工程塑料PA的性能和注塑加工工艺

huang740914

工程塑料PA的性能和注塑加工工艺本文介绍了工程塑料PA的性能和注塑加工工艺，实际生产中设备的选用、产品造型及模具设计的注意事项，以及常见缺陷的解决方法。
PA—聚酰胺、也称尼龙，是一大类酰胺型聚合物的统称。最常见的有PA6、PA66、PA1010。最近，随着IT业的发展，一种新型的聚酰胺—PA46的使用量剧增，它用于代替LCP（液晶聚合物）生产电脑上的插件。由于PA具有良好的机械性能，韧性好、抗冲击、耐磨、自润滑、阻燃、绝缘等特点，所以被广泛用于汽车、机械、电子、仪表、化工等多个领域，如齿轮、滑轮、轴承、叶轮、衬套、容器、刷子、拉链等。
PA6、PA66、PA46都属脂肪族聚酰胺，是线性聚合物，其分子结构中有极强极性的酰胺基，所以具有高度的结晶能力。PA制品的性能依赖于其结晶形态及结晶度。而加工条件对结晶形态和结晶度有影响，加工条件不同，PA制品的结晶变化可达40%，制品冷却慢，结晶度高，且形成较大尺寸的结晶形态。吸水性对其结晶度也有影响。另外，PA在加工过程中由于流动、剪切作用会产生一定程度的取向，导致制品性能的各向异性，沿取向方向的强度优于非取向方向，取向也有利于结晶过程的进行，在模具设计时要考虑这个因素。

一、物理性能
. B( y( `+ O* M: p无色、无味、不霉烂、外观为半透明或透明，乳白色或淡黄色，密度1.04-1.36，燃烧时放出特殊的蛋白味，火焰为蓝色上端呈黄色。
机械性能
- x* |4 X# s1 b刚韧性好，耐反复冲击震动，使用温度为–40-100℃，耐摩擦、耐磨耗、自润滑，但抗蠕变性差，尺寸稳定性较差，可以通过加入玻璃纤维增强或与其他材料共混来克服此缺点。
- t/ R8 S0 R" q. x% r: Y- L' ~$ {耐化学品性能及耐候性
. H4 _0 o9 P: _+ J& A; i+ VPA的有机溶剂很少，乃化学性能良好，PA的有机溶剂是甲酸、酚类化合物。不同浓度的无机酸、碱、盐均可导致PA溶胀、溶解或水解。在不受阳光照射的条件下，其耐老化性能良好，但在热作用、光照、辐射条件下老化快、制品变色、性能下降。
8 @* S3 h; e& W9 b, k* H! U; k二、加工性能

• 易吸湿，成型前必须进行干燥。
• 熔点高，熔限窄，熔点分别为：PA6：215℃，PA66：255℃，PA46：290℃。
• PA熔体粘度具有较高的温度敏感和剪切敏感，熔体粘度低，流动性好。
• PA熔融状态的热稳定性较差，高温下易分解。
• 熔体的冷却速度对制品的结构和性能有明显的影响。
• 成型过程伴随结晶产生，收缩率大。

三、成型设备与模具
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• 注塑机的选用
  螺杆与机筒
• 由于PA具有韧性、自润滑性、进料困难、剪切生热大、熔点高、熔融速度快、易分解等特点。要求螺杆具备压缩排气集中，吃料能力强，驱动力大，耐磨性好。因此，PA注塑加工的塑化系统为：螺杆的加料段较长，加料段的螺槽较深，压缩段、均化段较短，机筒加料段处拉槽，加大油马达的功率，螺杆带有高效的止逆环。
• 射嘴
  由于PA在熔融状态下粘度低，流动性好，机筒内也不可避免留有部分残余压力，如果采用开放式射嘴，开模取出制品时熔体会从射嘴处流出（即流涎现象），既浪费材料又影响正常生产，故需采用自锁式射嘴，常用弹簧针阀式射嘴。
• 产品造性与模具设计
  壁厚在保证制品性能的前提下，尽可能取小值，制品越厚，收缩越大，强度不够，可以增加加强筋。
  制品收缩率大，易脱模，脱模斜度为40′-1゜40′。
• 流道与浇口
  , q9 z$ E8 L6 w流道直径Ф3-6ｍｍ，浇口直径为壁厚的2/3-3/4。但不得小于0.8mm。浇口太小会使熔体剪切过热而降解，影响制品性能。
• 嵌件
  尼龙的热膨胀系数比钢大9-10倍，比铝大4-5倍，金属嵌件妨碍尼龙的收缩，产生较大的应力，可能引起开裂，要求嵌件周围的厚度不小于嵌件金属的直径尺寸。
• 排气
  / A. ?+ @/ D+ ]' l% P% qPA的粘度小，高压注射下，充模快，如果气体不能及时排出，制品容易产生气泡、灼伤等缺陷，模具必须开设排气孔或排气槽，一般开在浇口的对面，排气孔直径为Ф1.5-1mm，排气槽深度小于0.03mm。

四、成型工艺
1、原材料的准备
因PA易吸湿，吸湿后对加工过程有影响，如熔体粘度下降，制品表面有气泡、银纹等。而且制品的力学性能也明显下降。因此，成型前必须进行干燥处理。又PA在高温下易被氧化而变色和降解，所以，最好采用真空干燥，但在没有真空干燥条件下，也可采用常压热风干燥。真空干燥温度为85-95℃，时间4-6H,热风干燥为：温度：90-100℃，时间8-10H，干燥后的PA料不宜长时间放置在空气中（不超过1-3H）。
; Z5 i! @# |. V3 E6 T2、成型温度
机筒温度的选择，以PA的熔点为主要依据，同时与注塑机的类型、制品的形状、、尺寸有关。一般在220-320℃，PA6：220-300℃；PA66：260-320℃，因PA的加工温度较窄，故机筒温度必须严格控制，以免熔料降解而使制品变坏。机筒温度的设置对塑料的塑化和熔胶的快慢影响较大，机筒的中段温度要高于熔点20--40℃、低于分解温度20-30℃，前段温度比中段温度低5-10℃，后段（加料段）温度比中段温度低20-50℃；加料口处冷却必须有效；如果中段温度太低，螺杆转速过快，可能会出现卡※现象，后段温度过高，会影响输送能力，螺杆吃料慢，影响生产效率。
/ P, |; b* Q3 z4 h& R3、注射压力
注射压力对PA的力学影响较小。注射压力的选择，主要依据注塑机的类型、机筒温度、制品形状、尺寸、模具结构、还取决于注射速度、注射时间、保压时间等因素。
  u( p& D. f0 ~* L  M" X5 z% |& y4、注射速度
注射速度的选取与制品的壁厚、熔体的温度、浇口的大小等有关，对薄壁产品，注射速度可较快，而对厚壁产品则注射速度可较慢，熔体温度高，注射速度注射速度要慢些，浇口尺寸小，注射速度不能太快，否则会因剪切过量引起熔体温度过高而降解，导致制品变色和力学性能下降。注射速度太快，也会使制品出现气泡、烧焦等缺陷。
+ R2 Q' j3 T/ [% {! ]4 b$ \( Z5、螺杆转速
/ K' U: e) ?/ b1 f8 D4 U适宜采用中速，转速太快会因剪切过量而使塑料降解，导致制品变色和性能下降，转速太慢，会影响熔胶的质量，同时也会因熔胶时间长而影响生产效率。
6、背压
) r5 O- l9 q: Q( ?) t在保证制品质量的前提下，背压越低越好，高背压会使熔体剪切过量而过热降解。
  x6 t" o9 a3 w. K7、模具温度
  H6 K' e0 N+ g0 K, P" e模具温度高，制品的硬度、密度、拉伸强度、弹性模量提高。
& |$ _+ Y, k/ L9 M+ M: u1 G* C5 R模具温度与制品的性能要求有关，对于要求伸长率、透明性好的薄制品，模具温度低些较好；而要求强度高、耐磨性好、使用变形小的厚制品，则模具温度高些好。具体如下：
制品厚度模具温度：小于3mm20-40℃，3-6mm40-60℃，6-10mm60-90℃，大于10mm100℃
8 ]% _1 A' T5 \模具温度对制品的收缩率影响很大，模温越高，收缩率越大，反之，收缩率小。
. o( k3 O1 W2 K! b/ T8、成型周期
主要取决于制品的壁厚，对薄壁制品，注射时间、保压时间、冷却时间都可以较短，而厚壁制品，为防止收缩变形、凹痕、气泡等出现，注射时间、保压时间相应加长，采用高模温，冷却时间应较长。
9、制品后处理
5 z0 I; i' H3 p) V/ }7 F! \PA在成型过程中分子取向，冷却过程中的结晶，使制品存在一定的内应力，在以后的储放或使用过程中，制品的尺寸和形状会发生变化。因此需要进行退火、调湿处理。
7 s3 {5 W7 P1 e% R6 X10、退火
0 z6 \, R3 u1 d8 |: B2 G: i7 }使用温度高于80℃或精度要求高的制品，制品脱模取出后，放于油或石蜡中退火。退火温度高于使用温度10-20℃，时间10-60分钟。（视制品的厚度而定）
11、调湿
长期在潮湿或是、水溶液中使用的制品，在成型过程中，制品取出后，放于沸水或醋酸钾水溶液中1-2天。
12、机筒滞留时间
在生产过程中，若胶温度在300℃以上，要避免熔体在机筒内滞留时间过长（20分钟），否则会过热分解，使产品变色或变脆。若需临时停机超过20分钟，可把机筒温度降至200℃。长时间停机时，必须使用粘度较高的聚合物来清洗机筒，可以用HDPE或PP来清洗。
五、常见缺陷与解决方法
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缺陷

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原因

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解决方法

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填充不足

• 注射压力不足
• 注射速度慢
• 熔料温度低
• 排气不良
• 浇口过小
• 过胶圈磨损

• 提高注射压力
• 提高注射速度
• 提高机筒温度,
• 在未填满的部位加排气孔
• 扩大浇口尺寸或缩短浇口流道的距离
• 检查过胶圈的磨损程度，更换

表面无光泽

• 制品密度不足
• 填充速度慢
• 模具温度低
• 排气不良

• 增加熔胶量，提高注射压力
• 提高机筒温度，提高注射速度
• 提高模具温度
• 充分排气

变     色  

• 熔料温度过高
• 注射速度过快
• 浇口过小
• 模具排气不良

• 降低机筒温度、螺杆转速、背压
• 降低注射速度和注射压力
• 扩大浇口尺寸
• 开设或增加排气孔、槽

银    纹

• 干燥不足
• 熔料温度过高
• 注射速度过快
• 材料中有杂质

• 加强干燥，加长干燥时间或采用真空干燥
• 降低机筒温度、螺杆转速
• 降低注射速度和注射压力
• 检查材料中有无杂质
• 适当增加背压

熔合纹

• 熔料充模后冷却快引起
• 浇口位置开设不当

• 提高注射压力、速度、机筒温度、模具温度
• 更改浇口位置，使熔合纹出现在不受负荷或不显著的部位；开设冷料井，使熔合纹处的冷料排出

翘   曲

• 制品冷却不均匀
• 制品壁厚不均匀
• 填充过度
• 注射速度过快

• 调整模具的温度控制，使其冷却均匀
• 产品的设计尽量使其壁厚均匀
• 降低注射压力和保压压力
• 降低注射速度

收缩、凹陷

• 制品密度不足
• 熔料含有气体
• 制品壁厚过厚
• 热收缩大

• 增加熔胶量，提高注射压力，延长注射时间
• 充分干燥材料
• 制品厚度不要超过7—10MM
• 降低机筒温度及模具温度

内部裂纹

• 制品冷却过快
• 残余应力

• 提高模具温度，制品取出后浸入热水或放入烘箱中缓慢冷却
• 降低注射速度，提高模具温度

烧焦

• 排气不良
• 熔料温度过高

• 增加排气孔
• 降低机筒温度、注射速度
• 加大浇口

脱模困难、顶出破裂

• 模具的脱模锥度不足，表面光洁度不足
• 脱模顶针的位置不当或直径过小

• 加大脱模锥度，模具表面抛光
• 增加顶针数量或加大顶针直径
• 延长冷却时间，降低机筒温度、模具温度

下料困难或不下料

• 机筒温度设置不当
• 机筒下料口处冷却不足
• 螺杆、机筒设计不当
• 料斗、下料口堵塞

• 适当提高机筒中段温度、降低后段温度
• 检查冷却水管有无堵塞
• 螺杆的加料段较长、螺槽较深、该处机筒拉槽
• 检查材料中有无尺寸较长的再生料、再生料的使用比例过大。

六、PA改性料
由于PA强极性的特点，吸湿性强，尺寸稳定性差，但可以通过改性来改善。
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• 玻璃纤维增强PA

在PA加入30%的玻璃纤维，PA的力学性能、尺寸稳定性、耐热性、耐老化性能有明显提高，耐疲劳强度是未增强的2.5倍。玻璃纤维增强PA的成型工艺与未增强时大致相同，但因流动较增强前差，所以注射压力和注射速度要适当提高，机筒温度提高10-40℃。由于玻纤在注塑过程中会沿流动方向取向，引起力学性能和收缩率在取向方向上增强，导致制品变形翘曲，因此，模具设计时，浇口的位置、形状要合理，工艺上可以提高模具的温度，制品取出后放入热水中让其缓慢冷却。另外，加入玻纤的比例越大，其对注塑机的塑化元件的磨损越大，最好是采用双金属螺杆、机筒。

• 阻燃PA

由于在PA中加入了阻燃剂，大部分阻燃剂在高温下易分解，释放出酸性物质，对金属具有腐蚀作用，因此，塑化元件（螺杆、过胶头、过胶圈、过胶垫圈、法兰等）需镀硬鉻处理。工艺方面，尽量控制机筒温度不能过高，注射速度不能太快，以避免因胶料温度过高而分解引起制品变色和力学性能下降。
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• 透明PA

具有良好的拉伸强度、耐冲击强度、刚性、耐磨性、耐化学性、表面硬度等性能，透光率高，与光学玻璃相近，加工温度为300--315℃，成型加工时，需严格控制机筒温度，熔体温度太高会因降解而导致制品变色，温度太低会因塑化不良而影响制品的透明度。模具温度尽量取低些，模具温度高会因结晶而使制品的透明度降低。

• 耐候PA

在PA中加入了碳黑等吸收紫外线的助剂，这些对PA的自润滑性和对金属的磨损大大增强，成型加工时会影响下料和磨损机件。因此，需要采用进料能力强及耐磨性高的螺杆、机筒、过胶头、过胶圈、过胶垫圈组合。