如何選擇和加工高密度熱塑性材料

文/ PolyOne Specialty Engineered Materials Dr. Paul Hans Jean-Paul Scheepens

如何選擇和加工高密度熱塑性材料

文/ PolyOne Specialty Engineered Materials Dr. Paul Hans Jean-Paul Scheepens

選擇和加工高密度材料需要應用、模具設計和加工領域的專門知識。本文介紹的內容將對制定高密度熱塑性材料的加工方案有所幫助。

有兩個因素正在推動高密度熱塑性材料（TP）在不同領域中的應用，如輻射屏蔽（如圖1所示）、射彈、電器組件和包裝。首先是環境、健康和安全方面的需求，加速著高密度熱塑性材料對鉛的替代；第二是基于在不使用金屬的情況下增加部件密度的需要，這是因為金屬不僅限制了部件的設計自由度，還比聚合物復合物昂貴且加工過程也更復雜。高密度熱塑性塑料復合物提供了很多有價值的好處，包括可持續性、無毒配方、優良的性能平衡以及通過普通方法進行熔融加工的能力。

然而，選擇和使用這些材料需要專門的知識。例如，聚合物基體和高密度填料添加劑的選擇，這對于材料的性能以及它在部件的生命周期內如何滿足應用要求有著重大的影響。此外，在加工高密度材料時，還必須考慮與加工普通塑料相比的細微差別，包括模具設計、成型方法和工藝參數的調整（如機筒溫度、加工速度，甚至材料和相關操作）。

本文提供了實用的指導和推薦的做法，以提高對高密度聚合物以及使用它們的場合和方法的了解，這對于針對不同的應用來選擇合適的材料、優化模具設計和加工有很大的益處。

圖1 用于檢測肺栓塞的通氣掃描采用一個噴霧器向病人的肺提供放射性同位素。高密度材料被用于這個應用中，以保護病人免遭輻射

對高密度材料的看法

取代鉛和其他金屬的高密度熱塑性材料比重較大，通常介于2～11之間。相比之下，未填充的塑料如聚苯乙烯（PS），其比重為1。甚至40%長玻璃纖維增強尼龍66的比重也只有1.74。高密度配方主要提高了部件的質量，同時也避免了許多金屬的缺點，包括設計限制、較高的成本、更復雜的加工以及二次操作（如機械切削）。

用高密度材料替代傳統塑料，可以保持相同的部件形狀，同時增加用于平衡的重量、體積、動量或是獲得一種更高品質的感覺。圖2、圖3顯示了高密度配方如何增加部件的重量。這款4 in.×6 in.（1 in.=2.54 cm）的盒子有各種形狀，如底部上的浮墊。當采用傳統塑料如PS制備此部件時，其重量約0.15 lb（1 lb=0.4536 kg）。而采用相同的部件設計和相同的體積，但改變材料的密度將會增加部件的重量（如圖3所示）：通過選擇比重為2.6的材料，部件的重量會增加至0.4 lb；如果所用材料比重為6，部件重量將增加至0.67 lb；如果材料比重為11，這款部件的重量會接近2 lb。這相當于從原來的PS到比重為11的高密度配方，部件的重量增加了987%。

與鉛金屬相比，高密度熱塑性材料可以被制成無毒配方，這有助于滿足安全和可持續發展的倡議，并提供一個拉伸強度、彎曲模量和熱變形溫度（HDT）的平衡。另外，其優勢還在于能使用常見的成型方法進行加工。

圖2 當用傳統塑料如PS制造這個4 in.×6 in.的箱子時，它的重量約0.15 lb。采用相同的部件設計以及相同的體積，但改變材料的密度，將增加部件的重量。使用一種比重為11的材料，這個部件的重量大約有2 lb重

圖3 采用不同比重的高密度材料制成的部件重量

去掉鉛

鉛的使用是環境、安全和健康領域都在關注的一個問題。在許多法律和指令下，它被嚴格監管，包括歐盟的限制有害物質（RoHS）和報廢電子電氣設備指令（WEEE），以及加利福尼亞的管道和水安全法規。

加利福尼亞還限制使用鉛彈和鉛粒以保護吃腐肉的野生動物。對于人類健康，特別是對嬰兒和兒童而言，鉛暴露可能造成不可逆的神經系統損害，導致發育困難。使用鉛制產品的工人也有風險。考慮到所有這些問題，高密度聚合物正在一些應用中取代鉛，如用于核醫學和X射線設備的輻射屏蔽以及非毒性彈藥中。

使用高密度材料來取代鉛以外的金屬，有許多方案，目標往往是為了實現性能上的要求而增加重量（如圖4所示），或展現更高的質量（如圖5所示）。例如，家電廠商正在用高密度熱塑性材料來取代輕質鋅壓鑄旋鈕，以吸引消費者的注意，因為消費者常把較重的重量和較高的品質聯系起來。

選擇合適的材料

與其他塑料一樣，材料選擇的第一步是確定應用的要求。這些要求的內容涵蓋了物理性能、力學性能和電氣性，以及相關的環境暴露（溫度、紫外線和化學物質）條件與美學標準。另外，適用的監管要求和行業標準也必須得到滿足。

幸運的是，由于能把不同的樹脂基體和不同類型的高密度填料（如礦物和金屬粉末）相結合，因此有多種高密度材料可供選擇。例如，如果需要的話，一種高密度復合物能以柔軟的TPE為基體，邵氏硬度為35～40A的TPE，比重為8，拉伸強度較低為150 psi（1 psi=6.895 kPa）；而聚醚醚酮（PEEK）是另一個極端，它能提供高的拉伸強度、模量和熱變形溫度，比重為6的PEEK基體材料的拉伸強度幾乎可以達到15 000 psi。

值得一提的是，針對不同類型的應用，適合使用的高密度材料其比重也有所區別。例如，輻射屏蔽應用可能需要的材料比重在6～11范圍內，而一些低能量的屏蔽只需要比重為2～5的材料。

設計模具

高密度復合物特定的性能對于模具設計有一些影響。雖然可以按照傳統的設計方法使用一個冷流道或熱流道系統，并選擇兩板或三板模具，但是可能需要一些調整。首先是模具中使用的鋼類型。對于比重低的材料和較低容量的加工，P20鋼是一個很好的選擇；但提高比重和體積，需要更耐磨的材料，如S7、H13或420不銹鋼，因為某些高密度填料可能對較軟的模具造成影響。

另外，高密度填料也增加了基體的導熱性，所以應該使用短的流動長度，以促進充模完全，防止流鋒過早凍結，造成高壓。因此要盡量避免采用小的流道，建議使用直徑稍大一點的流道。在冷流道設計中，一個完整的圓形系統可以為物料提供均勻的熔體路徑。梯形配置可以避免鋒利的邊緣，但是傾斜的隧道式澆口可能會產生問題。由于含有大量的密集填料，高密度材料往往會變得更脆，如果脫模時彎曲過大，會產生裂紋甚至斷裂。

如果使用一個熱流道系統，要確保其能提供力學和熱平衡的熔體流。內部或外部加熱元件都要狀態良好，由于溫度高，推薦采用H13鋼。此外，大量的高密度填料所帶來的較高黏度和磨損對加熱元件的要求有點苛刻，所以要確保它們堅固耐用。最后，避免閥式澆口，因為高密度材料無法提供和傳統塑料一樣干凈的合模沿口。

關于澆口設計的建議是要盡可能延長流鋒開放時間，使剪切最小化。柄形澆口、大扇形澆口、大隧道和隔膜形澆口都是可以接受的，只要它們能提供60%～80%的壁厚。較厚的壁將使流鋒保持更長的開放時間。如果澆口太小（沉陷式澆口或針型澆口），在部件充模完全之前可能就會發生凍結。

高密度聚合物不需要特殊的冷卻系統。你可以采用U形腔道、導流塞和水浴瓶（bubbler）。由于材料的熱導率較高，因此在許多情況下，能夠縮短冷卻時間。

最后，當部件被推離模芯或脫出型腔時，高度填充的材料要求整個部件壓力均勻。這將有助于避免由于頂桿系統中的不平衡而造成的開裂。此外，盡量縮短頂出部件落在料倉或輸送機上的距離。高密度填料會降低塑料的性能（拉伸強度、耐沖擊性），可能需要機械手或手工進行操作，以降低部件損壞的風險。

圖4 高密度聚合物材料增強了游戲籌碼的重量和平衡

圖5 因為消費者常把較重的重量和較高的品質聯系起來，所以制造商將為一系列家居用品選擇高密度配方

加工高密度材料

注塑成型是加工高密度熱塑性材料最常用的方法，但型材擠出、片材擠出和熱成型也可以使用。然而，這些材料不適合于擠胚吹塑成型（較差的熔體強度）或旋轉成型（非均勻壁厚）。

這里有一些加工技巧可參考：

1.采用較高的機筒溫度以降低黏度和注射壓力；

2.通過在每次注射中清潔沖洗熱流道中的物料，以盡量減少機筒和熱流道系統中的殘留；

3.使用中等到較快的注射速度，以盡量減少表層的積累并避免不一致的充模；

4.在擠出過程中，使用中等的螺桿轉速和較粗的濾網疊，以減少模頭中的壓力；

5.控制模具溫度，以提供均勻的加熱，水加熱和/或油加熱對這些材料通常是足夠的。

另一個需要考量的因素是材料的裝卸。這些材料都比較重，一臺真空裝載機無法裝卸比重超過5～6的材料，此時，可能需要一臺螺旋推運器系統甚至進行手工裝載。

（接P8）合物適用于這一生產工藝。

Karau補充道：“我們的長期目標是開發能夠移植活細胞的聚合物支架，打造真正意義上的生物植入物。”這種方式將實現軟骨再生，或者以健康組織代替受損的心臟組織等。但研究人員必須首先找到提高這些材料生物相容性的方法。

伯明翰的科學家們隸屬贏創戰略創新部門Creavis，他們與來自醫藥健康和功能材料業務線的聚合物專家們緊密合作。該項目屋的團隊正在開展生物相容性塑料的相關研究，應用于贏創VESTAKEEP?植入產品系列。目前，贏創醫療技術產品組合包括RESOMER?和VESTAKEEP?植入材料，以及用于成型導管和類似應用的VESTAMID?Care聚酰胺樹脂。