常用塑料注射成型工艺优化方案

注射成型工艺的选择和拟定，必须充分掌握塑料材料的性能。由于塑料材料品种繁多，新品种又不断涌现，必需取得合成树脂企业提供的材料说明书。它应该详细和准确地列出塑料的热性能和力学性能、塑料黏流态的流变曲线和熔体流动速率及注射成型收缩率。也有提供注射机料筒、喷嘴和模具温度等控制参量。工艺的选择是科学分析和技术应用的过程，也是不断修正优化的过程。现将五种常见的热塑性塑料的注射成型工艺作综合性分析和介绍。

1.聚苯乙烯塑料

聚苯乙烯塑料本身的吸水率很小，成型一般制件可以不予干燥，但对外观质量要求较高的注塑件，可在成型前进行干燥处理，在70～80℃温度下干燥2～4h。

聚苯乙烯为无定形塑料，黏度适宜，流动性较好。聚苯乙烯的成型温度范围较宽，热稳定性也好，注射成型比较容易。在黏流态时熔料的温度有少许波动，不会影响注射流动过程。

如图3-40流变曲线所示，聚苯乙烯熔料的黏度对剪切速率和温度都比较敏感，在注射成型中无论是增大注射速率，还是升高料筒温度都会使黏度下降明显。注射压力为60～120MPa，较高的注射压力让熔体高速注入型腔，但模具型腔内压力尽量低些，并分布均匀。料筒温度可控制在140～230℃之间，喷嘴温度为170～190℃。把物料温度加热到190～215℃，有利熔体流畅充模。但料温过高使聚合物过热分解，使制件上出现花斑、银纹、发白、泛黄和气泡。这对透明的聚苯乙烯制品是严重的缺陷。

图3-40 聚苯乙烯的表观黏度η_a与剪切速率的流变曲线（MFI=10g/10min，200℃）

聚苯乙烯的分子链刚硬，成型中容易产生分子取向和残余应力，甚至在制件中生成银纹和开裂。聚苯乙烯注塑件的冷却速度不宜过快（模具常用水冷却，模具温度为40～45℃）。为此：模具温度应维持稳定，模具壁的温度分布均衡，其温差低于±2.5℃；并对制件进行退火处理，将制件放入65～75℃热水中处理1～4h，然后缓慢冷却至室温；而且聚苯乙烯不宜带有金属嵌件，嵌件周边塑料容易开裂；聚苯乙烯制件浇口的附近区域，内应力集中，容易产生各种缺陷，在注射模设计时，要注意优化浇口位置和类型。

聚苯乙烯塑料的成型收缩率为0.3%～0.7%，制件的弹性小，硬度高，脱模困难。为使制件顺利脱模，模具的型芯取较大的斜度1°～2°。

2.聚丙烯塑料

聚丙烯为结晶型聚合物，吸水率很低，约为0.03%～0.04%，注射前一般不需要干燥，必要时可在80～100℃下干燥3～4h。

聚丙烯在160～175℃有比较明显的熔点，分解温度为350℃，所以注射成型的熔体温度较宽，约为200～260℃。注射级的聚丙烯的熔体流动速率为15g/10min左右，熔体的流动性较好。一般料筒温度控制在210～270℃，喷嘴温度可比料筒温度低10～30℃。生产薄壁制品时可取较高的料筒温度；反之，生产大型厚壁制品时为防止熔料在料筒内停留时间过长而分解，料筒温度应适当低些。聚丙烯在270～300℃以上的高温下，长时间停留会有热降解的可能。

如图3-41流变曲线所示，聚丙烯的黏度对剪切速率的依赖性比温度影响大。因此，在注射充模时，提高注射速率和注射压力来改善熔体的流动性，比通过提高温度有利。尽管高温对提高熔体流动性影响不大。但可改善压力传递和补缩，有利于克服制件的凹陷，减小收缩在各位置和各方向的差异。一般采用的注塑压力为70～120MPa。

图3-41 聚丙烯的表观黏度η_a与剪切速率γ·的流变曲线（MFI=31.6g/10min）

聚丙烯的结晶能力较强，120～130℃时具有最高的结晶速率，提高模具温度将有助于增加注塑件的结晶度。采用较高的模具温度60～90℃，不仅有利于结晶，也有利于分子链的松弛，减轻制品的取向，并降低残余应力，从而改善制品的力学性能；但是由于冷却时间延长，影响了注射生产率。因此，只有在成型长流程和复杂制件或充模流动不佳时，才采用高模温。一般情况下，多维持30～50℃的模具温度。倘若模具温度过低，注塑件冷却太快，浇口冻结过早，不仅制品的密度小，结晶度低，而且残余应力大，制品质量变差。制件冷却速度不仅影响结晶度，还影响晶体结构。骤冷时分子结构形态不稳定，力学和物理性能较差。聚丙烯注射模采用针点式小浇口时，成型制件的收缩率较大，因此，要以高温熔料注射弥补。采用矩形浇口，有中等截面，保证充分注射和补缩，降低制品的收缩。

由于聚丙烯的玻璃化转变温度低于室温，其制件在室温下存放中会有收缩现象。原因是聚丙烯注塑件在脱模后仍在结晶。制件的厚度越大，后期收缩量越大。后期收缩量的90%约在制品脱模后6h内完成，剩余10%发生在随后的10天内。对尺寸稳定性要求较高的制件，应将制件在沸水中浸泡10～15min，进行退火处理。

3.ABS塑料

ABS是丙烯腈-丁二烯-苯乙烯的三元共聚物。与聚苯乙烯相比，它具有较好的综合性能。丙烯腈赋予ABS较高的耐热性和表面硬度。但因极性的腈基易吸水，吸水率为0.2%～0.45%，表面吸水率可达0.3%～0.8%。所以ABS粒料成型前必须进行干燥处理。料斗干燥时，加热温度为70～85℃，需2～4h，使含水量降至0.1%以下。如果对于制品有优良光泽要求，或在湿热的季节，干燥加热时间需长达4～8h，还须防止已干燥的ABS再度受潮。

ABS是无定形塑料，黏流态的成型温度范围较宽，比聚苯乙烯熔体有较高些的黏度，对流动剪切速率敏感（见图2-10的ABS流变曲线）。对薄壁和复杂的制件，注射生产时，采用较高的注射速率和压力；在注射成型时，常用0.6～1.8mm直径的针点式浇口。因此，其浇口冻结时刻的型腔压力决定了制品的质量。注射成型时，料筒温度在190～250℃。提高ABS物料温度，熔体黏度降低很少。熔体注射温度高于250℃，首先导致ABS中丁二烯降解，将会分解和产生有毒挥发物，物料变色甚至炭化。ABS注射模的温度相对较高，在注射大型复杂制品时，需要有60～80℃高温。通过改变ABS中各单体的组分的比例，有许多品种类别的ABS，它们有不同的性能，加工的工艺条件也有差异，见表3-33。

表3-33　ABS塑料螺杆式注射机成型工艺

成型后的注塑件，一般不需要热处理。如果注塑件要表面电镀装饰时，应在70～75℃空气介质中，视壁厚厚度处理2～4h。以消除残余应力，得到装饰完好的制品。

ABS塑料的成型收缩率较小，一般为0.4%～0.7%。ABS塑料容易着色，可以注射成型各种色泽艳丽的制件。模具型腔经研磨抛光，达到镜面的表面粗糙度；采用适宜的注射工艺，较高的模具温度，可以得到高度光泽的制品。(www.xing528.com)

4.聚酰胺塑料

聚酰胺是指主链上含有大量重复酰胺键的塑料。其化学结构有差异，品种众多。其中聚酰胺6、聚酰胺66、聚酰胺610和聚酰胺1010应用较多。

聚酰胺在分子结构中因含有亲水的酰胺基，容易吸水。聚酰胺6吸水性最高；聚酰胺66次之；聚酰胺610的吸水率为聚酰胺66的一半；聚酰胺1010的吸水性最低。聚酰胺6的吸水率在平衡状态为1.3%～3.0%。水分对这些塑料的物理性能有明显的影响。如果用已吸湿的聚酰胺物料注射成型，会引起熔体的黏度下降，使注塑件表面出现气泡、银丝和斑纹等缺陷，制品的内在质量和力学性能变差。在成型前必须将物料的含水量降至0.2%以下。干燥处理聚酰胺塑料时应防止氧化变色，最好用真空干燥，脱水率高而时间短。干燥条件为：真空度9.3×10⁵ Pa，烘箱温度90～110℃；料层厚度25mm以下，干燥时间8～12h；常压下干燥空气温度要低些，干燥时间增加。干燥处理后的塑料即时加盖，雨天的存放时间不超过1h，晴天限制在3h内。如果采用沸腾干燥方法，见表3-20；料斗式干燥见表3-21。

聚酰胺为结晶型塑料，有明显的熔点，视不同品种而异，大致在200～270℃。聚酰胺的熔融温度较高，而其范围较窄，约10℃左右，如图3-42所示（PA6的流变曲线）。而且，提高熔体流动剪切速率时，对其黏度下降影响较小。采用螺杆式注射机，料筒温度比其熔点高10～30℃，因此，应采用压缩段较短的突变螺杆。聚酰胺熔体的黏度低，有很大的充模流程比。为防止螺杆注射推进时发生过多漏流，螺杆头部应有滑动式止逆环。熔料也容易在注射模中泄漏，溢料会在制件上生成飞边，所以要求注射模上运动零件的配合间隙要很小。为防止喷嘴口熔体流涎，可用阀式喷嘴，一般用外弹簧针式自闭喷嘴为好。而且熔体的热稳定性差，容易分解，生产中料筒的加热温度不宜超过300℃，熔料加热时间不要超过30min。几种聚酰胺塑料在螺杆式注射机的注射成型工艺参数见表3-34。

图3-42 聚酰胺6（PA6）的η_a与的流变曲线（MFI=50g/10min，235℃）

表3-34 几种聚酰胺塑料螺杆式注射机的注射成型工艺参数

模具温度（通常控制在40～100℃）对制品的物理和力学性能影响较大。模温高时结晶度高，制品的硬度、耐磨性、刚性和耐热等性能提高；模温低时，结晶度低，制品的拉断伸长率、韧性和透明性较好。一般应控制模具温度，使制品有适宜的结晶度，从而得到较好的综合性能。模具温度还取决于注塑件的壁厚。厚壁制品应有较高模具温度，而且还能减小残余应力。为此，注射模同时兼备有冷却和加热的温度调节装置。

聚酰胺注塑件在脱模后尺寸不稳定。搁置或退火处理能使它发生收缩，而吸湿则会引起膨胀。按照机械零件的精度要求，进行退火处理和/或调湿处理。对于使用温度高于80℃，或精度要求较高的聚酰胺制品需退火处理。聚酰胺制品退火处理在隔氧条件下进行，将制品放在热油、液体石蜡或充氮炉中，在100～120℃温度下处理一定时间，按厚度需10～60min，然后缓慢冷却至室温。聚酰胺的调湿处理见3.2.3的制件后处理一节所述。调湿要用热水处理，加快达到吸湿平衡，也隔绝空气防止氧化，同时也起到退火作用。

5.聚碳酸酯塑料

聚碳酸酯是刚硬又有韧性的工程塑料。但其制品易发生环境应力裂纹，难以带金属嵌件注射成型。用于注射成型的聚碳酸酯相对分子质量常为2万～4万。聚碳酸酯的热稳定性和力学强度随相对分子质量的增加而提高。其熔体黏度也随着相对分子质量的增加而加大。

聚碳酸酯主链上有亲水的酯基，容易吸水分解。在高温下对水分很敏感，微量水分也会造成聚碳酸酯水解，相对分子质量下降，性能劣化，所以在成型前必须严格干燥。可采用沸腾干燥（温度120～140℃，时间1～2h）、真空干燥（温度110℃，真空度9.5×10⁵ Pa，时间10～25h）。干燥后的含水量应小于0.02%。注射时最好用注射机料斗式干燥器再干燥。物料的干燥程度不足，对空注射时从喷嘴流出的条料表面不光亮，内部夹有气泡。干燥程度很差时，深色的熔料黏度很低，并有分解气体喷出。干燥合格的喷出条料应均匀光亮，无细丝和气泡。

聚碳酸酯属于无定形塑料，其玻璃化转变温度较高，为149～150℃，其黏流态温度在220～240℃。由于主链上刚性的苯环存在，熔体的黏度比聚苯乙烯高很多，而且其流动特性接近牛顿流体（见图3-43）。聚碳酸酯有较高的热稳定性和很宽的成型温度范围。熔体黏度受剪切速率的影响较小，但对温度的变化十分敏感，因此，在注射成型时，通过提高温度来降低黏度，比增大压力更有效。

图3-43 聚碳酸酯的表观黏度η_a与剪切速率γ·的流变曲线（MFI=10g/10min，330℃）

成型温度的选择与聚碳酸酯的相对分子质量、制件的壁厚和注射机的类型等有关，一般控制在250～310℃范围内。注射成型应选用相对分子质量稍低物料，其熔体有较好的流动性，但制品的韧性会有所降低。为保证薄壁制件型腔内的充模流动性，应有较高的成型温度（285～310℃）。螺杆式注射机的成型温度为250～285℃，柱塞式的为270～310℃。两类注射机的喷嘴均应加热，温度为260～310℃。加料口一端的料筒温度要求高于230℃，应在聚碳酸酯的软化温度以上，以提高物料升温塑化的速率。

聚碳酸酯熔料的黏度很高，成型长流程和薄壁的复杂注塑件需要较高的注射压力。螺杆式注射机为80～130MPa，柱塞式为100～160MPa。选用高料温和低压力有利于减少成型制件内的残余应力。由于聚碳酸酯的成型收缩率较小，保压时间不应过长，以免制件脱模困难、出现应力开裂。

聚碳酸酯注射模的模具温度为80～120℃。对薄壁制件模温为80～100℃，对厚壁制件成型的模温为100～120℃。成型聚碳酸酯的注射模，应该备有加热装置（用热油循环或用电热棒或电热板）。较高的模温可减小注塑件中的温差残余应力，但延长了注射周期。金属嵌件在放入模具前，要预热到模具温度。

聚碳酸酯制品内的残余应力可通过退火处理基本消除。退火加热温度为100～130℃，处理时间视制件的厚度而定，以1～2h/mm计，保温2～8h。热处理时间对制件的性能影响显著，如图3-44所示。其硬度、弯曲强度、热变形温度和拉伸屈服极限都有提高；但是制件的冲击强度和断裂伸长率会有下降，不过在保温2h之内并不明显。

图3-44 热处理时间对聚碳酸酯制件性能的影响

1—洛氏硬度（120℃） 2—弯曲强度（130℃） 3—冲击强度（130℃） 4—热变形温度（130℃） 5—拉伸屈服极限（130℃）