注塑成型工艺条件对塑料简支梁冲击强度的影响

摘 要：塑料简支梁冲击试验是检验塑料产品机械强度的一个重要手段，测定的是材料受到摆锤冲击时所产生的抵抗力，用于评价材料的抗冲击能力，因此试验结果的准确性十分重要。简支梁冲击强度受注塑成型工艺条件影响较大，本文主要介绍注塑成型工艺条件中的注射速率、模具温度、保压压力和保压时间对简支梁冲击强度测定结果的影响，进而得出简支梁冲击强度与注射速率、模具温度、保压压力和保压时间的关系，并从中总结出提高塑料简支梁冲击强度的方法。

关键词：注塑成型 注射速率 模具温度 保压压力 保压时间 简支梁冲击强度

1. 前言

本文分析了注射速率、模具温度、保压压力及保压时间对热塑性塑料简支梁冲击强度的影响。塑料有很多种成型方法，其中注塑成型是最重要的成型方法之一。 注塑成型亦可称之为注射成型，或者简称为注塑。注塑成型过程是一个典型的间歇操作的循环过程，其基本过程是：颗粒状的高分子材料（简称为塑料）经过注塑机螺杆的挤压和加热成为熔融状态的可以流动的熔体，在螺杆的推动下，塑料熔体通过注塑机喷嘴、模具的主流道、分流道和浇口进入模具型腔，成型出具有一定形状和尺寸制品的过程。注塑周期主要由闭模、注射座前进、注射、保压、预塑、冷却、开模、顶出制品等程序组成。简支梁冲击试验虽然有标准试验方法和试验仪器，并且在试验中使用广泛，但由于各种因素的影响，使试验结果难免存在误差。

在整个注塑成型过程中，注塑机的工艺参数会对注塑制件的性能有较大的影响，使塑件不可避免得产生这样或那样的缺陷，影响其力学性能，尤其是抗冲击性能，从而不能真实反映材料的抗冲击能力。既然塑件受成型工艺影响很大，所以不恰当的注塑工艺条件往往会导致很低的冲击强度，因此，需要在注塑过程中不断调整主要工艺参数，对简支梁冲击强度的影响因素进行相应实验，分析研究注塑成型工艺参数对注塑制件简支梁冲击强度的影响，对于提高制品的抗冲击性能，保证其正常使用具有很大的现实意义。

本文对注塑成型过程主要工艺参数中的注射速率、模具温度、保压压力及保压时间进行调整，得出它们对简支梁冲击强度的影响。

2. 实验部分

2.1 成型设备及材料

克劳斯马菲注塑机：型号： KM80/380CX Classix；厂家：德国克劳斯-马菲公司

材料：神华包头煤化工有限责任公司煤基高密度聚乙烯产品

2.2 试验仪器

摆锤冲击试验机：型号：CEAST 7613；厂家：美国INSTRON公司

2.3 测试方法

2.3.1 按照ASTM D 6110-06塑料缺口试样简支梁冲击强度的标准试验方法进行测试 。试样尺寸：80mm×10mm×4mm，A型缺口。

2.3.2 状态调节温度：23±1℃；相对湿度：50±5%；状态调节时间为48小时。

2.4 注塑样品预处理

将聚乙烯样品在105℃真空烘箱中干燥2小时，将水分含量控制在0.02%以下。

3. 实验结果与讨论

3.1 注射速率对简支梁冲击强度的影响

在注塑成型过程中，注射速率是影响材料充填和最终分布的最主要的工艺因素之一。注射速率是指在注射时，单位时间内所能达到的体积流率，是注射容量与注射时间的比值。注射速率对塑件有很大影响，而注射速率的确定，应根据不同的注塑制品的结构、形状和尺寸，浇道系统和塑料的性质，以及有关的流变数据而确定。总的来说，注射速率必须保证流变数据中对指定材料所允许的切变速率和最短流动长度，必须保证由剪切而产生的热效应不超过聚合物热物理性质和切变强度所允许的程度。注射速率主要影响熔体在型腔内的流动行为，注射速率的高低直接影响注塑制件的抗冲击性能。在其它工艺条件不变的条件下，通过改变注射速率，对注塑成型出的试样进行冲击试验，得出简支梁冲击强度随注射速率变化的趋势图，如图1。

图1：聚乙烯塑料简支梁冲击强度随注射速率变化的趋势图

由图1可知，注射速率对简支梁冲击强度的影响具有最佳值，当注射速率低于27.0cm3/s时 ，简支梁冲击强度随注射速率的增加而增加；当注射速率高于27.0cm3/s时 ，简支梁冲击强度则随注射速率的增加而下降。这是因为在一定范围内，注射速率的提高将使充模压力提高，高速率充填可以维持熔体有较高温度，使熔体的粘度降低，流道阻力损失减小，这样，熔料得以以较高压力进入模腔，使之具有较高模腔压力，可使流动长度增加并使塑件质量均匀而密实，从而简支梁冲击强度会随注射速率的增大而增大。但是，过高的充模速率会增加压力损失，会造成熔料的不稳定流动而发生弹性湍流，造成胀模而出现熔料溢出现象。另外，在高速注射时，模腔里的气体往往来不及排出，混杂于熔料中而严重影响塑件的质量，故而使冲击强度降低。

所以在一定范围内简支梁冲击强度随注射速率的增大而增大，但是如果注射速率达到最佳值后，随着注射速率的增加简支梁冲击强度反而又会减小，因此注射速率以适中为宜。通常在生产中注射速率可进行多级控制。

3.2 模具温度对简支梁冲击强度的影响

模具温度是指在注塑过程中与制品接触的模具型腔表壁的温度。塑料熔体注入模具型腔后，会释放大量的热量而凝固，此时需要模腔维持在一适当温度。在此温度下，将最有利于塑件的成型，塑件成型效率最高，内应力和翘曲变形最小。模具温度是控制制品冷却定型的主要因素，它直接影响着熔体的冲模流动行为，塑件的冷却速度及成型后的性能。如果模具温度选择合理，则可有效地改善塑件的内在性能和外观质量。

在注塑成型过程中模具温度是由冷却介质（一般为水）控制的。模具温度越低，冷却速度越快，熔体温度降低得越迅速，使熔体粘度增大、造成由于冷却不均匀而引起的收缩上的差异，严重时甚至于引起充模不足，这都将导致简支梁冲击强度降低。随着模具温度的增加，熔体流动性增加，所需充模压力减小，制品表面质量提高。对于PE等结晶形塑料，由于较高温度有利于结晶，所以升高模具温度能提高制品的密度或结构晶度。在较高的模温下制品中聚合物大分子松弛过程较快，分子取向作用和内应力都会降低。所以，在一定范围内升高模具温度会使简支梁冲击强度提高，但是模具温度亦不能太高，否则会造成顶出困难。同时，模具温度过高会使冷却时间增长，从而使制品的生产率下降。

3.3 保压压力和保压时间对简支梁冲击强度的影响

3.3.1 保压压力对简支梁冲击强度的影响

在注塑过程将近结束时，螺杆停止旋转，只是向前推进，此时注塑进入保压阶段。保压阶段的作用是持续施加压力，压实熔体，增加塑料密度（增密），以补偿塑料的收缩行为。在保压过程中，由于模腔中已经填满塑料，背压较高，在保压压实过程中，注塑机螺杆仅能慢慢地向前作微小移动，塑料的流动速度也较为缓慢，这时的流动称作保压流动。由于在保压阶段，塑料受模壁冷却固化加快，熔体粘度增加也很快，因此模具型腔内的阻力很大。在保压的后期，材料密度持续增大，塑件也逐渐成型，保压阶段要一直持续到浇口固化封口为止，此时保压阶段的模腔压力达到最高值。保压过程中注塑机的喷嘴不断向型腔补料，以填充由于制件收缩而空出的容积。保压压力则是在注射完给模具型腔中的物料补充时的压力，防止物料回流或冷却产生缺陷。在其它工艺条件不变的条件下，通过改变保压压力，对注射成型出的试样进行简支梁冲击试验，得出聚乙烯塑料简支梁冲击强度随保压压力变化的趋势图，如图2。

图2：聚乙烯塑料简支梁冲击强度随保压压力变化趋势图

由图2可以看出：保压压力有一个最佳值，当压力低于或高于37.5巴这一最佳值，冲击强度都会降低。因为保压压力过小，则补缩作用小，注塑制件内部会因收缩而形成气泡，塑件表面也会形成凹痕；保压压力过大，在浇口周围易产生较大的内应力，从而都导致简支梁冲击强度降低。在最佳的保压压力下，聚乙烯熔体前锋能很好地熔合， 并能很好的把夹在里面的空气从熔合区排出， 从而得到了较高冲击强度的制品。

3.3.2 保压时间对简支梁冲击性能的影响

保压时间，即注射成型时在塑料充满模腔后对模内塑料实行补料的一段时间。当注塑结晶形材料（如PE）时，保压时间是最重要的一段过程。这段时间是由熔体填充模腔99%开始至浇口凝固为终止。在其它工艺条件不变的条件下，只改变保压时间，对注塑成型出的试样进行简支梁冲击试验，得出简支梁冲击强度随保压时间变化的趋势图，如图3。

图3： 聚乙烯塑料简支梁冲击强度随保压时间变化趋势图

由图3可知：保压时间小于30s时，试样简支梁冲击强度随保压时间的增大而增大，当保压时间达到30s后，简支梁冲击强度强度相对稳定。即在一定时间内逐渐增大保压时间，试样简支梁冲击强度随保压时间的增大而增大，当保压时间达到某一特定值后，简支梁冲击强度相对稳定。因为保压时间太短会造成聚合物熔体的致密程度和收缩程度不一致，导致简支梁冲击强度降低；倘若在一定范围内不断增加保压时间需耗费较多能量，同时降低了分析效率。

4. 结论

通过调节注塑成型工艺条件中的注射速率、模具温度、保压压力和保压时间。结果表明：

（1） 在一定范围内，简支梁冲击强度随注射速率的增大而增大，但是如果注射速率达到最佳值后，随着注射速率的增加简支梁冲击强度反而又呈下降趋势。

（2） 模具温度低，导致简支梁冲击强度降低。在一定范围内，随模具温度的增加，简支梁冲击强度逐渐增大。但是模具温度亦不能太高，否则会造成顶出困难。同时，模具温度过高会使冷却时间增长，从而使制品的生产率下降。

（3） 在一定范围内，简支梁冲击强度随保压压力的增大而增大，当保压压力达到最佳值后，随着保压压力的增加，简支梁冲击强度降低。

（4） 在一定时间内，逐渐增大保压时间，简支梁冲击强度随保压时间的增大而增大，当保压时间达到某一特定值后，简支梁冲击强度相对稳定。

参考资料

1. 龚浏澄，秦立洁.塑料成型加工实用手册[M].北京：北京科学技术出版社，1990

2. [美]J.B.戴姆.注射模具与注射成型实用手册[M].沈金堂译.北京：化学工业出版社，1987

3. 梁明昌.注塑成型实用技术.辽宁科学技术出版社，2010

4. ASTM D 6110-06塑料缺口试样简支梁冲击强度的标准试验方法

5. GB/T 1043.1-2008 塑料简支梁冲击性能的测定方法