优化高性能聚合物成型

文/赫斯基注塑系统公司Mohammad Rafi

当成型耐高温、耐磨损及机械性能优异的高性能树脂时，采用直接浇口热流道系统可以较传统冷流道节省成型商的时间和金钱。

热流道系统在20世纪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。自那时以来，技术创新提高了热流道系统的能力。注塑行业已从热流道直接浇口成型通用聚合物部件到采用热流道系统生产工程聚合物部件，如聚碳酸酯（PC）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）和聚甲醛（POM）等。工程树脂是高强度塑料材料，具有超过通用塑料的优越机械性能和热性能。它们往往耐高温、耐磨损和抗腐蚀。

图1 这种聚合物分类有助于识别你正在使用的材料，进而可以使用合适的热流道系统（图片来自赫斯基注塑系统公司）

对于工程聚合物或耐高温聚合物的应用，必须小心以确保热流道歧管的热稳定性，并且没有材料停留和降解的死点或区域，以及没有过热点或过冷点。这些树脂对温度和停留时间敏感，意味着这些材料如果暴露在高温下一段较长的时间后将会降解。因此，热流道系统中总的流道容积不应该超过几次注射量；注塑机的尺寸应使部件总的注射重量约占机器注射量的70%左右。由此，熔融塑料经过多次循环后不会留在机筒内。

由于缺乏对这一标准的理解，耐高温聚合物部件成型多采用冷流道技术（如图1所示）。然而，由于工程树脂价格昂贵，许多情况下冷流道废料不能回收再生，因此冷流道并不是最佳的解决方案。其实，目前使用工程聚合物的任何冷流道应用，都可以从转换到热流道系统中受益——从冷流道转变为热流道和对耐高温聚合物塑料部件采用直接浇口，可以产生多达50%的节省，其中包括来自树脂废料、能源、人工和模具的节省。

在耐高温聚合物成型中，一个重要的发展是聚芳醚酮（PAEK）的推出，它是一系列耐高温的半结晶热塑性塑料。聚醚醚酮（PEEK）属于该系列，由于其热稳定性（在高至260℃的温度范围内可用）、比强度高、耐冲击、耐化学品和抗辐射以及尺寸稳定性，它是一种比较流行的工程树脂，特别是对于具有薄截面的复杂几何形状部件已成为最佳选择。

PEEK成型的例证

图2 当为PEEK部件开浇口时，考虑阀式浇口和标准热注道式浇口。因为熔体热量可通过喷嘴/阀杆或浇口尖被带到浇口，使浇口区域保持一个较高的温度

图3 这种带有一个通孔尖浇口的偏置岐管适合于半结晶树脂，如PEEK，因为它没有材料保温区域，而是通过喷嘴把热量导入浇口，使它保温

为了帮助证明这些树脂和发展热流道的重要性，我们在成型一种移动设备外壳（后盖）时，考虑了加工要求和将要遇到的问题。由于部件是要求具有较高强度和刚度的薄壁产品，因而宜采用PEEK树脂成型。

该试验项目有一些挑战。首先是浇口。在这些部件上采用直接热尖型浇口不是一个好的选择，因为PEEK树脂在正常的加工温度下会冻结。而提高尖端温度（在浇口处）至340°C以上会导致树脂降解，因而也不推荐鱼雷式热尖用于PEEK部件浇口。考虑的其他形式浇口包括阀式浇口和标准热注道式浇口（如图2所示）。采用这些浇口样式，当熔体热量通过喷嘴/阀杆或浇口尖端被带到浇口时，浇口区域保持在较高的温度下。

这种移动设备后盖长102 mm，宽38 mm，壁厚1 mm，采用直接阀式浇口热流道系统，在一台180 t的注塑机中用一副单落偏置热流道模具成型。这种单落偏置热流道包括一个带有通孔尖浇口的阀式浇口喷嘴（如图3所示），该系统没有材料保温区域，而是通过喷嘴把PEEK要求的热量导入浇口，使它保温。

工程聚合物成型受益于热流道

图4 该图描绘了塑料压力与充模速度的关系，它显示了一个使用直接阀式浇口热流道系统的PEEK树脂部件，其最佳充模时间为0.32 s，峰值压力为10 954 psi

图5 当采用正确的设备和加工条件时，移动设备外壳项目的高分辨率图像展示了可实现的浇口质量。上面的高分辨率图像显示了浇口质量，下面的图像显示了具有良好浇口质量的成型部件

图6 在低注射速度下，由于凝固发生得太快，部件的表面上出现了连波纹。增加注射速度可消除这些连波纹

PEEK是一种半结晶热塑性塑料，它们的熔融温度范围在350～400℃，模具温度在150～200℃的范围内。由于PEEK树脂的加工温度高，热流道系统，包括加热的岐管和喷嘴，必须能够保持较高的温度，使树脂处于熔融状态。气动阀式浇口执行器在这些极端的操作条件下表现良好。

加工之前，树脂必须在120～150℃适当干燥 3～5 h。如果树脂没有经过适当干燥，那就可能在部件中形成放射斑或暗泡，从而影响部件的质量。请记住，注射速度、保压时间、保压压力、注射量和加工温度（熔体和模具）影响部件和浇口的质量，所以这些参数中的每一项都必须充分优化，以建立一个更宽广的加工窗口，提高部件的质量和可重复性。为了优化部件的充模时间，在设定的熔融温度385℃和模具温度170℃下以不同的注射速度多次运行——从300 mm/s的高注射速度开始，然后减慢到25 mm/s。结果表明，部件需要更快的充模。最佳的充模时间被确定为0.32 s，峰值压力为 10 954 psi（1 psi=6.895 kPa），如图4所示。浇口的高分辨率图像证明了浇口的质量通过采用正确的设备和加工条件得到保证（如图5所示）。

在采用390～395℃熔融温度的加工过程中，还观察到浇口痕迹。我们降低熔融温度解决了这个问题。此外，在低的注射速度下观察到部件表面上的连波纹和沟槽。这是由于凝固发生得太快，树脂流动的高阻力产生了不均匀的锋面流动，并且固化的树脂不充分接触型腔壁。甚至更长的保压时间也无法消除连波纹（如图6所示）。我们通过增加注射速度，消除了波纹和沟槽。

虽然成型温度在350～400℃范围内的耐高温聚合物具有一些挑战，但直接浇口热流道仍然是中小型部件成型的最佳选择。模具制造商和注塑成型商可以证明为这类塑料件增加直接浇口而增加的前期成本是合理的，因为在产品生命周期内它节省了大量成本。关键是选择一个合适的热流道设计，以确保从注道衬套到浇口的整个熔体料道都保持在设定温度的±5℃以内，避免结晶聚合物有任何过热点/过冷点。