聚苯硫醚部件成型温度与超声塑化在微注塑中的应用

# 聚苯硫醚部件成型温度与超声塑化在微注塑中的应用 ## 一、聚苯硫醚部件成型温度的重要性 ### 1.1 聚苯硫醚材料概述 聚苯硫醚（PPS）是一种半结晶工程热塑性塑料，具有独特的综合性能，如耐化学性、尺寸稳定性和热稳定性。这些优异性能使其在汽车“发动机舱内”应用中得到广泛使用。为了充分发挥这些材料特性并制造出汽车行业所需的高质量部件，在成型过程中遵循特定的指导原则至关重要，否则可能导致部件过早失效。 ### 1.2 材料与成型温度选择 本次研究使用的是雪佛龙菲利普斯化学公司开发的40%玻璃纤维增强级PPS，专门用于如恒温器外壳等湿热环境。该注塑化合物在室温下正确成型和测试时，拉伸模量超过15 GPa。 将上述PPS化合物在一系列温度下进行成型，以涵盖从无定形到完全结晶的范围： - 135°C：通常是PPS推荐的最低成型温度。 - 100°C：略高于玻璃化转变温度（Tg），低于结晶温度（Tc）。 - 90°C：成型为结晶态时PPS的近似Tg。 - 60°C：足够低，可得到无定形结构的部件。 机械测试在以下温度下进行： - 23°C：生成数据表性能的温度。 - 75°C：略低于PPS的Tg。 - 90°C：约等于PPS的Tg。 - 100°C：略高于PPS的Tg。 - 115°C：略低于PPS的Tc，高于此温度结晶迅速发生。 ### 1.3 结晶度 为了在PPS部件中获得高结晶度，建议使用热模条件，温度高于125°C，材料供应商通常推荐135°C或更高。使用热模的好处不仅在于提高结晶度，还包括改善高温尺寸稳定性、提高热变形温度（HDT）以及在高温下改善机械性能。 结晶度含量可以通过多种分析技术进行监测，如X射线衍射、热分析、红外分析、密度测量和固相核磁共振测量等。最常用的确定部件结晶度水平的方法是差示热分析，特别是差示扫描量热法（DSC）。该方法通过在热谱图的120°C范围内是否存在Tc来进行快速的通过/失败测试。另一种测量结晶度水平的方法是X射线衍射（XRD），它能提供更高的精度，但成本和工作量也更大。 当通过DSC测试时，模具温度低于120°C成型的部件显示出明显的Tc，表明结晶度较低；而模具温度在120°C及以上成型的部件则没有Tc，表明结晶度相对较高。XRD测试表明，虽然在120°C成型的部件的DSC中没有明显的Tc，但只有模具温度在135°C及以上才能使部件达到最大结晶度。 ### 1.4 尺寸稳定性 当部分结晶的成型件暴露在高于其Tg的温度下时，会进一步结晶，导致收缩，从而影响尺寸精度。热老化收缩研究表明，模具温度低于100°C成型的测试样品在232°C热老化24小时后的收缩率比模具温度为135°C成型的部件大。这是由于较低成型温度导致的结晶度较低的部件中的无定形区域发生结晶。 热变形温度（HDT）是保持部件在高温下完整性的另一个方面。在通过ASTM D648测试方法获得结果时，一个主要困难是PPS在高于Tg的温度下会继续结晶。因此，即使是相对无定形的部件在测试过程中结晶结构也会增加。最低温度成型（应主要为无定形）的部件在HDT方面损失最大，仅保留约58%（如图4所示）。 ### 1.5 机械强度 塑料材料通常以两种失效模式之一失效，即韧性或脆性。增强级PPS的拉伸模量超过15 GPa，通常以脆性模式失效，但在本次研究中，部件却以韧性模式失效。研究的目标是确定成型部件为何会出现韧性失效。 对热成型和冷成型的PPS部件的机械性能进行了比较。从表2可以看出，热成型和冷成型在整体上没有明显的优势或劣势。冷成型在悬臂梁缺口冲击强度方面有一定优势，在拉伸应变方面略有优势，但这些优势不足以克服尺寸稳定性方面的劣势。令人惊讶的是，在室温测试时，两种模具温度在模量方面都没有优势，这与恒温器外壳的失效模式预期不同。 在高温下测试拉伸强度也面临挑战。由于PPS在高于Tg（90°C）的温度下会继续结晶，因此难以在整个测试范围内保持相同的结晶度水平。高温测试表明，随着温度升高，拉伸强度稳步下降。冷成型部件的拉伸强度下降更为严重，但在115°C的测试温度下，结晶迅速发生，拉伸强度下降趋势逆转，数值开始接近热成型部件。例如，60°C成型的测试样品在100°C测试时仅保留初始拉伸强度的38%，而135°C成型的样品保留64%。 成型测试样品的结晶度水平对拉伸伸长率和拉伸模量也有影响。在90°C时，无定形冷成型部件的伸长率急剧增加，60°C成型的结晶度最低的部件在90°C时的伸长率比热成型测试样品高30%。随着测试温度升高，拉伸模量下降，冷成型样品的影响最为明显。在100°C测试温度下，热成型和冷成型样品的拉伸模量差异为40%。当测试温度升高到115°C时，测试样品开始结晶，模量增加。 ### 1.6 讨论与结论 对拉伸强度、伸长率和模量的测试观察为恒温器外壳的失效模式提供了见解。在本次案例研究中，成型的恒温器外壳结晶度不足是部件失效的根本原因。未遵循正确的成型程序导致部件结晶度降低，从而在最终使用环境的高温下降低了关键的机械强度性能。 研究还发现，在评估失效部件时存在另一个问题。通过常规的DSC方法测试，失效部件似乎是结晶的，但实际上，PPS会在恒温器外壳的使用温度范围内结晶。只有对同一生产批次未使用过的部件进行测试后，才确定这些部件成型不当。这一发现促使开发实验方法来测试成型部件和测试样品，以确定这对最终部件的影响。结果发现，尽管室温下机械性能差异不大，但部件未完全结晶时，高温下的机械性能损失要大得多，这种在高温下30% - 40%的机械强度差异足以导致部件过早失效。 因此，在成型PPS部件时，使用适当加热的模具对部件的最终性能和耐久性极为重要。热成型部件能够获得足够的结晶度，以承受大多数最终使用温度，同时还能消除部件在使用过程中因额外结晶而产生的大部分收缩。当部件在高于玻璃化转变温度的应力环境中使用时，热成型是获得最佳机械性能的必要条件。始终要检查模具温度，确保其在材料供应商推荐的范围内。 以下是不同模具温度下PPS部件的部分性能对比表格： |模具温度|轴向额外收缩率|横向额外收缩率|弯曲强度（MPa）|弯曲模量（GPa）|悬臂梁缺口冲击强度（kJ/m²）|拉伸强度（MPa）|拉伸模量（G