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        聚苯硫醚樹(shù)脂注塑成型工藝研究及應(yīng)用

        2022-11-15 05:06:36李沃源浙江新和成股份有限公司浙江紹興312500
        化工管理 2022年30期
        關(guān)鍵詞:聚苯硫醚結(jié)晶度成型

        李沃源(浙江新和成股份有限公司,浙江 紹興 312500)

        0 引言

        聚苯硫醚樹(shù)脂(PPS)的推薦長(zhǎng)期工作溫度為220~240 ℃。該材料具有良好的熱穩(wěn)定性,其力學(xué)性能在100 ℃、160 ℃和200 ℃下分別保持原始值的80%和60%左右[1-2]。該材料在室溫下具有優(yōu)異的抗蠕變和抗疲勞性能。該材料還具有優(yōu)良的耐酸、堿、鹽、有機(jī)溶劑和其他介質(zhì)的性能,但氧化性酸和強(qiáng)氧化性介質(zhì)除外,幾乎不溶于170 ℃以下的任何化學(xué)溶劑,特別適用于氫氟酸、鹵代烴和氯離子耐腐蝕的情況。PPS是一種阻燃材料,氧指數(shù)為46~53,優(yōu)于大多數(shù)工程塑料。聚苯硫醚具有高電阻和低介電常數(shù)的電性能,并能在高溫高濕條件下保持良好的電性能。此外,樹(shù)脂材料的機(jī)械性能不是很突出,是因?yàn)樗c玻璃纖維、碳纖維、無(wú)機(jī)填料和固體潤(rùn)滑劑具有良好的親和力,改性后效果良好,因此注射成型中使用的顆粒主要由各種纖維和無(wú)機(jī)填料改性和增強(qiáng)。

        1 聚苯硫醚成型方法

        聚苯硫醚通常采用:注塑、擠塑、模壓、噴涂等方法成型加工。

        1.1 注塑成型

        PPS采用注塑成型時(shí)其熔融速率通??刂圃?0~150 g/min(在343 ℃和0.5 MPa下 測(cè) 量)并且大部分所用的碳纖維或填料需增強(qiáng)或化學(xué)改性;對(duì)于注塑成型所用的注塑機(jī)一般選擇螺桿注塑機(jī),如圖1所示。在進(jìn)行注塑時(shí)要求加熱溫度應(yīng)達(dá)到200~350 ℃,注射壓力應(yīng)達(dá)到50~150 MPa[3]。

        圖1 螺桿式注射機(jī)

        模具加熱:在低模具溫度(低于90 ℃)下獲得的注塑制品結(jié)晶度較低一般為20%~30%,在較高的模具溫度(120~220 ℃)下,可獲得50%~60%的高結(jié)晶度產(chǎn)品;注塑成型工藝的條件為:料筒體溫度控制在300~350 ℃,注塑壓力控制在65~130 MPa,模具溫度控制在120~200 ℃,保壓時(shí)間控制在30~120 h,成型收縮率約0.25%~0.75%[4]。

        1.2 擠塑成型

        PPS擠塑成型主要采用排氣式擠塑機(jī)如圖2所示。其工藝為:冷卻槽低于200 ℃;加熱器溫度300~340 ℃,加熱器與冷卻槽連接溫度320~340 ℃,模具溫度300~320 ℃[5]。

        圖2 排氣式擠塑機(jī)

        1.3 模壓成型

        對(duì)于模壓成型首先需將樹(shù)脂粉末置于250 ℃以下預(yù)干燥2 h,然后再將樹(shù)脂粉末與填料按一定比例混合均勻一起加入模具中經(jīng)過(guò)高溫熔融(370 ℃)一段時(shí)間取出并放置于冷壓機(jī)上進(jìn)行冷卻處理;冷卻溫度時(shí)間取決于產(chǎn)品的厚度[6]。

        1.4 噴涂成型

        PPS噴涂成型通常以靜電粉末為主。在噴涂前需用油清潔金屬工件,噴砂時(shí)再進(jìn)行化學(xué)處理,這樣有利于提高噴料與工件之間的粘著力。此外,噴涂前工件需進(jìn)行熱處理,然后再用噴槍將聚苯硫醚粉靜電粉末均勻噴涂在待處理工件表面,待硬化后涂上涂層[7]。

        2 PPS注塑加工成型要點(diǎn)

        聚苯硫醚(PPS)是一種新型功能性工程塑料,具有機(jī)械強(qiáng)度高、尺寸穩(wěn)定性好、優(yōu)異的加工性能,同時(shí)該材料本身還具有良好的耐熱性、阻燃性和優(yōu)異的耐化學(xué)腐蝕性等,是一種可在惡劣環(huán)境條件下長(zhǎng)時(shí)間使用的特種工程塑料。純樹(shù)脂不適合注射成型,注射成型生產(chǎn)中使用的大多數(shù)塑料都是用于加工的改性塑料。PPS塑料堅(jiān)硬易碎,落地時(shí)發(fā)出金屬聲,很容易引起應(yīng)力裂紋。其熱變形溫度為260 ℃,熔點(diǎn)為280 ℃,根據(jù)上述特點(diǎn)在模具生產(chǎn)和注塑過(guò)程中的關(guān)鍵點(diǎn)如下。

        (1)注射壓力和注射速度對(duì)熔體、模具填充和產(chǎn)品質(zhì)量有很大影響。一般來(lái)說(shuō),注射速度越快,表面涂層越好,但同時(shí)容易產(chǎn)生產(chǎn)品變形和易燃燒等缺陷,可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。平均注射速率可以在沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)的情況下進(jìn)行。螺桿的反向壓力主要用于穩(wěn)定工件的重量并使密度均勻。由于PPS材料的熔融流動(dòng)性受注射壓力、料筒溫度等因素的影響,在實(shí)際工作中必須根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇。

        (2)PPS材料的結(jié)晶導(dǎo)致加工后壁厚和角度變化的零件中的應(yīng)力集中,這將降低零件的強(qiáng)度,會(huì)導(dǎo)致尺寸變化,嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)裂紋和其他缺陷,導(dǎo)致零件失效。因此,在設(shè)計(jì)塑料零件時(shí),應(yīng)避免零件壁厚的過(guò)度變化,并處理零件上角的圓角。除了提高零件的強(qiáng)度和硬度外,還有助于消除殘余應(yīng)力并提高熔體處理的流動(dòng)性。

        (3)退火處理的目的是提高工件的綜合機(jī)械性能和尺寸穩(wěn)定性,消除內(nèi)部殘余應(yīng)力,獲得更好的均勻顏色外觀。聚苯硫醚材料零件的退火溫度通常為180~240 ℃,退火時(shí)間為0.5~2.0 h。退火溫度高,退火時(shí)間短;退火溫度低,退火時(shí)間長(zhǎng);較厚制品的退火溫度較高,退火時(shí)間相應(yīng)延長(zhǎng);對(duì)在低模具溫度下形成的零件,采用較低的退火溫度。一旦工件達(dá)到退火時(shí)間時(shí),必須隨加熱爐緩慢冷卻,以利于過(guò)程中消除內(nèi)部殘余應(yīng)力。

        (4)在設(shè)計(jì)模具時(shí),應(yīng)考慮模具的高溫(加熱溫度應(yīng)高于130 ℃),模具鋼應(yīng)經(jīng)45~60 ℃(HRC)熱處理硬化以減少玻璃纖維在模具上的磨損。模具必須充分通風(fēng),并在主通道出口的水端打開(kāi)排氣槽,以避免充模不足和模具腐蝕。聚苯硫醚成型后制品硬度大,成型收縮率小,故不能采用潛伏型澆口,可采用圓形、梯形或邊部型澆口,可考慮開(kāi)設(shè)冷料井。模具澆口形式取決于聚苯硫醚制品的形狀。

        (5)與其他工程塑料相比成型工藝的條件要求不嚴(yán)格,并且設(shè)置了適當(dāng)?shù)目諝庾⒛z成型溫度值??刹捎酶咚俑邏撼尚?由于高速和高壓快速填充的高熔點(diǎn)不適合在注塑過(guò)程中使用,材料會(huì)與冷模具結(jié)合并快速硬化成纖維流動(dòng),因此無(wú)法用膠填充或表面異常粗糙)。注射壓力速度還受到注塑機(jī)、模具和產(chǎn)品本身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性的影響,因此可以在試生產(chǎn)后確定。注射時(shí)間和保壓時(shí)間受產(chǎn)品尺寸、過(guò)程長(zhǎng)度、澆口模式、注射速度等因素的影響,并通過(guò)試產(chǎn)決定。

        3 PPS注塑成型工藝

        3.1 干燥原材料

        由于聚苯硫醚吸水率低,因此在加工前無(wú)法干燥。然而,如果原料長(zhǎng)期放置在高溫高濕的開(kāi)放環(huán)境中,則必須在150~160 ℃下干燥2~3 h[8]。

        3.2 成型溫度

        聚苯硫醚成型溫度高,料筒體溫度280~360 ℃。在保證模具填充順暢和產(chǎn)品質(zhì)量的前提下,料筒外殼的溫度不應(yīng)盡可能高,以防止氧化料筒外殼中橡膠的交聯(lián)甚至硬化[9]。噴嘴溫度應(yīng)單獨(dú)控制,以保持良好的橡膠流動(dòng),不會(huì)堵塞和流涎。

        3.3 注射壓力

        注射壓力在50~200 mm之間。為了確保產(chǎn)品的機(jī)械性能和尺寸精度,最好采用高注射力,尤其是對(duì)于具有復(fù)雜形狀的薄壁零件。

        3.4 注射速率

        注射速率快,產(chǎn)品表面光潔度高,強(qiáng)度也高,但注射速率過(guò)快會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品扭曲、燒傷等現(xiàn)象,注射速率控制勻速較佳。

        3.5 螺桿轉(zhuǎn)速

        螺桿速度可在50~200 r/min之間,較高的速度可用于快速成型。此時(shí),由于剪切速度高,膠料的溫升很大,必須降低桶體溫度[10]。

        3.6 保壓壓力

        為了防止內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生,保存壓壓力應(yīng)盡量低,滿足補(bǔ)縮便可,以制品不出現(xiàn)凹陷為準(zhǔn)。

        3.7 背壓

        一定的背壓促進(jìn)橡膠排氣和混合,以生產(chǎn)質(zhì)量相對(duì)穩(wěn)定的產(chǎn)品。通常背壓在0.5~1.5 MPa范圍內(nèi)。對(duì)于干燥不良的材料,背壓可能更高。

        3.8 成型溫度

        PPS是一種結(jié)晶聚合物。成型的溫度直接影響產(chǎn)品的結(jié)晶度,從而獲得各種特征和尺寸精度。不同的模具溫度導(dǎo)致結(jié)晶差異很大,例如94 ℃時(shí)為8%,150 ℃時(shí)為48%。模具溫度高,產(chǎn)品結(jié)晶度也高,力學(xué)性能好,但存在收縮大、凹陷、變形、沖擊強(qiáng)度差等問(wèn)題;反之模具溫度低,產(chǎn)品結(jié)晶度低,收縮小,尺寸再現(xiàn)性好(產(chǎn)品尺寸和模具尺寸的復(fù)制程度),沖擊強(qiáng)度好,超聲波焊接性改善,但機(jī)械性能較差。因此,成型溫度應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品要求確定。

        3.9 成型周期

        由于聚苯硫醚是一種結(jié)晶聚合物,需要較高的模具溫度和較長(zhǎng)的冷卻時(shí)間才能獲得良好的機(jī)械性能,以提高結(jié)晶度。對(duì)于厚壁產(chǎn)品,注射時(shí)間、壓力保持時(shí)間和冷卻時(shí)間比薄壁產(chǎn)品長(zhǎng)。為了避免冷卻收縮和內(nèi)應(yīng)力,復(fù)雜零件和薄壁產(chǎn)品的保壓時(shí)間也應(yīng)適當(dāng)延長(zhǎng)。

        3.10 產(chǎn)品后處理

        為了提高產(chǎn)品的性能,消除內(nèi)部應(yīng)力并保持產(chǎn)品性能和尺寸的穩(wěn)定性,可以將產(chǎn)品放入爐中進(jìn)行退火。條件通常為溫度200~260 ℃,時(shí)間2~4 h。具體條件取決于產(chǎn)品的厚度和用途。厚產(chǎn)品需要很長(zhǎng)時(shí)間,退火使產(chǎn)品再次結(jié)晶,從而結(jié)晶度提高,其性能也提高,但它會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品再次因收縮而改變尺寸,在模具設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮這一因素。

        3.11 再生材料的使用

        再生材料可以與新材料混合,比例取決于產(chǎn)品的性能要求。如果再生材料的比例較高,則產(chǎn)品的性能通常應(yīng)降低不超過(guò)30%,以避免造成產(chǎn)品性能和質(zhì)量的顯著下降。

        3.12 停機(jī)處理

        由于聚苯硫醚對(duì)金屬有很強(qiáng)的粘附力,加工后附著在桶體和螺桿上的聚苯硫醚材料必須在停機(jī)前清潔,否則冷卻后膠料會(huì)牢固粘附在螺桿上,影響下次或其他材料的生產(chǎn)。通常高密度聚乙烯(HDPE)可用于清潔;為了縮短時(shí)間,可以先用玻璃纖維材料清潔,然后用HDPE材料進(jìn)行清洗,這樣清潔效果更好,但價(jià)格更高。在生產(chǎn)過(guò)程中成型需停運(yùn)一段時(shí)間,必須排出整個(gè)筒體的膠料,筒體溫度必須降至270 ℃以下,由于熔融材料在高溫條件下長(zhǎng)時(shí)間加熱會(huì)分解并釋放有毒氣體,因此生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)必須注意通風(fēng)。

        4 應(yīng)用范圍

        (1)電子和電氣:微型電子元件封裝、連接器、插頭、插座、繞線架、微調(diào)電容器、安全底座,其中PPS在電子電氣上的應(yīng)用如圖3所示。

        圖3 PPS在電子電氣上的應(yīng)用

        (2)機(jī)械領(lǐng)域:PPS在機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用如圖4所示,主要用于泵殼、泵輪、襯套、齒輪箱、滾珠、萬(wàn)向頭、密封件、法蘭、計(jì)數(shù)器、液位計(jì)和流量計(jì)部件。

        圖4 PPS在機(jī)械領(lǐng)域上的應(yīng)用

        (3)汽車(chē)行業(yè):溫度傳感器、蒸發(fā)器、氣化器、氣化泵、座椅底座、水箱和水室。

        (4)家用電器:電風(fēng)扇、微波爐架、干衣機(jī)、咖啡壺、電飯鍋、熱風(fēng)扇、恒溫器、空調(diào)壓縮機(jī)。

        (5)軍事領(lǐng)域:戰(zhàn)斗機(jī)、火箭垂直尾翼、火箭燃燒室、航空航天、飛行連接件、線圈架、儀表板等多個(gè)部件,特別是隱形戰(zhàn)斗機(jī)和轟炸機(jī)的主要部件[11]。還用于核潛艇的耐核部件、槍支、頭盔、軍用帳篷、器皿、宇航員用品、美國(guó)開(kāi)發(fā)的新型作戰(zhàn)車(chē)輛和英國(guó)開(kāi)發(fā)的塑膠坦克,以及軍艦和潛艇的耐腐蝕和耐磨部件。

        (6)纖維和薄膜:聚苯硫醚纖維與其他合成纖維混合,生產(chǎn)高性能工業(yè)濾布和耐輻射航空面料。薄膜是最好的絕緣材料,絕緣等級(jí)達(dá)到F級(jí)。可用于制造電容器、阻抗電子元件、扁平線圈骨架、導(dǎo)線涂層、蒸發(fā)器隔膜、熱印刷材料、磁盤(pán)、電子照相感光帶等。

        5 結(jié)語(yǔ)

        聚苯硫醚是一種結(jié)晶性樹(shù)脂,其特征是模具收縮的沖擊強(qiáng)度增加或降低、長(zhǎng)期熱變形溫度、表面硬度、抗蠕變、耐熱性和耐水性,所有這些都受到結(jié)晶度的影響。因此,成型過(guò)程中應(yīng)適當(dāng)控制模具溫度,模具溫度應(yīng)為50~180 ℃,最好在120~160 ℃之間。在模制產(chǎn)品的表面狀況較差,沒(méi)有光澤或尺寸穩(wěn)定性較差,使用時(shí)剛性不足,可以考慮將模具溫度提高160 ℃以上。

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