(发布于2013年1月28日《PT Plastics》)
--注塑成型后,乙缩醛(acetal)零件在室温甚至低温环境下仍会持续收缩。
我第一次观察到某些材料这种延迟收缩现象,是在注塑大型乙缩醛均聚物零件时。此前我对精密注塑乙缩醛零件的经验仅限于直径不超过0.5英寸的小型齿轮。
然而,我们公司承接了一个新项目,涉及外壳和扇形齿轮,关键尺寸范围为3.5至4英寸,壁厚0.110英寸的零件公差要求为±0.010英寸。其中一组定位孔间距的规格要求为4.046±0.010英寸。
在初期试产中,30件样本的测量值集中在4.038至4.042英寸之间。当时统计过程控制(SPC)在美国制造业还是新概念,因此尺寸接近公差下限并未引起我们警觉——毕竟所有零件均符合图纸要求。
但这些测量是在零件产出后90分钟至2小时内进行的。零件触感已达室温,基于对其他半结晶材料的经验,我们认为一切正常。次日质检部门却发现前一天半数零件已缩小至超差。复检30件样本显示,所有零件均继续收缩,尺寸比前日减少0.004英寸。再过一天又缩小0.001英寸后才趋于稳定。后来我在聚丙烯(PP)大型零件(包括填充PP)中也观察到类似现象。
结晶与收缩的关联
理解这一现象需明确半结晶材料的成型收缩与结晶度的关系:结晶度越高,收缩越显著,但适度结晶是理想的。相比非晶聚合物,半结晶材料具有更好的抗疲劳性、耐磨性和高温抗蠕变性。
若成型工艺抑制结晶发展,这些性能将无法达到预期水平。结晶发生的温度窗口介于聚合物熔点与玻璃化转变温度(Tg)之间。注塑过程中,即使像PEEK这种模温需达190℃的材料,从371℃的熔体骤冷至模温仍属热冲击。虽然快速冷却能使零件定型,但只要温度高于Tg(如PEEK的Tg为146℃),分子链仍能移动形成晶体结构。如果材料融体温度下降到低于Tg,那么材料就不能结晶完善。
乙缩醛与PP的特殊性
常有人说这些材料不遵循"零件触达室温即尺寸稳定"这个规则。实际上它们严格遵循物理规律,问题在于它们的Tg低于室温:
--PP的Tg范围:-10℃至+15℃(取决于品级)
--乙缩醛的Tg:-78℃(干冰温度)
这意味着在常规使用环境中,这些材料始终高于Tg,分子链持续重排结晶。
长期性能变化
实验表明:
--乙缩醛零件在室温稳定后仍会产生约0.001英寸/英寸的收缩(厚壁件更显著)。
--即使尺寸变化停止了或者尺寸变化在不可测的水平,材料的分子结构重组仍持续数周。
对PP和乙缩醛试样的5周跟踪显示:
--拉伸强度/模量随时间上升(增速递减)。
--抗冲击性能变得更差(部分材料7-14天后由韧性转为脆性)。
这些都是材料持续结晶的结果。
工艺调整的误区
多数从业者仅关注零件是否符合图纸,当尺寸偏小时常通过降低模温来"修正":
--低温抑制结晶→减少即时收缩。
--但对Tg低于室温的材料,这种改善是暂时的。
--材料会持续趋向分子理想间距,乙缩醛供应商强调模温控制和充分保压正是为防止"后成型收缩"。
非晶材料的尺寸变化
另一种影响尺寸稳定的机制主要作用于非晶材料(通常认为其尺寸稳定性更优),但变化更缓慢、幅度更小。对于高精度大型零件仍需关注,我们将在下一期讨论。
