加工製程
熔融
裝置加溫器(Heater)讓原料顆粒逐漸熔解成流體狀流動,依不同的原料調節適合的溫度, 調高溫度會使原料流動加快,可增加效率但不一定能保證良率,需在兩者間取得合適的平衡。要達到良好的熔融效果以及考慮到PP本身遇高熱會裂解的特性,生產時最好能讓原料順利流動到模頭,以避免充料不足或迴流現象的產生。迴流代表原料流動較產出速率快,最後會造成平均流動效率加大,熔融流動速率MFR提高,是加工可利用的方法之一,但卻也造成MFR分佈非常態導致不穩定性加大,導致不良率可能升高。不過PP成品因為其應用大都並非尺寸精密度很高的產品,所以影響還不大。
螺桿
PP加工絕大部份都是靠螺桿帶動流動性,所以螺桿的設計影響非常大。口徑大小影響產出量,壓縮比大小影響壓力值也影響產出量及成品效果,這也包括多種材料 (色母、添加劑及改質劑) 的混鍊效果。原料流動主要靠加溫器,但原料翻動磨擦也會產生磨擦熱能促使流動性加快,所以若螺桿壓縮比小致使塑膠流動性降低的話,要達到相同的流動性轉速就必須加大,其所造成磨擦熱能必定較壓縮比大的螺桿多。而原料受熱來源不只是加溫器而已,必須連摩擦熱及滯留時間都併算在內。這是實務問題,經驗有助於生產問題解決及效率。所以常說塑膠加工無師傅,用心瞭解機器性能的人就是師傅。螺桿如果需要混鍊效果特別好,有時會設計二段式不同螺桿或雙軸螺桿並分設各段不同形式螺桿以達各式混鍊效果。
模具或模頭
塑膠重新定型依靠的是模具或模頭,若使用射出成型其成品是立體的,模具也比較複雜,更要考慮收縮率問題。其他成型方法使用的是平面、條狀、針狀連續式產品模頭,若為特殊形狀則歸為異型,需要注意立即冷卻產生的定型問題。大部份塑膠機器模頭的設計原理類似注射針筒,螺桿帶動的擠壓力量都會在小小出口造成巨大壓力,提高生產效率。當模頭設計為平面時如何讓原料平均分佈整個面上,衣架模頭的設計就十分重要,講究的壓出機會增加魚鰓式幫浦以穩定原料供應量。
冷卻
射出模具除了澆道澆口灌注原料外,也設有冷卻水道用以冷卻原料的設計。壓出成型則靠滾輪內冷卻水道來達成冷卻效果,除外也有使用風刀,冷卻水直接淋在吹袋上,以及中空吹氣等冷卻方式。
延伸
成品再加工延伸會增強效果,例如打包帶靠前後滾輪帶動速率不一造成延伸的效果,讓成品配向延伸部份的抗張拉力得到加強不易撕斷,但橫向就極容易撕開。分子量分佈也會影響高速生產時的延伸效果,所有壓出成品包括纖維都有不等的延伸,真空及壓空成型也可視為延伸的另一種形式。
收縮
任何原料都有收縮率的問題,收縮原因來自熱脹冷縮與結晶形成時產生內應力所造成。一般而言熱脹冷縮問題較易克服,可在加工上以延長冷卻時間,持續保持壓力即可控制。結晶原料較非結晶原料往往有更大的收縮差異,以PP而言約在千分之十六,但ABS僅千分之四左右,此種差異很大,處理方法包括模具的設計或者添加減少收縮率的添加劑,例如壓出平板常添加LDPE去改善頸縮的問題。
塑膠成形不良原因及對策
發生不良之原因 | 對策 | |||
成型條件 | 金屬模具 | 材料 | ||
銀條 | 物料流向銀條
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結合線 | 兩股以上分流匯合點上生成髮狀細線為一射出故障,呈強度削減,褐斑/絲紋或氣泡
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流痕 | 由於澆口或其他窄段,成形品表面生成年輪狀微細條紋熔態聚合物推動固化聚化物前移時,生成線條紋 |
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翹曲 | 成形品出模時或稍後撓曲,射出殘餘應力鬆馳係此變形成因 | 降低射出壓力 降低桶料固化溫度 延長冷卻時間 | 調勻塑件肉厚 去除凹槽 調勻脫模銷動作 添置脫模銷 改變澆口位置 調勻模溫 | 1 |
黏附磨腔中 | 成形品黏附在模具固定或活動部件上,如屬後一情況,則突出在件外被銷砸壞
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褐斑或絲紋 | 成形品表面變色或褐絲紋物料熱分解 |
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成型不全 |
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毛邊 | 含模界面擠出樹脂
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縮痕 | 表面凹痕,常見於肉厚較厚之成形品成因如同中空汽泡,然係成形品表面誤時冷卻所致。 |
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中空汽泡 | 成形品內見中空汽泡
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加工製程分類
射出成形(Injection)
射出成形製程是指將原料熔融後注射進模具的空腔中再加以冷卻成形。流動性透過螺桿帶動,並達到混煉效果。成品通常不需額外加工。許多細部設計如突出、凹槽和螺紋可以一步到位。機器通常分為兩大部分,一部分是熔融原料並注射製模具中;另一部分支撐高壓下的模具並負責拆卸模具。幾乎各種原料均可用,端視加工條件與模具設計而定。 射出為非連續流設計,它必須保留部份時間保溫留待模具內原料冷卻,而在灌注時又須快速將原料流入模具內,因此就機器的設計上較為複雜。
射出成型加工條
速度 | 塑化 90 rpm | 注射 快 | |
時間 | 注射 3-5 sec | 冷卻 5-10 sec | |
壓力 | 初級 800-1200 kg/cm2 | 次級 600-1000 kg/cm2 | 背壓 5-10 kg/cm2 |
溫度 | 後段 180-200oC | 中段 190-210oC | 前段 201-220oC |
噴嘴 190-220oC | 模具 30-50oC |
聚丙烯射出成形起始溫度
各材質射出成形建議支撐壓力
ABS | 0.45 to 0.65 T/cm2 |
LCP | 0.75 to 0.8 T/cm2 |
PA | 0.65 to 0.75 T/cm2 |
PBTP | 0.65 to 0.75 T/cm2 |
PC | 0.5 to 0.8 T/cm2 |
PE | 0.15 to 0.55 T/cm2 |
PETP | 0.65 to 0.75 T/cm2 |
PMMA | 0.45 to 0.75 T/cm2 |
POM | 0.85 to 1 T/cm2 |
PP | 0.15 to 0.55 T/cm2 |
PPS | 0.3 to 0.6 T/cm2 |
PS | 0.3 to 0.5 T/cm2 |
高透明PP射出成形需求
模具需求 |
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射出需求 |
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成形製程 |
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備註 | 實務上,忽視以上任意一點都會造成透明度的下降,故其他的特性可能需要妥協。透明隨機共聚物的濁度通常較透明單聚物低,表現更好,但有較低的變形溫度(80-100℃,相對於單聚物的135-140℃),不適合用在長時間高溫的環境下。 |
壓出成形(Extrusion)
又稱擠壓成型。定義是將塑膠原料顆粒熔融成連續流體後,迫使其通過特定形狀的模頭。大部份的加工都屬於押出機的延伸,主要是後段加工的不同,同射出成形,押出機也靠螺桿帶動原料的流動性。除了螺桿外仍有其他多種帶動原料流動的作法,但在PP行業的應用已不多見。
選用原料主要考量是以產品功能及物性為主,而為達到成品上的要求又須考量加工上的限制,所以特殊用途祇要用量夠大,原料廠商往往會專屬設計特殊規格,從以下的介紹即可看出差別,沒有一概而論的。同樣使用押出機並依產品及後段加工方法可區分為:薄膜、薄板、厚板、吹瓶、纖維及異型等六種。基本上前三者可以厚薄做界分。
壓出成型加工條件
加工條件 | |
熔融流動速率MFR | 2.0-3.5 |
滾軸光澤度 | 接觸熔融薄板的兩個滾軸必須高度拋光 |
熔融溫度 | 一般級聚丙烯 235oC-245oC 隨機共聚聚丙烯 225oC-235oC |
滾軸溫度 | 控制一般聚丙烯表面溫度 < 110oC 控制隨機共聚聚丙烯表面溫度 < 95oC |
邊角料再用 | 不能使用含有其它成核劑的樹脂 |
薄膜(Film)
就薄膜而言,可分成雙向延伸膜、延伸膜及吹膜等三種討論
雙向延伸膜
MFR 2 ~ 3的一般級,透明級,熱封級
延伸膜
MFR 5~ 10的一般級,透明級,熱封級
吹膜
在環狀模頭設計中間吹入空氣冷卻,又分
- 吹繩:MFR 3 ~ 8一般級,後段將膜收集成繩狀。
- 吹袋:MFR 8 ~ 12一般級,但除非分割成單張膜否則常加滑劑及抗相黏劑改善開口性,膜頭部份有時也採旋轉膜頭設計以改善厚薄均勻度。pp吹袋在透明度,為改善此往往在模頭之下即加裝冷凍水淋水裝置以達急速冷卻效果。
- 淋膜:係在另一體淋上一層薄膜成多層體。MFR 25左右一般級(或許添加LDPE),MFR 8 ~ 25透明級。
- 編織袋:MFR 2 ~ 4一般級,產品需要後段延伸後分條再編織成袋子。
薄板(Sheet)
依後段加工性可再分一般板材、真空成型及壓空成型等三種討論。
- 一般板材:主要選用低流動性、一般級、耐衝擊級及透明級,文具板即此屬性。打包帶祇是寬度較窄,也可歸為此類。
- 真空成型:板材後段再成型,MFR 0.3 ~ 0.9一般級,MFR 0.5耐衝擊級。
- 壓空成型:板材後段再成型,MFR 2一般級,透明級。
壓板再成型部份加工條件
加工條件 | |
模具光澤度 | 一般光澤度 |
沖頭材料 | 低導熱材料並且高度光滑 |
溫度控制 | 一般聚丙烯 154oC-158oC 隨機共聚聚丙烯(3%乙烯) 138oC-141oC |
模腔溫度 | 熱模腔會造成熱收縮 |
厚板
為求較高的穩定性會選擇較低MFR的一般級及耐衝擊級。
吹瓶 (Blow molding)
- 射出吹瓶IBM:射出雛型轉模具中空吹氣,厚薄均勻度較佳。選擇MFR 2或稍高的原料。
- 一般吹瓶EBM:壓出條狀合模後中空吹氣成型,MFR 2 一般級,耐衝擊級,透明級。
- 射出延伸吹瓶ISBM:二段式加工先射出瓶胚,再加溫中空延伸吹氣,為冷卻後再加熱延伸吹瓶,透明性較佳。瓶胚設計延伸部位要加厚,這與PET瓶胚設計不同;用料選擇MFR越高(MFR 20或35) 瓶胚內應力越小,成型透明度越好,但延伸時MFR低,厚薄均勻度較好,所以必須在二者之間選擇適當MFR取得平衡。
纖維
纖維分為長纖、短纖及噴融三種。短纖是長纖後截斷成短纖做不同用途。
- 長纖:一般分為單絲及複絲兩種,絲又以丹尼數計量,單絲丹尼數較高常選用MFR 3 ~ 5一般級原料,複絲丹尼數較低,延伸倍數較高,抗拉強力好,適合合股再編織加工,使用MFR 12、25、35及60一般級等規格,又適應成絲後後段編織要求有分子量寬窄不同的選擇。
- 短纖:依用途有紡結不織布及熱熔不織布二種,選用MFR 12或25一般級原料。
- 噴融:選用MFR200、400、800及1200等一般級原料,靠風刀吹擠出原料即成型,常用在濾材上。
異型
異型壓出主要為指模頭不規則形狀之壓出產品。例如:水管、瓦楞板,選用流動性較低的隨機共聚合級(不加透明劑)或耐衝擊級;吸管則選用MFR 2的一般級原料。
層壓(Lamination)
用於裝飾或印刷設計在薄板上,以達到防水或防磨損的效果。使用在家具、地板和包裝材上為多。
熱成形(Thermoforming)
將熱塑性薄板施以熱/壓力或真空壓製成想要的形狀。
發泡 (foaming)
利用物理或化學反應在材料內產生氣泡或空腔。可在板、瓶、絲採用多層壓出或發泡設計改善產品。