塑胶材料的收缩与翘曲(一)

■ 型创科技/ 刘文斌 技术总监

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前言

在射出成形制程中，当高温塑料熔胶射入模穴后开始进 行冷却时，因材料热涨冷缩的特性，所以会使塑料在冷 却的过程中，持续伴随着材料比体积 (specificvolume) 的减小，此冷却过程所产生的体积减小，就是塑胶材料 的收缩现象。此收缩现象会持续进行直到成品冷却到室 温条件后，体积收缩变化才达到平衡状态。然而有的材 料甚至会在室温条件下，或因为吸湿、照光、受热等状 况，而启动了产品内部的应力释放，所以会再造成产品 体积上的持续收缩变化，此现象即是所谓的产品后收 缩，所以一般要检验产品尺寸是否已稳定没有收缩变形 状况,会去要求产品需静置48小时后，再进行尺寸上的量测。

产品翘曲

而所谓的产品翘曲就是指成型产品的表面外观发生变 形，使的产品外型无法依照设计上的外观尺寸及形状。 如果产品的整体收缩相当均匀，那产品就不会发生变形 或是翘曲的现象。换言之产品的变形或翘曲现象，主要 的形成原因就是在产品的局部位置上,发生了不均匀的 收缩现象。然而造成产品不均匀收缩变形的原因有许 多，例如：在成型过程中所产生的产品内部应力(流动 应力或收缩应力)，或是因为产品在某些位置上发生较 剧烈的分子链定向效果或补强纤维的排向现象，或是在成型时产品的整体温度分布差异很大或温度变化不一 致，或是在成型过程中产品的作用压力差异极大(例 如常见在浇口附近发生过饱压现象，远离浇口的流动 末端却饱压压力不足等)，或是在产品厚度方向不同 位置上，于成型冷却固化阶段时，所感受的压力程度 也不尽相同等等‧‧，因为造成产品不均匀收缩的原因 很多，且会互相影响；所以要使产品在成型后能有较 均匀的收缩，且产品的变形及翘曲程度能被接受或是 可藉由成型条件来调整控制，都需要先对塑料产品的 收缩及翘曲特性有所了解。

图1：塑胶材料的收缩与翘曲

材料种类对产品收缩的影响

非结晶性塑料具有较低的收缩量值，所以非结晶性塑 胶相较于结晶性塑料会有较佳的均方向性。对于射出 产品，常常会因为产品的厚度分布或是浇口位置或浇 口型式的设计不同，使得在射出充填时，会因为流场 的高剪切作用而在流动方向上产生高度的分子定向效 果，此分子定向效果也会造成产品整体的收缩作用发 生了异方向性或不对称性，也就是说在流动方向与垂 直流动方向上的塑料收缩作用将会不一样。通常射出 件产品会在流动方向，因具有较严重的分子定向效 果，而产生了较大的收缩量。另外产品的肉厚也会造 成不同的收缩程度，一般而言，较厚的产品或成品中较厚的区域，会因为其冷却速率较慢，而比较薄产品 或较薄厚度区域，产生了较高的收缩现象。

结晶性塑料因为在冷却过程中会伴随结晶作用产生， 分子链会互相作用紧密排列形成结晶区域，造成更多 的体积减少，所以结晶性塑料会具有较大的收缩量 值。塑料在射出加工时，所产生的结晶度程度，也会 影响到产品的收缩量。所以一般结晶性塑料会显示出 异方向性的收缩量值，特别是在产品厚度有变化的产 品上，此异方向性收缩特性就更显著。 .在产品上较 厚的区域因为塑料在此的冷却速率较慢，分子链有足 够的时间可以排入结晶位置，进而可产生较高的结晶 度，所以在此较厚区域上的收缩量值也会较大。

 

材料配方中添加剂或补强材对收缩及翘曲影响

对于非结晶塑料或结晶性塑料，如果塑料配方中添 加了颗粒状或是片状的填充剂-filler(例如无机类填 充剂 Talc,CaCO3,Mica, 玻璃珠 -glassbead 等等 ..)， 都会降低塑料的收缩量值且可产生较为均匀的整体收 缩，而这些添加无机添加剂配方的塑料，一般会有 较高的刚性值 -( 抗折模数 -FlexuralModulus)，但是 会降低塑料的耐冲击强度 ( ImpactStrength)。塑料 如果配方中是添加补强材，例如玻纤(GlassFiber)、 碳纤 (CarbonFiber) 等长径比较大的纤维补强材，因为流场的高剪切作用，会造成纤维补强材的纤维定 向现象，所以一般纤维补强塑料射出件，在垂直流 动方向 (cross-flowdirection) 的收缩率会比流动方向 (flowdirection)来的高，所以加纤补强塑料的射出件 其变形量及翘曲量的议题，纤维的排向效果将是一项 重要的影响决定性因素。

图2：利用Moldex3D分析翘曲变形

对于没有添加补强纤维的纯塑料而言，其射出成型品 的翘曲现象主要是受到产品的厚度分布与模温分布所 影响。产品厚度厚薄差异太大或是公母模温温差差异 过大或是局部模温温差过大都会造成成品产生较严重 的翘曲现象。对于纤维补强塑料而言，塑料组成中的 补强纤维(玻纤、碳纤、有机纤维等)具有高刚性及 极低的热收缩性特性，所以补强纤维会去抑制塑料的 整体收缩。且由于补强纤维具有较大的长径比，在射 出充填时会有流动的排向效果，造成补强纤维塑料射 出产品的收缩量值是具有非均方向性的，一般补强纤 维塑料射出件在沿着纤维的排列方向上(一般是流动 方向)相对于其垂直方向，会具有较小的收缩量值。 相同原因，对于添加长径比值接近一(形状近似圆形 的添加剂)的粒状填充材塑料而言，虽然其射出产品 的收缩量值会比纯料来的小，但所表现的非均方向性 就没有纤维补强塑料产品那么明显。■

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