在浇口冻结后制品脱模之前这段过程。浇口发生冻结后，模具温度对浇口封口后PP制品的收缩起主导作用。它通过分子的冻结取向影响型腔表层冻结层的厚度和形成速度，此时注射压力和保压力的影响将会消失。随着模温的升高，冷却定型时间亦将延长，故脱模后制品收缩率一般都会增大，这是因为模温高会使塑料结晶固化层的增长速度减慢，此温度因与环境温度的差别加大，引起制品热胀冷缩的作用相对增大，因而收缩率相应增大。而降低模温可使冻结层迅速变厚，减小制品收缩率。图s示出模具温度与收缩率的关系。

3.4 熔体温度

PP制品在保压流动和冷却定型阶段的收缩都随熔体温度升高而增大，其中料流方向收缩率降低得尤为明显，当熔体温度较低时，料流方向的收缩率大于垂直方向的收缩率，随熔体温度升高，收缩的方向性较小，并出现一拐点，注塑温度应高于此温度为宜。但在实验过程中，也有随着机筒加热温度的提高，其收缩率反而有所降低的情形。图6示出机简温度与制品收缩率的关系，这可解释为熔体温度升高导致粘度降低，若保持注塑压力和保压压力不变，则传递到模腔的压

力会相应增高，由于浇口处温度较高，浇口的封口时间就可能延长，这有利于补充物料和增加密实程度，也可减少收缩。

但是，在试验过程中还发现，熔体温度高时要相应提高锁模功率；这势必增加模具和顶出机构的负担，同时也延长了制品的冷却周期，导致生产率降低，因此在实际生产时最好不要采用提高机筒温度和熔体温度的办法来提高充模能力，尽量使用低温模塑。

3.5 PP的结晶性对成型收缩率的影响[2、4]

PP 属结晶型聚合物，其结晶度最高可达到70%，PP熔体在模具中冷却时伴随着结晶，最大结晶速度在120℃以下出现，并放出大量的结晶热，因此模具的冷却控制很重要。冷却过程还有明显收缩（高于熔点30℃下熔融，然后冷却到室温25℃时的比容变化为16%），导致成型收缩率较大。PP注塑制品，由于表面与模具接触，冷却较快，温度较低，晶核形成容易，球晶难以长大；内部冷却较慢，则温度较高，晶核形成较难，晶核密度小，球晶可以长得很大。因此表面球晶小而内部球晶大，球晶的大小对PP的物理机械性能影响很大。一般而言，凡能降低结晶生长速率的因素，都可以减小制品中的结晶度，有利于减小收缩率，如降低模温，提高熔体温度等。

另外，PP结晶的后期可能会出现二次结晶，主要分布在残留的非晶区和结晶不完善的部分区域内，是一次结晶的延续、因此二次结晶速度很慢。另外，有些制品的成型中还会发生一种后结晶现象，这些结晶区是在成型前或成型过程中形成的，但不完全，在成型后球晶进一步长大，这也是一次结晶的延续。二次结晶和后结晶都会使制品的性能和尺寸在使用和贮存过程中发生变化，通常在厚壁和骤冷时容易出现。解决办法是退火处理，退火温度一般控制在 Tg～Tm范围内，最佳温度是在最大结晶速度的温度附近，是一个接近于等温和静态的结晶过程。

3.6其它因素

有研究表明[5]，配混料的收缩较聚合级材料下降50％，尤为值得一提的是，聚合级材料的收缩率在1.3％至2.2%之间，而配混级物料的收缩率在 0.5%至1.0%之间。同时随着弹性体用量的提高,材料的收缩率下降。无论对于大型模还是小型模，收缩率随着型腔压力增加而减小，与模的大小无关。

设备加料机构和顶出机构也会影响制品收缩率，如顶出不良，加料不正常，螺杆回位不充分，螺杆转速不稳定，背压不均，液压系统止回阀工作不正常，热温元件控制不灵，冷却过早等，都可能影响制品收缩率。

从材料本身考虑，也可能有几方面的原因影响制品收缩率。最常见的是材料颗粒不均、含水量不充分，螺杆材料成分有变化等。有时加入着色剂也会引起制品收缩，因为有些颜料体系含有影响尺寸稳定的成分，而且这些颜料即使非常微量(如0.001％)，也会影响成型收缩宰，使得收缩率增大，并使得收缩出现各向异性，垂直于料流方向的收缩率大于流动方向的收缩率。另外，有研究表明颜料的浓度对成型收缩率影响不大。

4 总结

PP的成型收缩率与原料和加工条件都相关。从原料角度来讲，可以优化PP的结晶形态，调整聚合工艺或是添加适合的成核剂，使得球晶细化，达到改善成型收缩率的目的：从加工条件来讲，可以从浇口尺寸、制品壁厚、注射压力、充模速率、机简及模具温度等方面来调节，当然，这其中的因素根多，相互之间的影响关系也很复杂，很多问题还有待于进一步深入研究。