• 沒有找到結果。

第一章 緒論

1.5 文獻回顧

塑膠的流動模式是伴隨著噴泉流進行的,如圖 1-1 所示。但是 在某些特殊情況下,其流動可能不會遵循這種方式,如圖 1-2 所示 為不恰當的澆口設計所造成的現象,此現象稱作噴流。在Malloy [1]

的著作中提到,當熔融塑料進入寬廣的模穴內時,塑料會傾向於流入 較深的模穴內,不會發展成噴泉流(Fountain Flow)的流動波前(Melt Front),且充填時,先進入模穴內的塑料會先冷卻,而後來的塑料由 於其溫度較高,導致二者間無法融合的很好。造成表面有缺陷存在,

機械性質也會比較差。這種情形可藉由適當的澆口設計改善,舉例來 說,將澆口長度改短,可促進塑料進入模穴時產生的膨脹現象。成效 最好的應是將澆口改大避免噴流。扇型澆口則是用來減緩噴流的有效 設計。

圖 1-3 所示為一澆口設計不當的例子。澆口設計在模具一端的 中心,熔融塑料在高速下注入模穴,碰到冷模壁時,便很快就固化了。

後來進入的熔融塑料繼續把先前已固化的料包圍,使成型後的塑件表 面呈現合流紋。此缺點可採用重疊進料的方式來加以克服。

針對噴流現象,射出成型界業者已困擾許久,遇到這種情形時,

一般根據現場的經驗,不外乎就是變更澆流道的設計或者是將射速減 緩,這些方法,都是為了使得塑膠的充填順利,然而目前尚未有一個 量化的數據可供參考。

1940年至1950年初,射出成型是熱塑性產品主要的製程,儘管當 時其技術的重要,但對射出成型過程中遭遇到的現象之基礎研究少之 又少。

Gilmore 和 Spencer [2,3]是最早對射出成型作研究的學者,其提 出一系列有關塑膠模具射出成型模穴充填過程的研究,也包含了定義 許多射出成型的問題。為了要對充填過程有較好的觀察,他們製作了 一個特殊的模具,模具側壁替換為退火過的透明玻璃並加裝高速攝影 機,以便觀察模穴內塑膠流動的情形,發現模穴內流動會有兩種方式 [4,5]。一種為Normal Filling,另一種是Jetting。

1974年,White 和 Dee [6],同樣應用透明的模具,在非恆溫 (non-isothermal)的環境下,選用三種不同的塑料 ( PS、LDPE、HDPE) 改變成型的條件,觀察矩形平板模穴充填情形,並探討成型參數對充 填模式的影響。發現當模溫80℃、射速 20in/min,LDPE會發生噴流 效應。

1976年,Oda, White 和 Clark [7]則對噴流現象進行研究,發現

不管在恆溫或非恆溫下實驗,均可觀察到噴流及一般充填(Normal Filling)兩種現象;恆溫操作時,低射出率造成噴流,高射出率時一般 充填,因此射速高低不是唯一影響噴流的因素,勢必還有其他的因子 也會有所影響;恆溫射出成型時,要判斷是否會發生噴流,可將塑膠 之模口膨脹比當做判斷噴流的準則,模口膨脹比視為塑膠離開澆口後 的體積厚度和澆口厚度的比值,當模口膨脹到足以接觸到模壁時,即 不會發生噴流。

1978年,Han 和 Villamizar [8]以HDPE為塑料,進料溫度設定在 260℃、壓力720 Psi、模溫70℃進行實驗,發現離開澆口的塑膠以非 均勻的模式前進,塑膠直達對面之模壁,受到壓縮後開始堆疊,如圖 1-4 所示。另外亦對 STYRON 686進行充填的實驗,情況分別為射壓 500 Psi、進料溫度240℃、模具溫度100℃;射壓650 Psi、進料溫度260

℃、模具溫度100℃。模穴內的充填情形分別如圖 1-5、圖 1-6 所示。

圖 1-6 所示之流動形式符合Hele-Shaw流動,早期Hele-Shaw流動是 被用來模擬位能流的研究,目前射出理論大多依照此原則來解析各種 高分子的流動。

同年,Villamizar [9]在探討Bubble Dynamics時,發現料溫對氣泡 之運動影響甚劇,當溫度從200℃降至180℃時會有較少的氣泡產生且 氣泡的生長會趨於緩慢,但有趣的是另一個發現,料溫180℃時塑膠

的流動會發生噴流現象,如圖 1-7 所示。推論應是料溫降低導致黏 度上升,而引發噴流。

1979 年,White 和 Dietz [10]以聚苯乙烯(PS)、低密度聚乙烯 (LDPE)、高密度聚乙烯(HDPE)為對象,觀察在恆溫狀態下之矩形模 具塑料熔融膠前端(流動波前)之前進情形。發現PS之黏度較高、流動 阻力較大,使充填速度較慢,且三者在全展流區域,流動波前為一平 坦之扁平狀,此為恆溫充填的情形。另外也對判斷噴流發生的原因作 了理論性的分析。

1980 年,Isayev 及 Hieber [11]將黏彈性之效應併入一維非等溫 熔體模穴充填流動之研究。同年,Krueger 和 Tadmor [12]利用短射 法,調整不同螺桿位置將之固定後射出充填,與理論預測比較,結果 相當接近,包括結合線位置亦是吻合。

為了瞭解整個動態的流動變化,很多研究[13,14]皆利用透明視窗 來觀察充填流動情形,從等溫與非等溫情形比較下,溫度效應在成型 過程中非常重要。

1983 年,Hieber [15]等人建立薄平板模穴模型,假設塑料為冪次 流體,並應用有限元素法及有限差分法來模擬計算二維充填過程,其 結果與實驗值作比較,差異性並不大。

1986年,Rosato [16]提出噴流的現象有兩種:一種為噴流蛇紋沖

到模壁後,噴流現象仍繼續發生,也就是蛇紋開始反方向開始堆疊,

直到幾乎充滿整個模穴,一般充填才會開始;第二種方式是噴流蛇紋 沖到模壁後,噴流現象不再發生,模穴以一般的方式充填。

1999年,Yokoi [17]等人自行在模具內加裝綾柱鏡,搭配高速攝 影機,記錄塑膠充填及冷卻的過程,如圖 1-8 (a、b) 所示,為材料 POM在料溫190℃、模溫80℃,射速分別為30 mm/s 及15 mm/s 所觀 察到的情形。除此之外,研究發現其它條件皆相同的情況下,使用金 屬模具時看到的噴流情形,在更換為玻璃材質的模具時,此現象則消 失,推論為模具表面粗糙度及熱傳導係數不同造成。

1950 年,Ballman 和 Toor [18]提出模穴充填程序的非等向性模 型,且第一次應用電腦進行射出成型充填的預測性計算。

1965 年,Kroesser 和 Middleman [19]研究流道截面積為長方形 時之充填流動情形。

1970年,Harry 和 Parrott [20]利用了擬穩態 (Quasi-Steady)的手 法模擬高分子在長方形平板的一維流動模擬,且成功地預測在薄模壁 的短射現象及厚模壁的完全充填的現象。

1993 年,Chiang [21]模擬平板之射出成型過程,其預測溫度與 壓力隨時間變化之情形,與實驗值相近。

2001年,清大化工系張榮語教授於其著作提及,充填時的噴流現

象亦會造成熔接線,噴流發生時,塑料以蛇紋的方式噴出直到衝撞模 壁,後來射出的塑料將以一種類似“手風琴"的方式壓縮蛇紋,熔接 線即緣於這些“手風琴"彎曲相互接觸的結果。

圖 1- 1 噴泉流示意圖 [26]

圖1- 2 典型的噴流現象

圖 1- 3 成形實心矩形塑件時之不同澆口配置

圖1- 4 充填冷模穴下的流動情形(射壓 720 psi、料溫 260℃; 模溫 70℃)[8]

Direction of Melt Flow

圖1- 5 STYRON 686 充填冷模穴的流動情形(射壓 500 psi、料溫 240℃、模溫 100℃)[8]

圖1- 6 STYRON 686 充填冷模穴的情形(射壓 650 psi、 料溫 260℃、模溫 100℃)[8]

Direction of Melt Flow

圖1- 7 styron 678 在等溫充填情形下觀察氣泡成長的圖片[9]

圖1- 8 塑料到模穴總長度 2/3 時,發生噴流的情形[17]

(a) Jetting (b) Normal

第二章 射出成型與噴流現象簡介

2.1 射出成型

大部份的塑膠在受熱後,小型鏈結的分子開始運動,隨著溫度上 升,大型鏈結的分子也開始運動,而成為流動狀態。此時,如加以外 力則可改變其形狀,並於冷卻後定形。這樣的過程可以一再反覆進 行,此即所謂塑膠的熱可塑性。而分子鏈以互相交鏈而成網狀結構的 塑膠,於受熱時卻無軟化而成流體的狀況發生,這類的塑膠即被稱為 熱固性塑膠;而擁有熱可塑性性質的即稱為熱塑性塑膠。

射出成型的原理就是利用塑膠原料的熱可塑性,先將塑膠原料加 熱融化成流體狀態,再經高壓注入設計的模穴內,待冷卻後取出而得 到各種特殊的形狀,以用於各種特殊之用途。

射出成型主要包含充填 ( Filling )、保壓 ( Packing,

Post-Filling ) 、冷卻 ( Cooling ) 及頂出( Ejecting )四階段,基本上 是一種非穩態的週期程序,所謂非穩態是指整個射出成型是隨時間變 化的一個過程,而不是一成不變的;週期性則指射出成型是一個周而 復始的過程。圖 2-1 為射出成型之步驟,係由下列組成:

1. 塑料之預熱與融化和模具加熱

塑料於料桶內加熱到一定溫度(一般在玻璃轉換溫度以下)至特 定時間,以去除殘留的水份,此步驟稱為預熱。轉動射膠螺桿使塑料

進入料管內,由於料管周圍包覆著加熱片,可提供熱量融化塑料使之 成為熔融狀態,再利用螺桿的螺旋斜面原理將融化的塑料往前推進;

同時也加熱噴嘴,完成射出前準備。

2. 熔融塑料之充填

充填的過程是一個非等溫的過程,其溫度的變化牽涉到了噴泉流 (Laminar Fountain Flow)、固化層(Solid Layer)及模壁間之間傳熱的過 程。作動的過程是推動射膠螺桿前進,將已融化的塑料射出。此時熔 料自料管流經噴嘴、澆道、流道、澆口、最後進入模穴充填整個空間,

進而等待固化成形。

3. 保壓階段

在塑料已完全充滿模穴狀態下螺桿以低速高壓推進,以補償因冷 卻而造成的塑料體積收縮,讓成品更加緻密,以確保模穴完全填滿。

4. 冷卻及螺桿鬆退

保壓結束後,靜待模穴內的熔膠持續冷卻到模具溫度(低於玻璃 轉換溫度),避免脫模時,成品固化強度不夠而產生變形。料管內的 塑料經高溫融化,又經壓縮,當螺桿停止轉動後,塑料會膨脹而不至 於從噴嘴流出。

5. 頂出固化塑料

打開模穴,將成品、澆道系統及廢料頂出。

2.1.1 射出成型常見缺陷

用射出成型製造成形品時,通常把熱可塑性塑膠加熱塑化,以高 溫、高壓注入模具內,在模具內硬化形成成形品後,從模具取出成品。

這時,如果對塑膠的了解不夠,或射出成型條件不好,或模具設計有 問題,則所製成的成形品往往會變成不良品。

射出成型常見的表面缺陷,主要可分為以下幾大類:

1. 充填不足 ( Short Shot )

充填不足是射出成型中發生機率很高的現象,又稱短射現象,其 發生原因是由模具內空氣造成的,在射出成型前的模具內都有空氣。

充填不足是射出成型中發生機率很高的現象,又稱短射現象,其 發生原因是由模具內空氣造成的,在射出成型前的模具內都有空氣。

相關文件