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塑膠材料的收縮與翹曲(一)■ 型創(chuàng)科技/ 劉文斌 技術(shù)總監(jiān)前言在射出成形制程中，當(dāng)高溫塑料熔膠射入模穴后開始進(jìn) 行冷卻時(shí)，因材料熱漲冷縮的特性，所以會(huì)使塑料在冷 卻的過程中，持續(xù)伴隨著材料比體積 (specificvolume) 的減小，此冷卻過程所產(chǎn)生的體積減小，就是塑膠材料 的收縮現(xiàn)象。此收縮現(xiàn)象會(huì)持續(xù)進(jìn)行直到成品冷卻到室 溫條件后，體積收縮變化才達(dá)到平衡狀態(tài)。

由于強(qiáng)化纖維使塑件的熱收縮便小和模數(shù)變大，所以添加纖維的熱塑性塑料可以抑制收縮，它沿著添加纖維的排列方向（通常是流動(dòng)方向）之收縮比橫向之收縮小。同樣地，添加粒狀填充物的熱塑性塑料比無添加物的塑料之收縮率小很多。另一方面，假如無添加填充材料的塑件具有高度的分子鏈配向性，則為非等向性之收縮，它在分子鏈排列方向有比較大的收縮率。

? 可評估位移、體積收縮、密度、纖維排向（需Fiber模塊）、熱/流動(dòng)引起的殘留應(yīng)力、區(qū)域收縮效應(yīng)、溫度差異效應(yīng)、平整度? 考慮材料特性、流動(dòng)/保壓/冷卻制程、模內(nèi)干涉(IMC)對翹曲的影響。

圖 3：PET 纖維以 TMA 量測熱應(yīng)力的分析結(jié)果 磁帶 (Magnetic Tape) 收縮應(yīng)力的測量（張力模式 -Tension Mode） 此 TMA 測試范例是將磁帶薄膜樣品以上述相同的張力測量模式來量測樣品的收縮應(yīng)力。

非統(tǒng)一的體積收縮的原因有兩個(gè)： ?非統(tǒng)一的壓力分布。 ?非統(tǒng)一的溫度分布。 非統(tǒng)一的體積收縮會(huì)導(dǎo)致兩種結(jié)果： ?在塑件頂出后出現(xiàn)翹曲。 ?如果應(yīng)力未轉(zhuǎn)化為變形，則會(huì)發(fā)生熱殘留應(yīng)力。 密度 (Density) 密度結(jié)果顯示目前步進(jìn)時(shí)間的密度分布。 一般說來，凝固區(qū)域的密度較高而熔融區(qū)的密度較低。

c、必須在鋼件上采用不等厚度的截面時(shí)，應(yīng)使鑄件各部分收縮時(shí)彼此不發(fā)生阻礙。例如手輪、齒輪等輪類鑄件除在轉(zhuǎn)角處做出圓角外，必要時(shí)可將輪輻做成彎曲狀見圖11。 2、鑄造工藝設(shè)計(jì) a.液體金屬經(jīng)過內(nèi)澆口進(jìn)入型腔后，靠近內(nèi)澆口的鑄件冷卻較慢，形成鑄件上的薄弱區(qū)，因而較易產(chǎn)生熱裂。有時(shí)，鑄件收縮可能受到澆口阻礙而產(chǎn)生熱裂。

（3）氫的影響 一般認(rèn)為，在熱影響區(qū)附近，由冷裂誘發(fā)成為層狀撕裂，氫是一個(gè)重要的影響因素。由于層狀撕裂的影響很大，危害也甚為嚴(yán)重，因此需要在施工之前，對鋼材層狀撕裂的敏感性作出判斷。常用的評定方法有Z向拉伸斷面收縮率和插銷Z向臨界應(yīng)力法。為防止層狀撕裂，斷面收縮率 應(yīng)不小于15%，一般希望 =15~20%為宜，當(dāng)25%時(shí)，認(rèn)為抗層狀撕裂優(yōu)異。

影響因素包括： 材料的熱收縮系數(shù)高 澆口與冒口設(shè)計(jì)不合理 冷卻與凝固過程不均勻 模具材料選擇不當(dāng)或排氣不足3.

如對某鑄鋼件，重量為125Kg，壁厚為15mm，澆注時(shí)間為14秒時(shí)不出現(xiàn)熱裂;延長至40秒就觀察到裂紋。　　(3)在鑄件易發(fā)生裂紋處設(shè)置防裂筋，是防止鑄鋼件熱裂的有效措施。　　(4)及時(shí)松箱，也有助于減少熱裂，因?yàn)榭梢詼p少鑄件的收縮應(yīng)力。　　　　

這就是為什么同一材料在不同工藝下會(huì)表現(xiàn)出不同收縮率的原因。有趣的是，某些材料如TPV（熱塑性硫化膠），在加工后可能表現(xiàn)出反常的“收縮而非膨脹”行為。這并非熱膨脹系數(shù)的失效，而是其內(nèi)部交聯(lián)的彈性段在加工中儲(chǔ)存了內(nèi)應(yīng)力，在后期的應(yīng)力釋放過程中，分子鏈的運(yùn)動(dòng)回彈導(dǎo)致了額外的收縮，甚至可能暫時(shí)抵消熱收縮效應(yīng)。TMA測試可以幫助區(qū)分這兩種不同的收縮機(jī)制。

性質(zhì) 透明抗化學(xué)性差成形時(shí)體積收縮率低通常強(qiáng)度不高一般具有高熔膠黏度熱含量低 半透明或不透明抗化學(xué)性佳成形時(shí)體積收縮率高強(qiáng)度高熔膠黏度低熱含量高 熱固性塑料與熱塑性塑料的最大差異就在于交聯(lián)程序，本質(zhì)上，熱固性塑料具有較好的機(jī)械強(qiáng)度、強(qiáng)高的使用溫度和較佳的尺寸穩(wěn)定性。

冷裂：在應(yīng)力集中部位產(chǎn)生的裂紋熱裂：由于凝固收縮而產(chǎn)生的不規(guī)則形狀的裂紋，斷口呈現(xiàn)細(xì)的樹枝狀結(jié)晶熱固態(tài)收縮裂紋：凝固結(jié)束后，由于固態(tài)熱收縮受阻而產(chǎn)生的裂紋，可以觀察到延性斷口冷隔，鑄件出現(xiàn)兩股金屬的交界線在鑄造表面相垂直的方向產(chǎn)生金屬交界線，有全部分離和部分分離的兩種情況熱裂和冷隔的邊緣，在50um的放大結(jié)果下，還是比較容易分辨的。

7-8：塑性在脫模后持續(xù)等壓收縮。 8： 最后，塑性零件達(dá)到熱平衡。 ? 影響塑性零件收縮的因素 很多因素都會(huì)影響翹曲行為，比如材料性質(zhì)，零件設(shè)計(jì)，模具設(shè)計(jì)及制程條件。這些因素都將在本節(jié)中說明。

八、熱收縮熱收縮是纖維熱性能之一，指受熱條件下纖維形態(tài)尺寸收縮，溫度降低后不可逆。纖維產(chǎn)生熱收縮是由于纖維存在內(nèi)應(yīng)力，熱收縮的大小用熱收縮率（Heat-shrinkage）表示，它是指加熱后纖維縮短的長度占原長度的百分率。根據(jù)加熱介質(zhì)不同，有沸水收縮率、熱空氣收縮率和飽和蒸汽收縮率等。對纖維熱收縮處理，品種不同采取的熱處理?xiàng)l件也不同。

膨脹和收縮的程度取決于許多因素，其中塑料的性能，最大、最小溫度范圍以及模腔保壓壓力是最重要的因素。還有注塑件的尺寸和形狀，以及冷卻速度和均勻性等也是影響因素。 塑料材料模塑過程中膨脹和收縮量的大小與所加工塑料的熱膨脹系數(shù)有關(guān)，模塑過程的熱膨脹系數(shù)稱為“模塑收縮”。

溫度的變化會(huì)影響高分子鏈的熱運(yùn)動(dòng)，當(dāng)溫度升高時(shí)，分子熱運(yùn)動(dòng)加劇，分子間的距離增大，從而導(dǎo)致材料的體積膨脹；反之，溫度降低，分子熱運(yùn)動(dòng)減弱，體積收縮。而壓力的作用則是對分子間的距離進(jìn)行 “擠壓” 或 “釋放”，增加壓力會(huì)使分子間距離減小，材料體積縮小；降低壓力，分子間距離又會(huì)增大，體積相應(yīng)增大 。

2、樹脂砂受熱后，在還原性氣氛下樹脂炭化結(jié)焦而形成堅(jiān)硬的焦炭骨架，能提高砂芯熱強(qiáng)度(如1000℃時(shí)樹脂砂的抗壓強(qiáng)度是水玻璃砂的5"10倍)，嚴(yán)重阻礙砂芯(型)退讓。呋喃樹脂中糠醇的含量越高(氮含量越低)，鑄件的熱裂傾向越大，因?yàn)榭反继岣吡藰渲?em>熱分解溫度，降低了樹脂的熱分解速度，從而降低了砂型或砂芯的潰散性，使砂型或砂芯更加阻礙鑄件收縮，造成鑄件熱裂傾向加重。

7-8：塑性在脫模后持續(xù)等壓收縮。8： 最后，塑性零件達(dá)到熱平衡。影響塑性零件收縮的因素很多因素都會(huì)影響翹曲行為，比如材料性質(zhì)，零件設(shè)計(jì)，模具設(shè)計(jì)及制程條件。這些因素都將在本節(jié)中說明。

7-8：塑性在脫模后持續(xù)等壓收縮。8： 最后，塑性零件達(dá)到熱平衡。影響塑性零件收縮的因素很多因素都會(huì)影響翹曲行為，比如材料性質(zhì)，零件設(shè)計(jì)，模具設(shè)計(jì)及制程條件。這些因素都將在本節(jié)中說明。

03 結(jié)果1- 熱源的確定（T測量和反轉(zhuǎn)法）2-非線性熱計(jì)算3-用運(yùn)動(dòng)學(xué)和各向同性的加工硬化系數(shù)對彈塑性行為規(guī)律進(jìn)行力學(xué)計(jì)算（忽略了：流體流動(dòng)、收縮、凝固和單元內(nèi)聚力的影響）。4-臨界變形標(biāo)準(zhǔn)（2.5%和1.5%）。