成型过程中有化学反应的一种注射成型方法。这种方法所用原料不是聚合物,而是将两种或两种以上液态单体或预聚物,以一定比例分别加到混合头中,在加压下混合均匀,立即注射到闭合模具中,在模具内聚合固化,定型成制品。由于所用原料是液体,用较小压力即能快速充满模腔,所以降低了合模力和模具造价,特别适用于生产大面积制件。RIM最早仅用于聚氨酯材料,随着工艺技术的进步,RIM也可应用于多种材料(如环氧、尼龙、聚脲及聚环戊二烯等)的加工。用于橡胶与金属成型的RIM工艺是研究的热点。
反应注塑成型
一种工业成型加工工艺。
- 英文名称
- reaction injection molding; RIM
- 所属学科
- 化工
RIM技术开始于聚氨酯材料,由西德拜耳公司开发,于1967年在杜塞尔多夫塑料博览会上首次展出,立刻激起了人们对这一冲击着传统生产方法的新工艺的研究热情,并对此寄予了极大的期望。美国采用反应注射成型方法,以异氰酸酯和聚醚制成聚氨酯半硬质塑料的汽车保险杠、翼子板、仪表板等。此法具有设备投资及操作费用低、制件外表美观,耐冲击性好,设计灵活性大等优点,20世纪80年代发展很快。反应注射成型还可制得表层坚硬的聚氨酯结构的泡沫塑料。为了进一步提高制品刚性和强度,在原料中混入各种增强材料时称为增强反应注射成型,产品可用作汽车车身外板、发动机罩。新开发的品种有环氧树脂、双环戊二烯聚合物、有机硅树脂和互穿聚合物网络,深入研究促进了RIM技术在材料、工艺、设备与模具等方面的进展。总之,在经济性上已经取得了重大进步。
RIM工艺过程为:单体或预聚物以液体状态经计量泵以一定的配比注进混合头进行混合。混合物注进模具后,在模具内快速反应并交联固化,脱模后即为RIM制品。这一过程可简化为:贮存→计量→混合→充模→固化→顶出→后处理。
①贮存。RIM工艺所用的两组分原液通常在一定温度下分别贮存在2个贮存器中,贮存器一般为压力容器。在不成型时,原液通常在0.2~0.3兆帕的低压下,在贮存器、换热器和混合头中不停地循环。对聚氨酯而言,原液温度一般为20~40℃,温度控制精度为±1℃。
②计量。两组分原液的计量一般由液压系统来完成,液压系统由泵、阀及辅件(控制液体物料的管路系统与控制分配缸工作的油路系统)所组成。注射时还需经过高低压转换装置将压力转换为注射所需的压力。原液用液压定量泵进行计量输出,要求计量精度至少为±1.5%,最好控制在±1%。
③混合。在RIM制品成型中,产品质量的好坏很大程度上取决于混合头的混合质量,生产能力则完全取决于混合头的混合质量。一般采用的压力为10.34~20.68兆帕,在此压力范围内能获得较佳的混合效果。
④充模。反应注射物料充模的特点是料流的速度很高。为此,要求原液的黏度不能过高,例如,聚氨酯混合料充模时的黏度为0.1帕·秒左右。
当物料体系及模具确定之后。重要的工艺参数只有2个,即充模时间和原料温度。聚氨酯物料的初始温度不得超过90℃,型腔内的均匀流速一般不应超过0.5米/秒。
⑤固化。聚氨酯双组分混合料在注进模腔后具有很高的反应性,可在很短的时间内完成固化定型。但由于塑料的导热性差,大量的反应热不能及时散发,故而使成型物内部温度远高于表层温度,致使成型物的固化从内向外进行。为防止型腔内的温度过高(不能高于树脂的热分解温度),应该充分发挥模具的换热功能来散发热量。
反应注射模内的固化时间,主要由成型物料的配方和制品尺寸决定。另外,反应注射制品从模内脱出后还需要进行热处理。热处理有两个作用:一是补充固化,二是涂漆后的烘烤,以便在制品表面形成牢固的保护膜或装饰膜。
⑥成型制品缺陷产生的原因及解决方法(见表)。
种类 | 缺陷表现 | 产生原因 | 解决方法 |
表面缺陷 | 分层与气泡 | 混合不良或超前滞后效应 | 改善混合条件并消除超前滞后现象 |
表面带有气孔 | 主要由充模夹气或混合时黏度太低带入的空气引起 | 提高原液黏度,改进浇注系统,以使物料以层流形式充模 | |
制件外观不一致 | 模具温度控制不均匀 | 改进模具温控系统 | |
制件表面光洁度不高 | 模具上带有积料 | 加强模具清理,增加涂抹脱模剂的次数 | |
皮层厚度与质量 | 皮层太薄或过于疏松,引起局部凹陷 | 模具温度太高 | 降低模具温度 |
制件皮层有起鳞片或剥离现象 | 模具温度太低,阻碍了表层的反应和固化 | 提高模具温度并尽可能使模具温度保持一致 | |
收缩 | 制件收缩率较大 | 聚合反应不完全,后处理不当 | 提高反应液黏度,降低收缩率,延长固化时间,调节后处理工艺参数 |
①浇注系统。浇注系统又称“注进系统”,由浇口、流道和排气孔组成。在进行RIM模具设计时,浇口外形与高度取决于成型制品的壁厚与型腔流量。大容量的模具通常宜采用直棒状浇口,而小容量模具则宜采用扇形浇口。
主流道的位置应直接设在模具上,但应留意,在确定流道位置时,务必使物料从制品的横截面的最低处进型腔。排气孔的位置则应设在物料活动的末端,以便注射时将空气赶出型腔。
②模温控制系统。这里仅以RIM金属模具为例加以说明。模具温度的控制方法通常是在模内埋设套管,通进水进行加热或冷却。金属模具厚度应为50毫米,而套管间距要因加工树脂不同而有所不同。通常,聚氨酯RIM的模温为40~80℃,模温控制精度为±4℃,最好为±1℃。套管间距为80~100毫米,冷却孔与模具腔壁之间的间隔应为9.5毫米。
③分型面。对分型面的位置设置有一条总体要求,就是将分型面位置设在加工制件轮廓的四周稍下方,这样可使正在膨胀并布满型腔的物料将型腔内的残留空气排至模外。
①制品厚度。与常规注射制品相同,在进行RIM制品的壁厚设计时,同样应避免壁厚过厚或过薄。以聚氨酯泡沫塑料RIM制品为例,常规壁厚应控制在6.35~12.7毫米,当壁厚大于12.7毫米或小于3.17毫米时,则应采取适当的补救措施。
②加强筋。使用加强筋的目的是提高制品的刚性与强度。应选用细而长的加强筋,避免选用粗而短的加强筋。加强筋的设置应沿物料活动面为宜,这样不会影响物料活动过程中的气体排放。
③脱模斜度。RIM制品的脱模斜度应选择2°,太大或太小都不利于制品脱模。
④圆角。RIM制品的内部圆角半径不得小于3.175毫米,外部圆角半径不得小于1.578毫米。
⑤凸台。凸台应采用2°的脱模斜度并沿制件周边或内筋布置,若凸台的设计高度超过6.57毫米,则必须由撑板相辅。在导进孔中成型,必须正确确定定位螺纹和自攻螺纹的位置。凸台和导进孔的尺寸对脱模强度影响很大,应加以留意。