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ARLEN的加工實務

作者:
蔡宏斌 國立宜蘭技術學院化工系教授
蔡瑞禧 大華技術學院化工系副教授
林建興 允拓材料科技股份有限公司

ARLENTM為日本三井化學公司(Mitsui Chemicals,Inc)所開發出的一種耐熱性改質尼龍6T,其熔點高,耐熱性佳,在汽車零件,機械零件以及電氣/電子零件等領域中有廣泛的應用。然而,加工對ARLEN成品的性能有很大的影響。本文從模具設計,射出成型機設計,加工條件以及成型時的疑難問題解決方法深入討論ARLEN的加工實務。其中,模具設計以及模溫在ARLEN的加工是最重要的關鍵點。

 

前言

ARLENTM為日本三井化學公司(Mitsui Chemicals, Inc)所開發出的一種耐熱性改質尼龍6T。ARLEN所用的主要單體為對苯二甲酸,己二酸以及己二胺,結構設計上使其熔點高,而具有優異的耐熱性。ARLEN還具有優異的高溫剛性,尺寸安定性以及耐化學品性。優異的特性使ARLEN在許多領域包括汽車零件,機械零件以及電氣/電子零件上有廣泛的應用。

ARLEN具有相當高的熔點,約310-320℃,但仍可利用傳統的加工設備如射出成型機來加工。依一般的經驗,加工溫度超過340℃時,含有脂族鏈的聚合體將會產生嚴重的分解現象。因此,ARLEN的加工溫度窗口就顯得比較狹窄,在加工過程有許多事項是必須特別注意的。首先,在ARLEN的加工過程必須避免局部過熱(local overheated)現象。有時,這必須從加工設備上加以改善。其次,模溫對於ARLEN成品特性的影響很大。ARLEN為半結晶性材料,欲使其具有較佳的特性,模溫以120℃左右為較佳。最後,模具設計對成品特性有絕對的影響。本文將從這些重點討論ARLEN的一些加工實務。

 

ARLEN的模具設計要點

一般而言,模具設計對於產品開發是相當重要的關鍵。而對於適用於高性能產品的ARLEN而言,模具設計可說是最重要的因素,如圖1所示。譬如說良好的模具設計可大幅減少試模的次數或者提高加工效率,因此常有縮短研發時程及降低成本的效果。當然,模具設計並非僅僅依樣畫葫蘆似地挖出成品的模樣來,而是要針對材料的特性進行整體性的設計。對ARLEN而言,一些模具設計要點如下:
一、成品精度

I成品精度是模具設計必須考慮的首要事項。由於許多等級的ARLEN含有玻璃纖維,成型後可能有不同程度的纖維定向而造成不同的模收縮率。因此,在ARLEN的模具設計中應該要考慮不同方向的模收縮率。玻璃纖維補強級ARLEN在平行於流動方向的模收縮率約為0.2-0.6%,略低於垂直於流動方向的模收縮率(0.5-0.9%),可參考三井化學公司所提供的模收縮率數據。

當然,以模收縮率數據參考值所設計出的模具不見得會達到所需的精度,模具的修改有時還是需要的。因此,在模具設計時就應考慮到後續的修模工程。在修模時,將模穴研磨修大遠比將模穴修補變小要容易得多!因此,在模具設計時寧可讓模穴的尺寸略為小一點,千萬不可讓模穴過大。當然,模具上的凸出物(譬如說相對於成品的孔洞)的尺寸則以略為大一點為宜。


圖1.高性能產品開發的關鍵因素比重
二、排氣孔的設計

ARLEN的加工溫度很高(>310℃),為了避免樹脂受到高溫壓縮空氣的影響而造成燒焦(scorching),適當的排氣孔(air vent)有時是非常重要的。其次,適當的排氣孔還可防止空氣壓縮所造成的短射(short shot)或不飽模現象。 排氣孔的排列位置宜均勻分佈,如圖2所示。為了方便排氣,各排氣孔可匯至較深的排氣道,再開口與模外相接,如圖2與圖3所示。排氣孔的尺寸會影響其功能。譬如說排氣孔間隙(clearance)過大可能會造成毛邊(flash)現象,而間隙太小可能造成排氣不良。對ARLEN而言,一般建議使用間隙為10-15μm的排氣孔。ARLEN模具的適當的排氣孔尺寸如圖4所示,排氣孔的寬度為3-10 mm,長度為2-3 mm,排氣道深度可為0.5-1.0 mm。通常先使用較小的排氣孔,必要時再依需求而加大。


圖2 排氣孔的排列分布圖


圖3.排氣孔與潛力匣口頗剖面圖


圖4.適當的排氣孔尺寸圖

三、閘口的設計

閘口(gate)為流道(runner)與模穴間的閘門部份,雖然很短,卻是相當重要。閘口的設計要點在於匹配熔融樹脂在模穴與流道中的流動。

側邊閘口(side gate)是比較簡單的設計,通常是每一模穴在適當的位置有一閘口。閘口的位置及形狀宜配合樹脂的流動。閘口的尺寸依成品的厚度,形狀以及體積而定。閘口的深度可為成品厚度的1/2至1/3。

如果模穴很小,或者想要多點灌注以調整流動的均衡性,有時可使用圓形的針閘口(pin point gate)。針閘口的適當尺寸:直徑為0.8-2.0mm,長度為1.0-2.0 mm。閘口太小可能造成流動性不佳,堵塞或者成品表面有下沉痕跡(sink marks),這時應加大閘口尺寸。必須注意的是使用多點針閘口時會有熔合線(weld lines)的問題,會影響成品強度,有時還可能造成成品翹曲。這時,可能需要多次的嚐試才能找出合理的閘口數目以及位置。

如果想要讓成品在頂出後自動與料頭部份分開,可考慮使用潛入閘口(submarine gate)。一般的潛入閘口剖面圖及設計分別如圖3及圖5(a)所示。一般的潛入閘口的直徑為0.8-2.0 mm,而閘口角度應小於45°,角度越小,成品與料頭越容易分離。如果想要讓成品分離得更漂亮,譬如說切斷處更為平滑,可使用改良型潛入閘口,如圖(b)所示。此種改良型的設計重點在於降低閘口直徑為0.3-0.5 mm,使成品更易於分離。

四、流道的設計

對於精密零件,流道設計的首要重點在於流道的平衡。圖6顯示不同流道設計的樹脂流動情形。如圖6(a)所示,流道不平衡使得樹脂灌注不一,可能降低成品精度。改變主流道的截面積為漸進縮小,如圖6(b)所示,或許可以平衡流動情形。然而,圖6(b)的設計會受到許多因素的影響,往往需要經過數次的試模才會成功。使用圖6(c)的設計則可根本解決流道不平衡的問題。

流道的形狀會影響到樹脂的流動,如圖7所示。當熔融樹脂流經流道時,接近流道壁上往往形成一層皮層,有熱絕緣的效果,並使後續熔融樹脂還可維持高溫而流動(圖7斜線部份)。如圖7(c)所示,梯形流道的皮層不均勻,所造成的流動阻力不一,可能會使樹脂的流動不均勻,對精密零件來說就不是好的設計。半圓形流道,如圖7(b)所示,可讓樹脂的流動略為均勻。而圓形流道,如圖7(a)所示可說是良好的設計。流道的直徑盡可能小,對精密零件來說,適當的直徑為3-5 mm。流道的長度應盡可能短。其次,流道的轉角應盡可能圓滑。


圖5. 潛入匣口


圖6.流道設計概念


圖7.流道的形狀與優劣

五、注入口的設計

在ARLEN的模具設計中,建議使用短而圓的注入口(sprue)。注入口的直徑宜配合噴嘴,流道以及每模射出量。譬如說與直徑為2.8 mm的噴嘴接觸的地方,注入口的直徑可為3.0mm。為了讓成型物容易脫離模具,注入口斜角(sprue taperangle)以2-5°為宜。注入口在與流道交接處的直徑通常與流道直徑相當,以避免壓力降。另外,適當的冷料井(cold slug well),如圖3所示,也是必要的。

六、模具材料

常用的ARLEN等級為玻璃纖維補強級,而且ARLEN的成型時常需要相當高的模溫(120℃),因此模具材料應選用高硬度(HRC 50-60)及耐磨級鋼材。另外,對於耐燃級ARLEN的加工成型,模具材料應選用防蝕性不銹鋼。典型的建議使用模具材料如表1所示。

ARLEN具有優良的的流動性以及加工性,可利用大部份的螺桿式射出成型來加工。
表1.ARLEN的建議使用模具材料

一、射出成型機大小

射出成型機大小宜與每模射出量匹配,較為經濟的是每模射出量為最大射出容量的40-80%。ARLEN的加工溫度很高(>310℃),如果樹脂滯留時間過長可能造成分解,造成流口水(drooling),成品脆化或者影響成品其他性質。因此,如果每次射出量比較少,應該選擇比較小的射出成型機。務必使每次射出量不少於最大射出容量的10%。

二、螺桿

一般用途或尼龍用耐磨級螺桿皆可用於加工ARLEN,重點在於不要讓背壓過大。如果想要讓樹脂的塑化更為良好,可使用溝道更深的螺桿,此可讓更多的樹脂進入壓縮段。對於耐燃級ARLEN,應該使用耐腐蝕及耐磨級螺桿。ARLEN的建議使用螺桿材料如表2所示。

三、噴嘴

建議使用標準型噴嘴。加長型噴嘴需要額外的加熱器,溫度也不易控制,沒必要應避免使用。另外,ARLEN在加工溫度(>310℃)下的滯留時間過長可能會造成熱分解,因此,避免樹脂流動的死角是必要的。噴嘴與料筒(cylinder)間的結合處若無死角,且螺桿頂端與噴嘴及料筒間若能密合,長期下樹脂的熱分解現象(譬如說成品出現黑點)將可減至最低。

四、料筒

料筒材料的要求類似於螺桿,如表2所示。

表2. ARLEN用射出成型機的螺桿與料筒材料的要求

五、合模系統

一般的射出成型機應有足夠的合模壓力而可適用於ARLEN的加工。然而,ARLEN的射出成型常需 要相當高的模溫,在射出成型的模板上加裝絕熱板對於維持高模溫有所幫助。

對於ARLEN用的射出成型機,一些應注意的建議事項如圖8所示。


圖8.ARLEN用射出成型機的建議事項

 

ARLEN的射出成型條件

ARLEN會吸濕,吸濕後可能會影響射出成型或成品品質,譬如說流口水(drooling),樹脂分解,成品強度降低或脆裂等。因此,在射出成型時,樹脂的含水量應低於1000 ppm較為恰當。ARLEN以覆有鋁箔層的袋子封裝,在袋子一開封便立即使用的情況下,可以不必預先乾燥。ARLEN的吸濕性如圖9所示。因此,開封後的ARLEN膠粒在超過24小時後,使用前必須事先乾燥除水。


圖9.暴露時間對ARLEN的吸濕情形的影響

最適當的乾燥方法為真空烘乾,但使用熱空氣烘乾亦可。乾燥溫度最好不要超過120℃。超過120℃時,ARLEN膠粒可能因氧化而變黃。烘乾時間對ARLEN含水量的影響如圖10所示。由圖10可看出在110℃下烘乾8至10小時通常可將ARLEN的含水量減至合理範圍。而吸濕不很嚴重時的典型烘乾條件為在110℃下烘乾2至6小時。

另外,送料或餵料過程也應避免樹脂的吸濕。料斗必須將上蓋封緊,以免空氣進入而受潮。料斗上的乾燥器一定要使用,以免水份停留於射出成型機內而產生潮濕。

ARLEN的典型射出成型條件如表3所示

模溫對於ARLEN成品的結晶度的影響很大。ARLEN為半結晶性樹脂,欲使其具有較佳的物性,適當的模溫是必要的。模溫對成品的影響可從圖11可看出。依結晶度的觀點來看,適當的模溫範圍為120-150℃。模溫較高時,成型週期所需的冷卻時間(cooling time)可能會增長,因此,模溫以120℃為較佳。


圖10 不同溫度下,烘乾時間對ARLEN含水量的影響

ARLEN的加工溫度很高,射出成型時必須考慮高溫所造成的影響。加工溫度升高時,樹脂的流動性隨著增高,但也容易造成分解。因此,樹脂在如此高的加工溫度下的滯留時間是非常重要的。一般而言,樹脂在320℃的加工溫度下,其滯留時間必須短於15分鐘,而在330℃的加工溫度下,其滯留時間必須短於5分鐘。

ARLEN在高溫下的滯留時間太長時很容易造成分解。因此,當成型加工操作需要中斷很長的時間時,以清洗料清洗(purging)是必要的。適當的清洗料包括聚碳酸酯(PC),高分子量聚乙烯等。當然,結束加工操作而關機之前也應以清洗料將機器中的ARLEN清除。以清洗料清洗的要點如下:

(1)在ARLEN的加工溫度(320-340℃)下讓螺桿持續運轉,將料筒中的ARLEN 清空。

(2) 將清洗料持續餵進螺桿中,一直到殘餘ARLEN不見蹤影為止。

(3)將料筒的溫度設定降至穩定的清洗溫度,譬如說200℃。

(4)持續將清洗料餵進螺桿中,一直到實際的料筒溫度接近於200℃。

(5)至此,停止餵入清洗料,並讓螺桿持續運轉清空。

ARLEN有黏附於螺桿表面的趨勢。如果已經有了這種現象,為了避免污染,建議將射出成型機拆開並取出螺桿後加以清洗。

ARLEN的回收性尚屬良好。回收有助於降低原料成本。然而,回收料的使用會降低物性,如圖12所示。因此,一般建議回收料的使用比例應少於20%。此外,加工前回收料務必予以烘乾。


圖11.模溫對ARLEN的結晶度及迴焊後的收縮率的影響


圖12回收對ARLEN物性的影響

 

ARLEN在射出成型時的疑難問題解決方法

ARLEN在射出成型時的一些疑難問題,可能的原因以及解決方法如表4所示

表4.ARLEN在射出成型時的疑難問題解決表

表4.ARLEN在射出成型時的疑難問題解決表(續)

參考文獻

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