注塑成型的取向效应，你知道吗？

鲁智深

1、取向机理

聚合物在加工过程中，在力的作用下，流动的大分子链段一定会取向，取向的性质和程度根据取向条件有很大的区别。

按熔体中大分子受力的形式误作用的性质可分为剪切应力作用下的“流动取向”和受拉伸作用下的“拉伸取向”。

按取向结构单元的取向方向，可分单轴和双轴或平面取向。按熔体温场的稳定性可分等温和非等温流动取向。也可分结晶和非结晶取向。

聚合物熔体在模腔中的流动是注塑的主要流动过程，熔体在型腔中取向过程，将直接影响制品的质量。

欲理解注塑制品在型腔中成型的机理需了解无定型聚合物的取向机理。充模时，无定型聚合物熔体是沿型壁流动，熔体流入型腔首先同模壁接触霰成来不及取向的冻结层外壳。而新料沿着不断增长地凝固层内壁向前流动。推动波前峰向前移动。

靠近凝固层的分子链，一端被固定凝固层上，而另一端被邻层的分子链沿着流动方向而取向。由于靠近凝固层助力最大，速度最小；而中心外流动助力最小，速度最大，这样在垂直于流动方向上形成速度梯度；凝固层处的速度梯度最大，中心处的速度梯度最小，因此靠近凝固层的熔体流受剪切作用最强，取向程度最大，而在靠近中心层剪切作用最小，取向也最小，形成小取向层区。

2、取向对制品性能的影响

由于非结晶型聚合物的取向是大分子链在应力作用方向上的取向，所以在取向方向的力学性质明显增加，而垂直于取向方向的力学性质却又明显地降低；在取向方向的拉伸强度，断裂伸长率，随取向度增加而提高。

双轴取向的制品其力学性质具有各异性并与两个方向拉伸倍数有关。双轴取向改变了单轴取向的力学性质。在通常注塑条件下，注塑制品在流动方向上的拉伸强度大约是垂直方向的确良1~2.9倍，而冲击强度为1~10倍，说明垂直于流动方向上的冲击强度降低很多。

注塑制品的玻璃化转变温度随取向度提高而上升。有的随取向度高和结晶度的提高，其聚合物的玻璃化温度值可升高~25度。

由于在制品中存在有一定的高弹形秋，一定温度下已取向的分子链段要产生松驰作用：非结晶型聚合物的分子链要重新蜷曲，结晶率与取向度成正比。所以收缩程度是取向程度的反映。

线膨胀系数也将随取向度而变化；在垂直于流动方向线膨胀系数比取向方向约大3倍。取向后的大分子被拉长，分子之间的作用力增加，发生“应力硬化”现象，表现了注塑制品模量提高的现象。“冻结取向”越大，则越容易发生应力松驰，制品收缩也越大。所以制品收缩反映了取向的程度。

3、影响制品取向的因素

在注塑加工中，聚合物熔体的取向过程可分两个阶段进行。第一阶段是充模阶段，这时流动的特点是：熔体压力低，剪切速率大，模壁处的物料在快速冷却条件丐进行。

这一阶段聚合物熔体的粘度主要是温度和剪切速率的函数。第二阶段是保压阶段。其特点是剪切速率低，压力高，温度逐渐下降。

聚合物熔体的粘度主要依赖于温度和注射压力，但对取向影响主要是熔体加工温度。对结晶影响主要是模具温度。

取向即与剪切或拉伸作用有关，也与大分子链的自由能有关。根据这种机理，控制取向的条件有以下因素。

（1）物料温度和模具温度增高都会使取向效自学成才降低。因为熔体升高时粘度会降低。

如果熔体加工温度高它和凝固温度之间的温度域加宽，松驰时间加长，容易解取向。非结晶型聚合物的松驰时间是从加工温度降至玻璃化温度的时间，而对结晶型聚合物是加工温度至熔化温度的时间，由于熔点温度高于玻璃化温度，显然非结晶型聚合物松驰时间要长于结晶型聚合物。

因此加工结晶型聚合物冷却速度大，松驰过程短。容易产生冻结取向。而非结晶型聚合物冷却速度慢，松驰过程长容易解取向，取向效果将减小。

（2）注射压力增加可提高熔体的剪切自学成才力和剪切速率，有助于加速高分子的取向效应。因此，注射压力与保压压力的提高都会使结晶与取向作用加强，制品的密度将随保压压力的升高而讯速增长。

（3）浇口封闭时间会影响取向效应。如果熔体流动停止后，大分子的热运动仍较强烈，会使已取向的单元又发生松驰，产生解取向的效应。采用大的浇口由于冷却得慢，封闭时间延长，熔体流动时间延长增加了取向效果，尤其在浇口处的取向更为明显，所以直浇口比点浇口更容易维持取向效应。

（4）模具温度较低时，冻结取向效应提高。而解取向作用减小。

（5）关于充模速度对制品取向的影响。快速充模会引起表面部位的高度取向，但内部取向小，因为在一定温度条件下，快速充模会维持其制品心部在较高的温度下冷却，使冷却时间加长，高分子松驰时间延长使解取向能力加强，所以心部取向程度反而比表层的小。

在注射温度相同条件下，慢速充模会延长流动时间，实际熔体温度要降低，剪切力要增加。这时熔体的实际温度与玻璃化温度或熔点的区间要比快速充模区间小，则应力松驰时间也短，所以解取向作用小；另一方面慢速充模熔体的温度比快速充模时来得低些，解取向作用减小，而取向作用会增加。就制品心部的结构形态而言，快速充模会引起较小的取向，而慢速充模反而会引起大的取向。

综上所述，影响聚合物结晶与取向的因素有以下几个方面：

1 温度：
a熔体温度。
b熔体加工过程的温度。
c模具温度。d聚合物熔点。
e聚合物玻璃化温度。
f熔体最大结晶速率温度。

2 时间：
a聚合物加热时间。
b充模时间。
c保压时间。
d浇口封闭时间。
e冷却时间。
3 压力：
a充模压力。
b保压压力。
4 速度：
a充模速度。
b塑化速度。