PPS注塑加工工藝及應用
時間：2019-11-17 10:00
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聚苯硫醚英文名稱Poly phenylene sulfide，簡稱PPS，是一種新型的工程塑料，在美國于1973年才開始工業化生產。近年發展得很快，已成為繼尼龍（PA）、聚碳酸酯（PC）、聚甲醛（POM）、熱塑性聚酯（PET和PBT）及聚苯醚（PPO）之后的第六大工程塑料和第一大特種工程塑料。
產品分為兩類：一類是支鏈型熱塑性聚合物，粘度較高。另一類是熱固性聚合物，固化前具有線性分子結構，固化后加熱充分也軟化到一定程度。下面主要介紹熱塑性PPS。
PPS是分子主鏈上具有苯硫基的高聚物，由于其結構為苯環與硫交替連接，分子鏈具有很大的剛性及規整性，因而PPS為結晶性聚合物，具有很多優異性能，如耐熱性、剛性、阻燃性及電絕緣性。硫原子上的孤對電子使得PPS與玻璃纖維、無機填料及金屬具有良好的親和性，易于制成各種增強復合物及合金材料。
一、PPS的性能
1、物理力學性能
PPS是一種白色、結晶度高的聚合物，密度為1.34。其力學性能優良、拉伸強度和彎曲強度優于PA、PC、PBT等，具有極高的剛性和抗蠕變性，但其脆性較大，缺口沖擊強度較低，低于PA、PC、PBT高于POM。加入玻璃纖維增強后其力學性能更優。PPS屬惰性物質，無毒。
2、熱性能
由于PPS為結晶性聚合物，最高結晶度可達65%，其結晶溫度為127℃，熔點為286℃，熱變形溫度260℃，在空氣中430-460℃以上才分解，熱穩定性遠超出PA、PBT、POM等工程塑料，長期使用溫度在熱塑性塑料最高，可達220-240℃。PPS還是具有良好的絕熱性和阻燃性，其臨界氧指數與PVC相當，可達47%，無需加入阻燃劑，PPS可達到UL94-V0級水平。
3、電性能
PPS的分子結構對稱，無極性，吸水性低，故其電絕緣性十分優良，與其他工程塑料相比，其介電常數小，耐電弧性相當于熱固性塑料，在高溫、高濕、變頻等條件下，PPS還能保持優良的電絕緣性。加入導電填料，可制得導電性PPS復合材料，用于防靜電及電磁屏蔽。
4、耐化學性
由于PPS具有較高的結晶度，故其具有優良的耐化學藥品性，在200℃以下不溶于任何有機溶劑，除強氧化性酸外，可經受各類酸、堿、鹽的侵蝕，在高溫下經各種化學藥品長期浸泡后，還保持較高的強度，僅次于聚四氟乙烯。PPS還具有良好的耐候性和耐射性。
5、加工性能
1）吸水性
PPS的吸水性較低，只有0.02%。
2）流動性
PPS的流動性較好，可加工薄壁制品，其流動性根據PPS的品種、規格而不同，線性PPS比支化交聯PPS的流動性高，隨溫度升高，物料的流動性增加，但溫度過高或物料在機筒內停留時間過長，物料會發生部分交聯，導致流動降低。
3）結晶性
PPS為結晶性聚合物，其結晶度隨成型時的冷卻溫度及速率而變，冷卻速度越快，其結晶度越低。而結晶度大小又對其強度、耐熱性、耐候性、尺寸穩定性都有較大影響。隨結晶度增加，制品的熱變溫度提高，剛性、表面光潔度、表面硬收縮率等增加，尺寸穩定性也增加。
4）熱穩定性
PPS 在高溫下時間長會發生部分氧化交聯反應，導致物料的流動性降低，色澤變深，影響制品的質量和性能。此外，PPS對金屬有較強的粘附性，要防止物料在機筒內固化。
5）收縮性
對于結晶性塑料，在成型加工時，結晶度隨模具溫度增加而增大，而結晶度增大，收縮率也增加，故收縮率隨模具溫度而增大。通常PPS的收縮率都較小，但與流動方向垂直的收縮率大于流動方向的2-4倍。產品厚度、形狀、注射速度也會對收縮率須影響。
6）二次加工
PPS制品可以切削、攻絲等機械加工和超聲波焊接、粘合劑接等加工。
二、成型設備與模具
1、注塑機的選用
1）鎖模力
PPS的流動性與ABS、POM相近，在計算鎖模力時，要考慮流動性這個因素，選擇材料流動特性系 K值，可按第四組與ABS、POM等到相同。
2）注射量
根據產品的重量來選擇合適的注射量，不宜選用注射量超出過多的注塑機，以免膠料在機筒內停留時間過長而發生氧化交聯反應甚至固化，導致產品變色，影響產品的性能和質量。
3）螺桿、機筒
根據PPS的特征，PPS沒有腐蝕性，因此，對于一般的PPS料，可以采用普通螺桿，但由于加工溫度高且有結晶體熔化吸熱，所以機筒加熱器的功率須足夠。在多數情況下，PPS都加入玻璃纖維以增強其各種性能，這些材料對機筒和螺桿的磨損很大，必須采用耐磨的機筒螺桿，臺鍍硬鉻螺桿或雙金屬螺桿、機筒。
4）射嘴
采用開放式射嘴，內徑φ3-6mm，射嘴的加熱器最好是能單獨控制，這樣可使成型加工更方便。若有些制品要求防止流涎，可以使用自鎖射嘴，但清理比較困難。
2、產品造型與模具設計
1）產品造型
PPS屬結晶性聚合物，產品的轉角及壁厚變化的部位會引起應力集中，導致應力開裂、尺寸變化、強度下降等問題出現，產品設計時產品的轉角應為圓弧過渡，并盡量避免厚薄不均，一般情況下制品的厚度不要超出7-10mm。
合理的加強筋設計可以增加制品的剛性，防止制品翹曲、消除殘余應力、提高流動性，增加筋條的數目比增加筋條的高度與厚度效果更好，通常筋條的選取為制品厚度的一半并圓角過渡，筋條的脫模斜度為2-3°。
2）模具材料
PPS的加工溫度較高，膠料溫度為290-330℃，模具溫度為130-180℃，同時PPS在大多數情況下以玻璃纖維增強，內含較大量的玻璃纖維，磨損問題必須考慮，故模具材料應以140-150℃為基準，選用合適的合金材料，如SK、SKD、SKH等，硬度為HRC60-65，表面電鍍。
3）流道
流道形狀以圓形、梯形為宜，流道錐度為2-3°，在流道末端設置冷料井。
4）澆口
澆口可以采用針型、圓盤型、扇型、輪輻型、側入型等，不宜采用潛伏型澆口，因為PPS制品硬度大，收縮率小。澆口應設置在制品截面最厚的部位，澆口直徑不小于0.6mm，對于增強PPS，因結晶取向引起強度和收縮率的方向各異，故在設計澆口形狀及位置時，必須考慮膠料流動方向引起的尺寸變化和強度變化，以及因熔合紋引起的強度下降，垂直使熔合紋出現在沒有負荷或負荷較小和不明顯的部位。
5）脫模
為了保證制品的表面光潔平整度及易于脫模，模具的型腔、流道等部位應有較高的光潔度和脫模斜度，脫模斜度一般為1-3°。脫模頂針的直徑、數量、位置的設計也很重要，根據制品的形狀而定，使頂出力均衡和頂出平穩，否則，會使制品產生局部殘余應力，從而引起制品裂紋和尺寸精度不一等問題。
6）排氣
PPS制品內有氣泡會使其性能明顯下降，由于排氣不良而引起原燒焦、變色和表面粗糙，影響制品的外觀和質量，模具必須合理地開設排氣槽或排氣孔，也可以利用分型面和脫模頂針間隙來排氣。
7）模具的溫控
由于PPS的成型加工、要求模具溫度在130-180℃，這樣的溫度一般需要加熱，而模具溫度的精確性和均勻性影響到產品的性能和尺寸精度；根據模具的大小、制品形狀、生產量及溫控設備等因素，可選擇電熱式和油循環加熱式溫控，電熱式溫控方便、經濟、溫升快，但溫度均勻性和精確度較差，模溫機油循環加熱式溫控的溫度均勻性和精確度較高，對性能和尺寸精度要求較高的產品可以選用這種方式。為了保證模具溫度的均勻性和防止散熱，可以在模具的側面和模具與注塑機模板之間加裝石棉板隔熱。
三、成型工藝
1、原材料干燥
因為PPS吸水性小，所以加工前可以不干燥。但如果原料開放式放在溫度高、濕度大的環境下時間較長，則需干燥，干燥溫度為150-160℃，時間2-3H。
2、成型溫度
PPS的成型溫度較高，機筒溫度在280-360℃之間，在保證順利充模和制品質量的前提下，機筒溫度盡量不要太高，以免引起膠料在機筒內氧化交聯甚至固化。射嘴溫度要單獨控制，以保持膠料良好的流動性而又不堵塞、不流涎為宜。
3、注射壓力
注射壓力在50-200MPa之間，為了保證制品的力學性能和尺寸精度，使用較高的注射力為佳，特別是形狀復雜、薄壁件更應如此。
4、注射速度
注射速度快，制品的表面光潔度高、強度也較高，但過高的注射速度會使產品翹曲、燒焦等現象，一般采用中等注射速度。
5、螺桿轉速
螺桿轉速可以在50-200rpm之間，高速成型可以采用較高的轉速，這時膠料因剪切速率大而溫升大，必須將機筒溫度調低。
6、保壓壓力
為了防止內應力的產生，保存壓壓力應盡量低，滿足補縮便可，以制品不出現凹陷為準。
7、背壓
一定的背壓有利于膠料的排氣和混合，以便得到質量較穩定的制品，一般背壓在0.5-1.5MPa之間，對于干燥不好的材料，背壓可以大些。
8、模具溫度
PPS是結晶性聚合物，模具溫度直接影響制品的結晶度，從而得到不同的性能和尺寸精度，模具溫度不同引起結晶的差異很大，如94℃時結晶為8%，而150℃時則為48%。模具模具高，得到制品的結晶度也高，其力學性能較好，但有收縮大、凹陷、翹曲、耐沖擊強度差等問題，模具溫度低，制品的結晶度低，收縮小、尺寸再現性好（制品尺寸與模具尺寸的復制程度）、耐沖擊強度增大、超聲波焊接性提高，但力學性能較差。因此，要根據產品的要求來確定成型模具溫度。
9、成型周期
由于PPS 為結晶性聚合物，為了得到良好的力學性能，需采取較高的模具溫度，較長的冷卻時間，以提高結晶度，對于厚壁制品，注射時間、保壓時間、冷卻時間都應長于薄壁制品。為了防止冷卻收縮和內應力的產生，對復雜件，薄壁產品，也需要適當延長保壓時間。
10、制品后處理
為了提高制品的性能，消除內應力以及保持制品的性能和尺寸穩定性，可以將制品放入烘箱內進行退火處理，條件通常為200-240℃，2—4H，具體根據制品的厚度和用途而定，厚制品時間長些，退火處理使制品再結晶從而結晶度提高，其性能也隨之而提高，但也導致再收縮而使制品的尺寸變化，模具設計時要考慮這因素。
11、再生料的使用
再生料可以與新料混合一起使用，其比例視制品的性能要求而定，再生料的比例大，制品的性能會下降，一般不要超過30%，以免造成產品的性能和質量明顯下降。
12、停機處理
由于PPS對金屬有較強的粘附性，故加工完成后，在停機之前必須把機筒內、螺桿上粘附的PPS料清洗出來，否則膠料冷卻后會牢固地粘在螺桿上，影響下次或其它材料的生產，通常可以采用高密度聚乙烯（HDPE）來清洗；為了縮短時間，也可以先用玻璃纖維示強PC料，再用HDPE料進行清洗，這樣清洗效果較好但費用較高。生產過程中需要中斷成型一段時間，必須將機筒內的膠料全部排出，并將機筒溫度降低至270℃以下，因為熔料在高溫的條件下長時間受熱會分解，并放出毒氣體，所以生產場所必須注意通風。
四、常見缺陷與解決方法
1、填充不足
原因：
1）注射壓力不足；2）注射速度慢；3）熔料溫度低；4）排氣不良；5）澆口過小； 6）過膠圈磨損。
解決方法：
1）提高注射壓力 ；2）提高注射速度； 3）提高機筒溫度 ； 4）在未填滿的部位加排氣孔 ； 5）擴大澆口尺寸或縮短澆口流道的距離 ；6）檢查過膠圈的磨損程度，更換。
2、表面無光澤
原因：
1）制品密度不足；2）填充速度慢；3）模具溫度低；4）排氣不良。
解決方法：
1）增加熔膠量，提高注射壓力；2）提高機筒溫度，提高注射速度； 3）提高模具溫度； 4）充分排氣。
3、翹曲
原因：
1）制品冷卻不均勻； 2）制品壁厚不均勻； 3）填充過度； 4）注射速度過快。
解決方法：
1）調整模具的溫度控制，使其冷卻均勻；2）產品的設計盡量使其壁厚均勻； 3）降低注射壓力和保壓壓力 ；4）降低注射速度。
4、收縮、凹陷
原因：
1）制品密度不足 ；2）熔料含有氣體； 3）制品壁厚過厚 ；4）熱收縮大。
解決方法：
1）增加熔膠量，提高注射壓力，延長注射時間； 2）充分干燥材料；3）制品厚度不要超過7-10mm； 4）降低機筒溫度及模具溫度。
5、內部裂紋
原因：
1）制品冷卻過快 2）殘余應力
解決方法：
1）提高模具溫度，制品取出后浸入熱水或放入烘箱中緩慢冷卻 ；2）降低注射速度，提高模具溫度。
6、燒焦
原因：
1）排氣不良； 2）熔料溫度過高。
解決方法：
1）增加排氣孔；2）降低機筒溫度、注射速度； 3）加大澆口 。
7、脫模困難、頂出破裂
原因：
1）模具的脫模錐度不足，表面光潔度不足；2）脫模頂針的位置不當或直徑過小
解決方法：
1）加大脫模錐度，模具表面拋光；2）增加頂針數量或加大頂針直徑；3）延長冷卻時間，降低機筒溫度、模具溫度
五、應用
1、電子電器及家電
利用其耐高溫、電絕緣性，用于接插件、變壓器、繼電器、電飯煲、微波爐、風筒等零配件。
2、機械及精密零件
利用其良好的加工性和耐高溫、耐腐蝕等特征，用于照相機、轉速表、手表、復印機、電腦等零配件。
3、汽車
利用其耐高溫、耐油、耐腐蝕、強度高等特性，用于發動機蓋、排氣裝置、散熱裝置、配油器等零配件。
4、石油化工
利用其耐熱、耐腐蝕的特性，用于泵、管、閥、容器等。
