高分子材料成形加工-论文

论文题目：注塑成型工艺——聚碳酸酯光盘生产技术课程名称聚合物加工姓名檀笑风学号0814121034专业08高分子材料与工程一班任课老师钱浩摘要：本文借助聚碳酸酯的光盘生产技术，对注塑加工工艺流程做了系统介绍。从工艺特性、基材和注塑机的选取、工艺流程、工艺影响因素、常见问题和解决方案，几个角度作了清晰的介绍。对今后的学习工作具有现实的指导意义。关键词：光盘注塑工艺聚碳酸酯一、聚碳酸酯的工艺特性中文名称：2，2-(4-羟基苯基)丙烷聚碳酸酯英文名称：Polycarbonate化学结构：物化特性：①聚碳酸酯是一种无定型、无味、透明的热塑性工程塑料，其相对密度为1.20，具有良好的透光性，折光率为1.586；②聚碳酸酯主要特点是机械性能良好，既韧又刚、无缺口，冲击强度在热塑性塑料中名列前茅，接近玻璃纤维增强的酚醛或不饱和树脂，呈延性断裂。成型的零件可达到很精密的公差，并在很宽的范围内保持尺寸稳定，优于聚酰胺ABS和聚甲醛；③热塑性好，热变性温度在135一145℃之间。与其他塑料相比，聚碳酸酯的线胀系数低，且加人玻璃纤维后能降低l/3。100℃以上长时间热处理，刚性稍有增加，弹性模量、弯曲强度、拉伸强度也随之增加，而抗冲值有所降低。在100℃以上退火，可消除内应力；④聚碳酸酯具有良好的电性能，在较宽的湿度范围内，电绝缘性恒定，并耐电晕性。聚碳酸酯体积电阻率和介电强度与聚酯薄膜相当。另外还有自熄、易增强、阻燃、能着色等特性。二、光盘制作对基材的要求在信息工业中，光盘生产已形成一项引人注目的高科技产业。光盘基片由塑料加工而成，主要有两种加工方法：一种为刻录法，每片光盘先用4种不同材料的塑料薄膜压制而成，然后用激光刻录。这种方法生产速度慢、成本高，只适合于小批量生产。另一种为注塑成型法，即通过塑料的注塑加工技术制作。光盘主要通过塑料的精密注塑成型来完成。注塑加工是光盘复制工艺过程的关键技术，在精密注塑过程中要将微小的凹槽精密地复制出来，不仅塑料基片的平面度要求很高，而且要求质量很均匀、残余应力很低，在进行检测时双折射要低。这对注塑加工工艺及其成型设备提出了很高的要求。例如，CD、VCD为约112mm厚的塑料薄片。DVD为两片016mm的薄片压制而成，光盘截面如下图所示。随着光存储技术的发展，光盘中每个信息符所占的空间尺寸不断减小。每比特所占空间已从原来的018Lm减小到DVD的014Lm。以DVD光盘为例，按外圈直径分120mm和80mm两种，按记录层结构分单记录层和双记录层两种，单层厚度016mm。无论是单面盘还是双面盘，都由两张盘基片粘合在一起制成。DVD光盘由两个盘基粘合在一起而成，其中至少有一个是透明的，记录层在里面。盘片的中心与播放面的中心孔要求重合。DVD光盘的主要尺寸及精度要求见下表。另外要求盘片双面平行度≤10μm；表面平面度≤10μm；表面粗糙度Ra≤110nm；Ry≤810nm(表面光洁度达Δ14)，这一点对注塑机和模具的要求很高。光盘的表面平面度主要取决于模腔面的平面度、熔体的均匀性及冷却过程的均匀性。微细的凹槽要精密地复制出来，则要求塑料熔体能在模腔凹槽周围的流动性好，同时，在冷却过程中塑料能保持致密，使收缩减少并且均匀。因此用于成型光盘基片的材料应满足如下要求：(1)在激光器工作范围内透光率高；(2)尺寸稳定性好；(3)高的复制精度；(4)很低的双折射；(5)优良的力学性能。由于读取设备的光学棱镜系统只能校正很小的聚焦偏差，因此光盘基片的尺寸稳定性显得尤为重要。而塑料制品的尺寸变化常常来自材料的吸水率或分子链重排。至于复制精度和双折射，如CD基片的双折射不能超过50nm光程差，则要求材料流动性好，并且要求注射成型过程产生的残余应力和分子取向小。目前对于基片材料的韧性还没有具体要求，但要求光盘在生产过程中不能出现任何微裂纹。目前,光盘生产中应用较多的是聚碳酸酯(PC)和聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)塑料。激光视盘多用PM2MA注塑而成，而CD系列光盘用PC塑料。两者相比，PC塑料比PMMA含水率低，物理性能较好,但在注塑成型时，PC基片中双折射比PMMA的高。例如，Bayer公司生产的光盘注塑原料MakrolonCD2005和DP121265是基于双酚A的线性聚碳酸脂塑料，其熔体黏度与剪切速率关系如下图所示，它们相应用于CD和DVD光盘制品,流动性极佳。图为光盘注塑原料的熔体黏度与剪切速率的关系三、光盘工艺对注塑机的要求由于数码光盘基片高精度、高纯净和良好光学性能的需要，它要求注塑机具有：(1)稳定可靠的液压系统，开合模速度快、且平稳，闭模定位精度高，合模力准确稳定，重复精度高，模板受力均匀，低压护模可靠等；(2)高速高效的塑化系统，计量准确；(3)注射速率高，多级可调，保压转换点准确，重复精度高，保压压力稳定，多级可调；(4)温控准确；(5)整机宁静、噪音低、洁净、无油污。目前，世界上光盘基片成型主要采用全电动式和全液压式注塑机，这些注塑机的锁模力在250kN~600kN。就锁模结构来看，全电动式大多采用机械肘杆式，如日本住友公司推出的SD30型注塑机，见下图。它采用直接机械压力夹紧的方法，闭环控制注射速度、锁模压力及螺杆转动等。——住友公司的SD30型注塑机全液压式锁模结构在成型精密及复杂形状制品方面具有许多独特的优势，德国的KrassMaffei公司采用无油循环的直压二板式合模结构，见下图。这种结构比较简单，但开合模速度较慢，而且锁模活塞杆导向较差。为此，KrassMaffei公司采用了一种特殊模具，在光盘基片成型过程中，模具开启行程很小。图为KrassMaffei公司的合模装置瑞典TOOLEX公司采用一种特殊二板式合模装置，见下图。它将直压二板式与充液式相结合，在减少模板运动惯量上有优势，但油缸多、结构复杂。图为TOOLEX公司的合模装置四、注射成型过程光盘的注塑成型方法主要有两种：一种为一步压紧成型，即一般的注塑成型方法；另一种为两步压紧成型法，又称注射压缩成型法，见下图。注射压缩成型过程为：闭模时，分型面处留有缝隙，即在模具开启一定距离的条件下开始注射。注射到一定量之后，模具开始闭紧，对型腔内的熔体实施压缩，模具完全闭紧时注射终止，然后冷却直至取出制品。图为注射压缩成型法示意图注射压缩成型法与一般的注塑成型法比较有以下优点：(1)降低模腔压力；(2)降低盘片残余应力；(3)减少分子取向；(4)保压均匀；(5)降低不均匀收缩；(6)克服沉孔和翘曲；(7)降低双折射；(8)提高尺寸精度；(9)减少密度变化。由于这些优点，注射压缩成型法已被用于高密度光盘，特别是带预刻跟踪伺服槽和格式码的盘片的精密注塑成型。注塑过程同样可分为三个阶段：（1）成型前准备为使注射能顾利地进行并保证产品的质量，在成型前有一系列的准备工作。包括粒料工艺性能的检测，原料的造粒，原料的预热及干燥，嵌件的预热和安放，试模，清洗料简及试车等。对于本实验特别强调的是干燥操作。聚碳酸酯最突出的是在高温下对微量水分的敏感性，加上熔融温度高，熔融粘度大，常因处理不当而出现开裂和其他质量问题，所以注射前必须严格、彻底的进行干燥。经干燥后原料水分含量应不大于0。02%，微量水分的存在可以使聚碳酸酯发生破坏性的降解，放出二氧化碳等气体，塑料变色，性能变坏。成型的光盘带银丝、气泡、强度下降、破裂。水分含量越高，破坏性越大。（2）注塑阶段注射过程一般包括加料、塑化、注射、冷却和脱模几个步骤。由于注射成型是一个间歇过程，因此保持定量(定容)加料以保证操作稳定、塑料塑化均匀最终获得良好的制品。参考工艺参数为：加料过多、受热时间过长等容易引起物料的热降解，同时注塑机功率损耗增加；加料过少时，料筒内缺少传压介质，模腔中塑料熔体压力降低，难于补塑，容易引起制品出现收缩、凹陷、空洞等缺陷。加入的塑料在料筒中进行加热。由固体粒子转变成熔体，经过混合和塑化后，塑化好的熔体被柱塞或螺杆，强制推挤到料筒顶端；经过喷嘴、模具浇注系统进入并充满型腔，即完成充模。在模具中熔体冷却收缩时、继续保持施压状态的柱塞或螺杆，迫使浇口和喷嘴附近的熔体不断补充入模具。使模腔中的塑料能形成形状完整而致密的制品，这一阶段称为保压。当浇注系统的塑料已经冷却硬化，继续保压已不再需要，因此可退回柱塞或螺杆，并加入新料；卸除料筒内塑料中的压力，同时并通入冷却水、油或空气等冷却介质．对模具进行进一步冷却。（3）制品后处理注射制品经脱模或机械加工之后，常需要进行适当的后处理以改善制品的性能和提高尺寸稳定性，制品的后处理主要指退火和调湿处理。本工艺在制品后还要进行内营力检查等。比较普遍的方式有两种：偏振光检测法适用于各种透明塑料制品的检测，利用制件的透明性，把制件至于偏振光镜片之间，从镜片上观察制作表面彩色带面积的大小来确定内营力发生的范围大小，光带面积越大，内应力越大。五、注射成型工艺的影响因素影响PC注射成型制品质量的工艺因素主要有磨具与设备、制品与镶嵌结构、原材料干燥、注射温度、注射速率、注塑压力、成型周期、模具温度、注射速率，注塑压力、成型周期、模具温度、制品后处理等。（1）模具与设备为尽量减小PC制品的内应力，应采取移动螺杆式注塑机。喷嘴选用普通敞口延伸式为佳。模具流道应设计为粗而短，弯曲部位易少，用圆形截面的分流道，进行研磨。由于PC溶料较硬，易损伤磨具，型腔和型芯应淬硬，型腔表面镀硬铬。（2）制品与嵌件结构PC制品应避免有尖角，壁厚应均匀。应尽量避免金属嵌件，无法避免时，在成型前需将嵌件预热，无法避免时，在成型前应将嵌件预热至200度，以减少开裂倾向。（3）原材料干燥虽然常温下PC本身吸湿性小，且吸湿后性能变化不大，但在成型前必须严格控制PC的含水量（0.002%以下），才能获得合格的制品。这是因为PC在高温下会发生水解，若原材料含水，其制品常会出现银丝、气泡等，所以PC成型前必须经过严格的干燥。最好的方法是采用真空干燥，该方法干燥速度快且干燥程度均匀，但对设备要求高。PC树脂是否干燥合格可以用以下方法检测：将两片载玻片在约270度的板上加热1~2min，将3~4粒烘干的粒料夹在两片载玻片之间，并轻缓加压使粒子变扁，若溶料无气泡则认为合格。（4）注射温度PC的刚性大，分子间作用力大，使其力学强度较高，允许使用温度范围很宽（-100~130度）。较大的分子间作用力和刚性分子链相互缠结不宜解除，是分子间相对滑移较为困难，熔融温度也较高，从而使加工温度较高。注射速度对制品质量影响很大，情况不同，最佳加工温度范围也不同。总的来说，PC制品宜在的较高温度范围也不同。总的来说，PC制品已在较高温度下成型。因为温度较高，PC塑化较好，熔融粘度低，易充满型腔，因为温度较高，PC塑化较好，熔融粘度低，易充满型腔，而且熔体进入型腔的过程中定向作用小，从而使制品内应力小，力学强度较高。一般控制料温在210~290度，喷嘴温度比料筒温度低5~10度。（5）注射速率PC制品成型时注射速率宜慢一些。若注射太快，易出现熔体破裂现象，在浇口周围会产生糊斑，制品表面毛糙等缺陷或因排气不良造成制品烧焦。（6）注塑压力PC的流变特性接近牛顿性流体注塑压力对成型工艺及制品性能的影响远不如温度的影响显著。但一般注塑压力还是要求较高（60~120MPa），应根据制品情况选取合适的压力。注塑压力太小，难以克制熔体的流动阻力，熔体难以充满型腔；注塑压力过大也不好，因为注射速度随注塑压力增大而增大，在低模温、低注射温度或薄壁件情况下，高压高速注射将使制品内应力增大。（7）成型周期成型周期一般包括注塑、无压冷却、开合模三个步骤所需时间。注塑时间应根据制品壁厚而定，一般在30~120s之间。注射时间中充模时间是很短的，一般只有5~10s，其余为保压时间，保压的目的一方面是使制品逐渐冷却，另一方面是使熔体不断充满型腔，补充制品收缩的需要，防止制品产生凹痕，空洞等现象。冷却时间主要是根据制品厚度、冷凝温度和模具温度来确定。一般来说，冷却时间应保证脱模时不引起制品变形为原则，通常在30~120s。（8）模具温度模具最好有加热装置，使模具温度保持在8