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TPU模塑成型工艺有多种方法:包括有注塑、吹塑、压缩成型、挤出成型等,其中以注塑最为常用。注塑的功能是将TPU加工成所要求的制件,分成预塑、注射和机出三个阶段的不连续过程。注射击机分柱塞式和螺杆式两种,推荐使用螺杆式注射机,因为它有提供均匀的速度、塑化和熔融。

一.注射机的设计

注射机料筒衬以铜铝合金,螺杆镀铬防止磨损。螺杆长径比L/D=16~20为好,至少15;压缩比2.5/1~3.0/1。给料段长度0.5L,压缩段0.3L,计量段0.2L。应将止逆环装在靠近螺杆顶端的地方,防止反流并保持最大压力。

加工TPU宜用自流喷嘴,出口为倒锥形,喷嘴口径4mm以上,小于主流道套环入口0.68mm,喷嘴应装有可控加热带以防止材料凝固。

从经济角度考虑,注射量应为额定量的40%~80%。螺杆转速20~50r/min

二.模具设计

模具设计就注意以下几点:

1)模塑TPU制件的收缩率

收缩受原料的硬度、制件的厚度、形状、成型温度和模具温度等模塑条件的影响。通常收缩率范围为0.005~0.5px/cm。例如,100×10×2mm的长方形试片,在长度方向浇口,流动方向上收缩,硬度75A60D23倍。TPU硬度、制作厚度对收缩率的影响见图1。可见TPU硬度在78A90A之间时,制件收缩率随厚度增加而下降;硬度在95A74D时制件收缩率随厚度增加而略有增加。

2)流道和冷料穴

主流道是模具中连接注射机喷嘴至分流道或型腔的一段通道,直径应向内扩大,呈2o以上的角度,以便于流道赘物脱模。分流道是多槽模中连接主流道和各个型腔的通道,在塑模上的排列应呈对称和等距分布。流道可为圆形、半圆形、长方形,直径以6~9mm为宜。流道表面必须像模腔一样抛光,以减少流动阻力,并提供较快的充模速度。

冷料穴是设在主流道末端的一个空穴,用以捕集喷嘴端部两次注射之间所产生的冷料,从而防止分流道或浇口堵塞。冷料混入型腔,制品容易产生内应力。冷料穴直径8~10mm,深度约6mm

3)浇口和排气口

浇口是接通主流道或分流道与型腔的通道。其截面积通常小于流道,是流道系统中最小的部分,长度宜短。浇口形状为矩形或圆形,尺寸随制品厚度增中,制品厚度4mm以下,直径1mm;厚度4~8mm,直径1.4mm;厚度8mm以上,直径为2.0~2.7mm。浇口位置一般选在制品最厚的而又不影响外观和使用的地方,与模具壁成直角,以防止缩孔,避免旋纹。

排气品是在模具中开设的一种槽形出气口,用以防止进入模具的熔料卷入气体,将型腔的气体排出模具。否则将会使制品带有气孔、熔接不良、充模不满,甚至因空气受压缩产生高温而将制品烧伤,制件产生内应力等。排气口可设在型腔内熔料流动的尽头或在塑模分型面上,为0.15mm深、6mm宽的浇槽。

必须注意模具温度尽量控制均匀,以免制件翘曲和扭变。

三.模塑条件

TPU最重要的模塑条件是影响塑化流动和冷却的温度、压力和时间。这些参数将影响TPU制件的外观和性能。良好的加工条件应能获得均匀的白色至米色的制件。

1.温度

模塑TPU过程需要控制的温度有料筒温度、喷嘴温度和模具温度。前两种温度主要影响TPU的塑化和流动,后一种温度影响TPU的流动和冷却。

a.料筒温度   料筒温度的选择与TPU的硬度有关。硬度高的TPU熔融温度高,料筒末端的最高温度亦高。加工TPU所用料筒温度范围是177~232℃。料筒温度的分布一般是从料斗一侧(后端)至喷嘴(前端)止,逐渐升高,以使TPU温度平稳地上升达到均匀塑化的目的。

b.喷嘴温度   喷嘴温度通常略低于料筒的最高温度,以防止熔料在直通式喷嘴可能发生的流涎现象。如果为杜绝流涎而采用自锁式的喷嘴,则喷嘴温度亦可控制在料筒的最高温度范围内。

c.模具温度   模具温度对TPU制品内在性能和表观质量影响很大。它的高低决定于TPU的结晶性和制品的尺寸等许多因素。模具温度通常通过恒温的冷却介质如水来控制,TPU硬度高,结晶度高,模具温度亦高。例如Texin,硬度480A,模具温度2030℃;硬度591A,模具温度3050℃;硬度355D,模具温度4065℃。TPU制品模具温度一般在1060℃。模具温度低,熔料过早冻结而产生流线,并且不利于球晶的增长,使制品结晶度低,会出现后期结晶过程,从而引起制品的后收缩和性能的变化。

2.压力

注塑过程是压力包括塑化压力(背压)和注射压力。螺杆后退时,其顶部熔料所受到的压力即为背压,通过溢流阀来调节。增加背压会提高熔体温度,减低塑化速度,使熔体温度均匀,色料混合均匀,并排出熔体气体,但会延长成型周期。TPU的背压通常在034MPa

注射压力是螺杆顶部对TPU所施的压力,它的作用是克服TPU从料筒流向型腔的流动阻力,给熔料充模的速率,并对熔料压实。TPU流动阻力和充模速率与熔料粘度密切相关,而熔料粘度又与TPU硬度和熔料温度直接相关,即熔料粘度不仅决定于温度和压力,还决定于TPU硬度和形变速率。剪切速率越高粘度越低;剪切速率不变,TPU硬度越高粘度越大。

在剪切速率不变的条件下,粘度随温度增加而下降,但在高剪切速率下,粘度受温度的影响不像低剪切速率那样大。TPU的注射压力一般为20~110MPa。保压压力大约为注射压力的一半,背压应在14MPa以下,以使TPU塑化均匀。

3.时间

完成一次注射过程所需的时间称为成型周期。成型周期包括充模时间、保压时间、冷却时间和其他时间(开模、脱模、闭模等),直接影响劳动生产率和设备利用率。TPU的成型周期通常决定于硬度、制件厚度和构型,TPU硬度高周期短,塑件厚周期长,塑件构型复杂周期长,成型周期还与模具温度有关。TPU成型周期一般在20~60s之间。

4.注射速度

注射速度主要决定于TPU制品的构型。端面厚的制品需要较低的注射速度,端面薄则注射速度较快。

5.螺杆转速

加工TPU制品通常需要低剪切速率,因而以较低的螺杆转速为宜。TPU的螺杆转速一般为20~80r/min,则优选20~40r/min

四.停机处理

由于TPU高温下延长时间可能发生降解,故在关机后,应该用PSPE、丙烯酸酯类塑料或ABS清洗;停机超过1小时,应该关闭加热。

五.制品后处理

TPU由于在料筒内塑化不均匀或在模腔内冷却速率不同,常会产生不均匀的结晶、取向和收缩,因此致使制品存在内应力,这在厚壁制品或带有金属嵌件的制品中更为突出。存在内应力的制品在贮存和使用中常会发生力学性能下降,表面有银纹甚至变形开裂。生产中解决这些问题的方法是对制品进行退火处理。退火温度视TPU制品的硬度而定,硬度高的制品退火温度亦较高,硬度低温度亦低;温度过高可能使制品发生翘曲或变形,过低达不到消除内应力的目的。TPU的退火宜用低温长时间,硬度较低的制品室温放置数周即可达到最佳性能。硬度在邵尔A85以下退火80℃×20hA85以上者100℃×20h即可。退火可在热风烘箱中进行,注意放置位置不要局部过热而使制品变形。

退火不仅可以消除内应力,还可提高力学性能。由于TPU是两相形态,TPU热加工期间发生相的混合,在迅速冷却时,由于TPU粘度高,相分离很慢,必须有足够的时间使其分离,形成微区,从而获得最佳性能。

六.镶嵌注塑

为了满足装配和使用强度的需要,TPU制件内需嵌入金属嵌件。金属嵌件先放入模具内的预定位置,然后注射成一个整体的制品。有嵌件的TPU制品由于金属嵌件与TPU热性能和收缩率差别较大,导致嵌件与TPU粘接不牢。解决的办法是对金属嵌件进行预热处理,因为预热后嵌件减少了熔料的温度差,从而在注射过程中可使嵌件周围的熔料冷却较慢,收缩比较均匀,发生一定的热料补缩作用,防止嵌件周围产生过大的内应力。TPU镶嵌成型比较容易,嵌物形状不受限制,只要在嵌件脱脂后,将其在200230℃加热处理152min,剥离强度可达69kg/25mm。欲获得更牢的粘接,可在嵌件上涂粘合剂,然后于120℃加热,再行注射。此外,应该注意所用的TPU不能含润滑剂。

七.回收料的再利用

TPU加工过程中,主流道、分流道、不合格的制品等废料,可以回收再利用。从实验结果看,100%回收料不掺合新料,力学性能下降也不太严重,完全可以利用,但为保持物理力学性能和注射条件在最佳水平,推荐回收料比例在25%~30%为好。应该注意的是回收料与新料的品种规格最好相同,已污染的或已退火的回收料避免使用,回收料不要贮存太久,最好马上造粒,干燥使用。回收料的熔融粘度一般要下降,成型条件要进行调整。

八.注射缺陷原因及处理

缺陷 产生原因 解决办法 缺陷 产生原因 解决办法

 

 

 

 

气泡

背压低 增加背压

 

 

  

毛边

材料过热 降低料筒温度
材料潮湿 彻底干燥 注射压力太高 降低注射压力
螺杆转速太高 降低螺杆转速 模具紧固压力低 提高紧固压力
材料过热 降低料筒温度

 

制品

粘模

注射压力太高 降低注射压力
注射速度过快 降低注射速度 保压时间太长 减少保压时间

 


焦斑

注射速度太快 降低注射速度 模温太高或太低 调整模温
材料过热 降低料筒温度 注射时间太长 降低注射时间
模具排气不当 增加排气口 模具表面镀铬或高 改变模具表面

 

 

韧性

降低

材料潮湿 彻底干燥 模具表面不平 抛光
回收料比率太大 降低回收料比率 熔融温度过高 降低熔料温度
熔融温度太高或太低 调整熔融温度

 

注料

量不

给料不足 调整给料
浇口太小 增加浇口尺寸 过早凝固 提高模具温度
浇口接合区太长 降低浇口接合区长度 料筒温度太低 提高料筒温度
模具温度太低 提高熔融温度 注射压力太低 增加注射压力

 

 

麻孔

气泡

或缩

皱纹

注射压力太低 增加注射压力 注射时间短 增加注射时间
材料过热 降低料筒温度

喷嘴孔、流道或浇口尺寸不足

调整喷嘴、流道和浇口尺寸
模具温度太低 提高模具温度


 

 

 

翘曲

注射压力太低 增加注射压力
给料不足 调整给料 材料过热 降低料筒温度
浇口定位不当 调整浇口位置 模具温度太高 降低模具温度

 

 

制品

凹陷

注射速度快 降低注射速度 树脂缓冲过度 降低树脂缓冲
注射时间短 增加注射时间

 

接合

线

注射压力、时间不足 增加注射压力、时间
背压过高 降低背压 熔料温度低 提高料筒温度
注射压力低 提高注射压力 浇口尺寸小、位置不当 增加浇口尺寸,改变位置
合模压力不足 提高合模压力

表面

线纹

熔料温度太高 降低料筒温度
熔料温度高 降低料筒温度 注射速度快 降低注射速度
凹陷部位排气不良 凹陷部位设排气口 浇口尺寸过小 加大浇口尺寸

 

 

螺杆

打滑

料斗进料部位故障 排除进料部位障碍 材料干燥不足 彻底干燥材料
料筒后部温度过高 降低该处温度

 

螺杆

无法

转动

熔料温度低 提高料筒温度
螺杆退后速度过快 降低退后速度 背压过高 降低背压
料筒没有清洗净 用其他树脂清洗料筒 材料欠润滑 添加适当润滑剂
材料干燥不充分 再行干燥材料

 

 

 

材料

未熔

料斗无料或堵塞

检查料斗
材料颗粒过大 降低颗粒尺寸 熔料温度低 提高料筒温度

 

喷嘴

流料

熔料温度过高 降低料筒温度 背压过低 增加背压
喷嘴温度过高 降低喷嘴温度 料斗下部过冷 关闭料斗下部冷却系统
背压过大 降低背压 成型周期太短 增加成型周期
主流道冷料断脱时间早 延迟冷料断脱时间 材料干燥不足 彻底干燥材料

(来源:注塑论坛)


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TPU注塑成型

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作者 ab