模块十一 热固性塑料注塑模设计

热固性塑料充模后固化交链成三维网状结构， 不会出现大分子链的取向，也很少产生熔体破裂 现象。但是纤维状的填料在充横流动中会出现流 动取向，使制品在流动方向的力学性能和收缩率 高于垂直流动方向。
热固性塑料熔体在充模过程中，近模壁处的 流速高且速度梯度大，与模腔面的给热系数高， 又会产生不容忽视的摩擦热。这使充模熔体很快 达到固化温度。与其他成型方法比较，同样厚度 制品固化反应时间最短；若制品愈厚，固化时间 缩短更明显。这使模具温度控制较为困难。模温 偏低会延长固化周期，或使固化不完全，致使塑 件性能下降。倘若模温偏高，低粘度熔体会到处 钻模形成飞边。靠近模壁的熔体粘度迅速越过最 低点而过早固化，会使塑件表层发暗出现流痕和 粘模。局部熔体过早固化，还会使塑件某些部分 缺料。模内熔体受热时，一方面由于分子链活动 性增大使粘度降低；但另一方面因固化反应而使 粘度大增。如图11-3所示，是两个相反的综合影 响结果。
2 模内流动和固化
塑性塑料熔体充模时模壁温度低于熔体 温度，使靠近模壁处的熔体迅速冷却生成冻 结皮层。靠近冻结层处熔体粘度高于中心层， 流速沿断面呈抛物线分布，如图11-2(a)所 示。热固性塑料熔体充模时，模壁温度高于 熔体温度，不会产生冻结层。接触模壁处熔 体因受到加热反而使粘度降低。除紧邻模壁 薄层因摩擦阻力流速较低外，整个断面流速 分布相近，形成“活塞流”，如图11—2(b) 所示。
11.1.1 成型方法特点
1．生产效率高
与传统的压制和压铸成型相比，热固性注 塑时由于塑料先在料筒中经过加热塑化，塑化 后的塑料又在螺杆或柱塞推挤下流经喷嘴和浇 注系统进一步摩擦加热．在进入闭合的模腔后， 已经达到了能够快速固化反应的温度。同时， 由于采用能够快速固化的塑料，使固化反应时 间大大缩短。以壁厚6.35mm塑件为例，采用不 同成型方法所需净固化时间分别为：
热固性塑料注塑有别于热塑性塑料。热固 性塑料的注塑料加入料筒，通过螺杆旋转产生 剪切热和料筒的外加热，使之在较低温度(约 55～105℃)熔融。然后在高压下将稠胶状的物 料注入模具。在加热(约达150～200℃)高温作 用下，进行化学交联反应，经保压后固化成型。 最后开模顶出取得成型制品。
1．热固性注塑料
2．热固性塑料注塑机
热固性塑料注塑应该用专门的注塑机。这种 注塑机与常用的热塑性塑料注塑机主要有两个方 面的区别：
(1)料筒加热方式 热固性塑料的塑化热量 主要来源是螺杆旋转的剪切热。料筒的外加热主 要起预热作用，并起对料筒温度的调节作用。单 一的电热方式易使物料过热固化。因此，常用水 或油加热料筒。也有电加热水结构的料筒。另一 种是油电加热料筒，电热仅用于预热，塑化时调 节油温来控制料筒温度，所以料筒温度控制精度 较高。
11.2.2 分型面设计
应该尽可能减小分型面处动、定模的实际 接触面积，目的是增大接触面处的闭合压力， 增加模具闭合的紧密性，避免分型面处溢料或 减小溢料厚度。应将分型面除型腔和浇注道所 在区以外部分削去0.5～1.0mm，如图11-5所示。
分型面处尽量减少穿通的孔或凹槽，如螺 钉固定孔、销钉孔等应设计为盲孔。对于难以 避免的孔，应尽可能远离型腔，并避免与排气 槽连通．以避免这些孔内溢入塑料，难以清理。
(2)塑化螺杆的压缩比 由对热塑性注塑料的 2～3.5：1改小至1：1。长径比由15～20减小为 12～15，以减少对物料的剪切和摩擦作用。
3．注塑工艺
(1)工艺要点 热固性塑料注塑过程中， 物料在料筒中处于粘度最低的熔融状态。塑料 熔体的粘度及其流动阻力与填料品种、比例和 形状尺寸关系很大，需有相适应的注塑压力。 必须综合考虑摩擦热的因素。一般采用较高注 塑速度，以获得较高的摩擦热，有利固化。热 固性塑料在模具中进行固化反应，会产生缩合 水和低分子挥发物，模具型腔必须设有畅通的 排气系统。否则会在塑件表面留下气泡和残缺。 固化成型时间按最大壁厚计算，一般为8～12s ／mm，快速固化的注塑料5～7s／mm。
分型面应具有比热塑性注塑模较高的 硬度，以避免末清理干净的树脂碎片在闭 模时压伤分型面造成麻点，即使是非分型
面部分硬度也不应低于HRC30。
返回
11.2.3 成型零件设计
成型零件工作尺寸的计算方法与热塑性塑 料注塑模具相同。但在设定成型收缩率时应注 意到热固性塑料注塑收缩率的离散性较大，如 酚醛塑料注塑收缩率为0.7%～1.2%。此外，在 计算型腔深度尺寸时，要计入分型面上毛边厚 度0.05～0.1mm，即将计算得模具型腔尺寸中 减去毛边值。
返回
热固性塑料熔体的充模流速分布特性，与粉 状料压制成型相比，模腔中充模终止时的塑料熔 体温度均匀一致，没有明显的内外层，固化程度 不易区别。因此注塑充模塑件在整个断面上有较 均匀一致力学相电绝缘性能。但是这种充模流动， 在模具高温模壁处的流速很高，对模壁产生很大 摩擦磨损。特别是在流道和型腔的窄狭通道处， 壁面磨损更甚。
还需校核塑料熔体在料筒中的存留时间
b。使 b不得超过熔体状态的维持时间。
目前，该允许维持时间[ ]b ＝4～6min,有
b
Gb G'
[]b
所以，每次实际注塑量为注塑后料筒中存 料的0.7～0.8较为合适。倘若注塑量过少，会 造成塑件上有过早固化硬块。甚至必须经常对 空喷射，以防止塑料在料筒中固化。
末预热的粉状料压制成型 60s
高频预热压制成型
40s
高频预热压铸成型
30s
注塑成型
24s
值得指出的是，随塑件壁厚增加，采用热 固性注塑比压制和压铸成型所需固化时间缩短 更明显。图11-1是采用以上3种成型方法，固化 时间与塑件壁厚关系比较。经验证明，对于厚 壁塑件和带筋塑件，热固性注塑的固化时间比 类似的热塑性注塑件冷却变硬时间更短。因此， 对于成型大型厚壁塑件，热固性注塑更具有独 特优越性。
成型零件设计应尽量避免镶拼结构，以免 熔体钻模。整体镶嵌式型腔常被采用。型腔表 面粗糙度应在Ra0.20以下。
型腔和型芯一般都应经过热处理淬硬。 表面硬度有HRC 40～45的析出硬化钢，SM2 和PMS用于高精度的中小型模具。为提高耐 磨性，也常用合金工具钢9Mn2V、5Cr2MnMo、 9CrWMn，具有HRC53～57。含有矿石粉或玻 璃纤维等硬质填料时，要求HRC58～62。成 型零件常用镀硬铬后抛光来提高光洁度； 提高耐磨性并防腐和防锈，延长模具使用 寿命。镀铬层厚度在0.03～0.08mm之间。
热固性注塑使生产效率提高，不仅是由于 净固化时间减少，也由于不需要对塑料预热和 预压(压锭)工序，只需将松散料加入注塑机料 斗即可。
返回
2．塑件固化均匀性改善
由于热固性注塑时进入模腔的是已经塑化 均匀、内外温度基本一致的塑料，可以使内外 层固化比较均匀，而压制成型时加入模腔的是 松散或预压为锭的加料，尚需从模壁由热传导 从外向里对塑料传递热量，使内、外层有明显 温差，外层固化较早较快，内层固化较晚较慢， 产生内外层固化程度的明显差别，常常出现外 层固化过分内层仍固化不足的现象，对塑件性 能不利。由于热固性注塑件在整个断面上固化 较均匀一致，赋予塑料良好的电绝缘性能，某 些力学性能也得到改善。
(2)塑化温度范围宽 一般要求物料在 70～90℃能够塑化，具有一定流动性。并要 求在注塑机的料筒中存留15～30min，具有 热稳定性。添加稳定剂可在较低温度下阻止 交联固化。这对温流道注塑模成型尤其重要。
(3)高温下能快速固化 固化速度快能缩短 成型周期，提高生产效率。但过快固化，会造成 局部型腔特别是细小部位充填不满。
(2)存在的问题 目前热固性塑料注塑品种 已有一百多种，但国内生产品种尚少，还需提高 材料性能。热固性塑料中的填料，如玻璃纤维在 螺杆剪切作用中会受损；而布屑、纸片等大颗粒 填料难于进料。不但物料的流动性差．而且对螺 杆和模具等磨损作用大。又使注塑件取向较严重， 产品易翘曲变形。塑件中的嵌件的安放受成型速 度等限制，不能过多和安放过慢。最突出的问题 是浇注系统凝料只能作废料处理。尤其是一模多 腔小制件，浪费率达15％～25％，甚至更高。故 采用无浇注系统凝料的流道模具有重大意义。应 看到热固性注塑的设备和模具费用比其他加工工 艺方法高几倍，而且耗能也大。单模具加热就占 耗能1／4。
4 塑料熔体对模具成型表面有较严重的磨蚀 磨损。
5 模具工作温度远高于室温，使室温下的装 配间隙很难控制使工作时的运动零件产生咬死和 拉毛现象。
11.2 模具设计要点
许多重要设计步骤，如模具的强度和刚度计 算等，与热塑性塑料注塑模相同或相似，这里从 简。
典型注塑模具如图11-4所示。它和热塑性注 塑模结构类似，即包括型腔、浇注系统、导向零 件、顶出装置、分型抽芯机构、排气孔等。在注 射机上也采取相同的安装方法，用定位圈定位。 其分流道和浇口、排气孔等的开设更类似于压铸 模具，模具多采用电加热以满足物料迅速固化的 要求。热固性塑料注塑模也有其特点，例如排气 量大，注塑压力和速度比较高，应考虑其排气和 磨损的问题。
热固性塑料的注塑料应经改性后制成粒子、 粉状或液态等供应。现今大多以粒子供应，仅 环氧注塑料是液态的。对热固性塑料的注塑料 有下列要求。
(1)合适的流动性 热固性注塑料的拉西 哥 流 动 性 — 般 大 于 200mm 。 相 对 分 子 质 量 在 1000以内的线型分子或具有少量支链型的分子， 其流动性最好。木粉作填料的注塑塑料流动性 最好，无机填料的流动性较差。玻璃纤维和纺 织填料的塑料流动性最差。添加润滑剂可提高 流动性，过多固化剂会降低流动性。
3．劳动条件明显改善
热固性注塑比压制、压铸成型的自动化程 度高，使操作人员劳动强度和工作条件都明显 改善，特别是向料斗中加料是密闭加料，减少 了粉尘飞扬的危害。
11.1.2 注塑工艺特点
热固性塑料注塑成型是一项新技术，还处 于发展阶段。其成型模具的设计与注塑工艺、 注塑物料和注塑设备密切相关。
（一）工艺特点
返回
综上所述，热固性塑料注塑模具的总体结构 设计时必须考虑如下特点。