注射制品质量分析

注射制品质量分析
注射制品最容易出现问题的是内应力、收缩性及熔接痕。

一、注射制品内应力
（一）概述
在没有外力存在下，材料内部由于成型加工不当、温度变化、溶剂作用等原因产生的内应力,为模制品的内应力，其本质是高弹变形冻结在制品内部而形成的。

注射模塑制品的内应力，影响了制品的力学性能和使用性能。

例如PE制品通常有分布不均的内应力，在使用过程中制品会形成细微裂纹，光学性能变坏，表面出现“银纹”，制品变浑浊等。

内应力还会使注射制品在流动方向显示出较高的力学性能，而垂直于流动方向的力学性能较低，影响制品的使用。

制品受热、如遇油、脂肪、溶剂以及其他物质，引起热塑性塑料在拉伸应力下开裂，开裂程度随温度的升高而加大。

减小内应力的方法是，在注射时采用较高的温度，温度应均匀。

同时注射压力较低注射。

虽然如此，充模时熔料流经喷嘴、浇口和型腔产生的内摩擦力，仍然会使塑料分子取向变形。

型腔充满同时，熔体在接触冷的模具壁时受到急剧冷却，制件外层冷却凝固时，内层尚未凝固，分子尚有流动，在进一步冷却过程中，由于内外冷却不一致，内层继续收缩受到凝固外层的阻碍而产生应力。

温度降低，塑料分子尚未重排而达到平衡体积也会产生内应力，而且在保压过程，塑料分子流动取向也阻碍分子重排。

（二）内应力的种类
①取向应力，是在充模流动过程和冷却过程，由于塑料分子形状发生变化和一定的构象(即大分子链段有序的排列)被固定而产生的。

②体积温度应力，是塑料在冷却过程不均匀所产生的。

③与注射过程中塑料分子本身的平衡状态受到破坏而形成新的不平衡体积有关的应力，如结晶过程。

④与脱模时制品变形有关的应力。

以上几种内应力中取向应力和温度应力是比较重要的，它们对制品物理力学影响较大，但通过工艺参数的调整可大为减少。

与体积平衡状态有关的应力是难以消除的，因为塑料凝固时，甚至在及其缓慢的冷却下，制品也不可能达到平衡体积，不过这种应力实际上并不大。

1、取向应力
注射制品大分子取向后容易产生内应力，由于取向方向不同，取向程度的不一致以及取向与非取向的界面等因素，都会造成应力集中。

注射模塑时，熔体迅速冷却，在低温下熔体粘度较高，取向的分子不能充分松弛，而产生的内应力对制品力学性能和尺寸稳定性都有影响。

熔体温度对取向应力影响最大，提高熔体温度时粘度下降，因而剪切应力和取向降低，同时取向应力的松弛程度较大。

当粘度降低时，注射机螺杆传递至模腔内的压力增大，可能使剪切速率提高，导致取向应力增大。

保压时间延长，取向应力增大，直到保压终了或热塑性塑料在浇注系统的浇口凝固为止。

提高注射压力同样会因剪切应力和剪切速率的增加而引起取向应力的增大。

制品厚度对内应力也有影响，取向应力随制品厚度的增加而降低，因为厚壁制品冷却缓慢，熔体在模腔内冷却、松弛时间长，取向分子才回到初始状态的程度增多。

模具温度提高，熔体冷却缓慢，致使取向应力减小。

2、温度应力
塑料注射时，熔体温度和模具温度之间温差很大，这使靠近模壁的塑料熔料冷却
较迅速，因而产生了在制品体积内分布不均的机械应力。

由于塑料材料的比热熔较大，导热系数小（不良导体），制品表面层比内层冷却快得多，制品表面的凝固壳层，是会阻碍内部在继续冷却时自由收缩的，结果是在制品内部产生拉应力，而在外层则产生压缩应力。

表层压缩应力可按下式计算：
δ=2/3ɑE(T1-T2)
δ-----压缩应力（MPa）ɑ------线膨胀系数
E---------弹性模量（MPa）T1------------凝固温度（℃）
T2--------冷却温度（℃）
热塑性塑料由于收缩产生的应力越大，则材料在模内由于压实作用产生的应力越低（保压时间短、保压压力低），反之，在压实过程中应力越大，则材料在冷却收缩所引起的应力就应当小。

制品形状和尺寸对内应力也有影响。

制件表面积与体积之比值越大，表面冷却快，取向应力、温度应力也越大。

取向应力主要产生在制品薄的表层内，因此，可以认为取向应力应随制品表面积对其体积之比的比值增加而增大。

表5-6所示，制品表面积与体积之比值越大，取向应力（相应地收缩率）也越大。

表5-6 表面积与体积之比对聚苯乙烯试样收缩率的影响
3、与注射过程中塑料分子本身的平衡状态受到破坏并形成不平衡体积有关的应力。

结晶聚合物结晶区与非结晶区界面产生的内应力或者结晶程度不同，收缩不
一致产生的内应力等，这是由于高分子材料特性所决定的，所以这种内应力也较难克服。

（三）内应力的分散与消除
模塑制品成型条件及高分子材料结构特征，是无法避免产生内应力的，只能尽量减小内应力或者使它分布均匀。

①塑料材料
塑料中的杂质易造成内应力。

塑料材料分子量较高，分子量分布较窄的内应力也小。

多组份塑料各组份应分散均匀、排气好，造粒时颗粒应塑化均匀，内应力小。

结晶性塑料中加入成核剂，如PP中加入成核剂已二酸（0.2%-0.5%），使结晶更完善，球晶体积小，数量多，制品内应力小，冲击强度大提高，而大球晶与非晶界面易造成内应力。

②制件设计
在制件设计上应该力求表面积与体积之比值尽量小，比值小的厚壁制件冷却缓慢，内应力较小，而表面积与体积比大的薄壁长流程制件易产生内应力。

厚、薄公差大，冷却不均匀易产生内应力，在厚、薄结合处最好采用圆弧过渡或阶梯式过渡，可避免造成应力集中。

当制件带有嵌件时，嵌件材质最好选择铜质或铝质并预热，防止金属材料与塑料材料热膨胀系数不一致引起的差值太大而产生内应力。

在制件造型上选用曲面、双曲面不仅美观，而且也能减小变形，能够吸收冲击能，使制件内应力较小，而大平面易造成内应力。

制件需要设计孔时，圆孔周围内应力大，圆孔易产生缩孔，因为轴向与径向收缩不一致，如果设计为椭圆孔，椭圆沿长轴方向与熔体流动方向一致，这样就沿轴向减小了因取向而产生的内应力。

③模具设计
模具设计对制品的内应力也有影响，浇口小保压时间短，凝封压力低，制品内应力小，反之则较大。

浇口位置在制件厚壁处，注射压力、保压压力较低，制品内应力小。

大流道注射时间短，熔体不易降温，内应力小，反之则大。

模具冷却系统设计应均匀一致，静、动模板上两片模具冷却同步，制品内应力小。

大面积顶出，制品内应力小。

脱模斜度大内应力小，一般情况下脱模斜度≮10（≮1.7%），小型制件为0.2%-1%，大型制件为5%。

④工艺条件
注射温度对制件内应力影响很大，因为热塑性塑料取向程度随注射温度的提高而减小，所以适当提高注射机料筒温度，保证塑化良好，组份均匀可降低收缩率，减小内应力。

模具温度提高，制品冷却缓慢，取向分子松弛，内应力也降低。

注射压力可使塑料分子取向作用增大，较高的注射压力，产生较大的剪切应力，使塑料分子有序排列，因此制件取向力增加。

保压时间长，模内压力由于补压作用而提高，熔料产生较高的剪切作用，分子取向程度提高，制品内应力增加。

注射速度对制品内应力的影响比温度、压力等小得多，当注射速度较低时制品易产生熔接痕，取向作用也较低，而注射速度很高时，制品表面质量差，制品内应力也较大，最好采用变速注射，模腔充满后采用低速保压，分子取向，内外温差小，制品内应力降低。

内应力可采取热处理的方法消除，热处理的实质是使塑料分子中的链段、链节有一定的活动能力，冻结的弹性变形得到松弛，取向的分子尽可能回到初始状态，同时也使结晶更完善，这样就可大大减小制品的内应力。

注射制品的收缩
（一）概述
注射成型制品的尺寸一般都小于模具的型腔尺寸，这说明塑料在加热和冷却
过程体积发生了变化。

塑料制件自模具中取出，尺寸缩减的性能称收缩性。

注射制品冷却时的收缩，按照发生收缩的条件和特征的不同，可分为三个阶段。

第一、二个阶段的收缩主要在模具内进行，从充模时开始到脱模时为止，称作模塑收缩性；第三个阶段是说在脱模后进行的，一直到制品冷却到环境介质的温度为止，称作后收缩性。

第一阶段的收缩主要取决于模内压力，并在很大程度上可通过保压过程得到补偿。

保压期间物料温度下降，密度增加，最初进入模内的物料体积缩小。

可是在这一期间加热料筒不断地供给塑料熔体，对模内塑料进行压缩、补实，模内制品重量增加，一直到浇口处物料凝封为止。

因此，模内的收缩取决于保压压力向模内传递的时间，保压时间延长，收缩差别变得越来越小。

保压时间短时，厚度不同的试样收缩差别极大。

第二阶段的收缩是在浇口处的塑料凝固之后开始的，并延续到开模和制品脱模时为止。

在第二阶段已无熔体进入模内，模内物料重量不再改变。

在这种情况下无定型塑料的收缩是按体积膨胀系数进行的，收缩的大小取决于模温所决定的冷却速率，模温越低，无定型塑料的收缩越小。

结晶型材料的收缩主要取决于结晶过程，由于结晶的结果，塑料密度增加，体积减小，使尺寸降低很多，对于结晶型塑料这一阶段的收缩也取决于模温，模温越高，则结晶塑料的收缩越大，因为模温高，冷却缓慢，结晶会更完善。

当注射成型部分不妨碍物料收缩时，第二阶段模内收缩是自由收缩；当成型部分妨碍物料收缩时，如制品中有金属嵌件时，则是非自由收缩。

第三阶段，即制品脱模之后，只发生自由收缩，这时制品体积的缩小，取决于制品脱模时的温度与环境介质之差，也取决于热膨胀系数。

当温度梯度大，材料热膨胀系数也越大，自由收缩也越大。

见表7-5。

表7-5 聚碳酸酯的收缩与模温的关系
计算收缩值为：
L P=L30.ɑ(t m-t)
式中ɑ-----线膨胀系数（7x10-51/k）
t m----模具温度℃
t-----室温（25℃）
将计算值与实验得到的收缩值加以对比，发现二者一致性很好。

这证明热塑性塑料在第三阶段的收缩确实取决于塑料的热膨胀系数。

收缩性大小用收缩率表示：
收缩率=(D-D0)/D0.100%
式中 D------常温下模腔尺寸（mm）
D0------常温下制件实际尺寸（mm）
制件在模外冷却，最初6小时内产生约90%的收缩，在最初10天内产生几乎全部剩余的收缩。

测定收缩率一般都是指在24小时内的收缩，24小时之后的收缩，亦称后收缩就不考虑了。

聚甲醛6个月时的收缩为0.001mm/mm,聚苯乙烯制件3个月时的收缩为0.005mm/mm。

（二）制品收缩的主要原因
1、因温度变化引起的热胀冷缩
塑料的线性膨胀系数比金属大得多，大约是金属的8-11倍，所以塑料制件的收缩率较大。

当制件有金属嵌件时，因两者收缩的不一致而产生内应力，为避免收缩
不一致，嵌件多采用铝、铜并预热。

金属与塑料的膨胀系数如下：
材料名称线性膨胀系/K-1.10-5
钢 1.1
铜 1.8
铝 2.4
PA-66 9-10
PC 5-7
POM 10
ABS 7-10
HDPE 12-16
PP 10-11
2、结构变化引起的收缩
制品结构包括化学结构和物理结构。

化学结构指高分子链、化学鍵引起的收缩，如热固性塑料在固化过程会收缩；热塑材料在接枝、交联过程也有收缩。

物理结构一般是指聚集态结构，如结晶过程、取向过程产生的收缩。

3、塑料体积内低分子物挥发引起的收缩。

（三）影响收缩的一般因素
1、塑料的特性
结晶型塑料收缩大，无定型塑料收缩小，结晶型塑料加入成核剂使制品尺寸稳定收缩小。

塑料材料相对分子量小，相对分子量分布窄的收缩小。

配方中加入增强剂、填充剂等助剂的收缩小。

2、成型工艺条件
①模具温度：模具温度对制品收缩影响很大。

它直接影响制件的冷却速率和
结晶度。

这些都是关系着制品的收缩。

模具模具温度高，制品收缩量大；模具温度低，制品收缩量小。

②机筒温度：机筒温度高塑料熔体粘度下降，注射压力的传递加强，制品密实，收缩小。

③注射压力：注射压力高，制品密实，收缩小。

④保压时间：保压时间长，浇口未凝封，补入模腔中熔料多，收缩减小。

3、塑件结构
①厚壁制品比薄壁制品收缩率大，但大多数1mm薄壁制件比2mm制件收缩大，这是因为熔体在模腔内流动阻力大的缘故。

厚壁制品有较低的冻结皮层，热的内部每单位体积就有更多的热塑料的收缩。

②塑件上带嵌件的比不带嵌件的收缩小。

③塑件形状复杂的比形状简单的收缩小。

④内孔收缩大，外孔收缩小。

⑤塑料沿流动方向收缩大，而垂直方向收缩小。

4、模具结构
①浇口尺寸：在浇口区域的物料必需在所需时间内保持其流动状态，以便传递注射压力，补料效果好，收缩小。

②浇口方向：垂直于浇口收缩小，平行于浇口方向收缩大。

③浇口距离：远离浇口比靠近浇口部分收缩率小。

④模具框架：是指制品后整形用的框架，是用来限制制品后收缩用的工具。

注射制品的熔接痕
（一）熔接痕形成的原因
熔接痕是模塑件的一种线状痕迹，系由注射中两股料流相遇时，在其界面处
未完全熔合而造成的。

熔接痕是在制件有孔、嵌件时，塑料分股流动或者浇口多于一个以上的分流又合流所形成。

（二）熔接痕的种类
有熔接痕的制件，熔接痕部位的力学性能，一般都低于无熔接痕的部位。

热塑性塑料在模具中的流动性影响熔接痕的强度。

无定型塑料的分子结构中，分子链呈无规运动，在外力作用下易取向，同时也就容易产生高弹变形，高弹变形被冻结，熔接痕比较明显。

常见的熔接痕有两种：充模开始时形成的熔接痕称早期熔接痕；充模终止时形成的熔接痕，称晚期熔接痕。

晚期熔接痕，其熔接痕强度随注射温度的提高而急剧增大，而充模早期形成的熔接痕，由于施力方向较弱，熔接痕强度在注射温度提高时，变化也是极小的。

早期熔接痕强度，很难用改进成型工艺条件的方法得以提高，显然早期熔接痕强度只能决定熔接痕的存在和取向程度。

非晶态塑料材料注射温度的提高，熔接痕的拉伸强度增加，注射过程的其他参数对熔接痕强度影响较小。

（三）接熔痕与性能的关系
在较高的注射温度下，熔接痕强度对试样取向方向和垂直流动方向拉伸强度的比值见表5-9
表5-9 非晶态（无定形）塑料熔接痕拉伸强度
对于结晶性塑料的熔接痕强度对取向方向的强度比值，高密度聚乙烯介于
0.87-0.95，聚丙烯在注射温度低时，为0.73，在注射温度高时为0.95-1.0。

注射时为了使熔接痕强度提高，必须使热塑性塑料熔体保持必要的粘性，以保证料流熔合良好。

保证这一粘性的措施是采用较高的注射温度，缩短熔体到达熔接痕前的流动长度和快速充模等方法来适当降低熔体在模具中流动的热损失。

还必须保证适当高的注射压力，虽然注射压力对熔接痕强度影响不大，但总是有影响的。

制品中的熔接痕离浇口越远，则熔接痕的强度越低。

a)注射制品的翘曲
注射制品常发生翘曲，是制品形状偏离了注射模具型腔的形状。

扁平制品，如托盘、箱体、盒类等，发生翘曲是常见的疵病。

种类不同的热塑性塑料有不同的翘曲倾向。

结晶型塑料的翘曲倾向较非晶态塑料要大。

翘曲受注射过程工艺参数、制品和模具的结构等因素影响造成的。

热塑性塑料的翘曲也取决于径向与轴向收缩之差，这一差值是由于分子取向造成的。

流动方向上的收缩一般都比垂直于流动方向上的收缩大。

收缩可因充模后取向应力的松弛而增大。

充模时，塑料分子沿流动方向有序排列，流动停止后，这些取向分子力图恢复正常的卷曲状态。

如果这一情况发生，则制品在此方向上的长度就会缩短。

垂直于流动方向上的分子比流动方向上取向分子要少得多，因此，在垂直于流动方向上因松弛而产生的收缩比流动方向上的收缩要小得多。

由于收缩不一致，一些薄型、大平面制品就会翘曲。

非晶态塑料由于热收缩小，其收缩率比结晶型塑料小得多，但是在相互垂直的各方向上的收缩率则因取向而有差异，只是这些制品翘曲程度要小一些。

例如高密度聚乙烯轴向收缩率为2.8%-3.2%，径向收缩率为1.8%-2%。

所以高密度聚乙烯扁平制品更容易翘曲。

两个方向上的收缩率的差别还受材料相对分子质量及分子质量分布、添加剂的种类的影响。

相对分子质量小、相对分子质量窄的热塑性塑料的扁平制品翘曲度小。

添加剂中的着色剂，如酞类颜料会使塑料制品收缩率增大，因而扁平制品的翘曲程度也较大。

制品的刚度不够，则流动的纵横方向上产生不同的收缩，将导致制品翘曲。

为了减小这种制品的翘曲，应当尽量减小流动取向和取向应力松弛。

减小流动取向最有效的方法是提高熔体温度。

为缓和取向应力松弛，可采用较低的模温，从而制得不翘曲制品。

可是这种效果是暂时的，因为冷却很快会产生较大的内应力，这样的制品在使用过程中仍可引起制品翘曲。

要得到不翘曲的扁平制品，必须保证翘口位置设计合理，特别注意料流方向。

采用缝形浇口、扇形浇口，可以在最大程度上保证平面的平行流动。

这些浇品在注射表面积大的扁平制品时是必须采用的。

为了防止翘曲还可采用多点浇口。

制品在模内冷却不均匀，常常是产生翘曲的主要原因。

例如注射平板时所用模具两半的温度不同，则平板会发生翘曲，贴近冷模面的熔体冷却较快，而贴近热模面的料层会继续收缩。

收缩不均匀会使扁平制品翘曲。

在制造矩形盒子时，哪一半模具较热，哪一半模具较冷，制件总是向着热的一边收缩。