【正文】 熔膠的流動速度與流動指數(shù)(Melt Index, MI) 有關，流動指數(shù)也稱為流導flow conductance），流動指數(shù)是熔膠流動難易的指標。實際上，流動指數(shù)是塑件幾何形狀（例如壁厚，表面特征）及熔膠黏度的函數(shù)。流動指數(shù)隨著肉厚增加而降低，但是隨著熔膠黏度增加而降低，參閱圖49。射出成形時，在特定的成形條件及塑件肉厚下，熔膠可以流動的長度將根據(jù)材料的熱卡性質與剪切性質而決定，此性質可以表示為熔膠流動長度，如圖410所示。圖48 射出壓力與使用材料知黏滯性、流動長度、容積流率和肉厚的函數(shù)關系圖49　流動指數(shù)相對于壁厚與黏度關系圖410　熔膠流動長度決定于塑件厚度和溫度將射出成形充填模穴的射出壓力相對于充填時間畫圖，通?？梢垣@得U形曲線，如圖411，其最低射出壓力發(fā)生在曲線的中段時間。要采用更短的充填時間，則需要高熔膠速度和高射出壓力來充填模穴。要采用較長的充填時間，可以提供塑料較長的冷卻時間，導致熔膠黏度提高，也需要較高的射出壓力來充填模穴。射出壓力相對于充填時間的曲線形狀與所使用材料、模穴幾何形狀和模具設計有很大的關系。圖411　射出壓力相對于充填時間之U形曲線最后必須指出，因為熔膠速度（或剪變率）、熔膠黏度與熔膠溫度之間交互作用，有時候使得充填模穴的動力學變得非常復雜。注意，熔膠黏度隨著剪變率上升及溫度上升而降低。高熔膠速度造成的高剪變率及高剪切熱可能會使黏度降低，結果使流動速度更加快，更提高了剪變率和熔膠溫度。所以對于剪變效應很敏感的材料本質上具有不穩(wěn)定性。421 影響射出壓力的因素圖 412針對影響射出壓力的設計與成形參數(shù)進行比較。參數(shù)需要高射出壓力可用低射出壓力塑件設計肉厚塑件表面 澆口設計澆口尺寸流動長度成形條件熔膠溫度模壁（冷卻劑）溫度螺桿速度選擇材料熔膠流動指數(shù)圖412 射出壓力與設計、成形參數(shù)、材料的關系43 充填模式　　充填模式(Filling Pattern)是熔膠在輸送系統(tǒng)與模穴內，隨著時間而變化的流動情形，如圖413所示。充填模式對于塑件品質有決定性的影響，理想的充填模式是在整個制程中，熔膠以一固定熔膠波前速度(melt front velocity, MFV)同時到達模穴內的每一角落；否則，模穴內先填飽的區(qū)域會因過度充填而溢料。以變化之熔膠波前速度充填模穴，將導致分子鏈或纖維配向性的改變。圖413 計算機仿真之熔膠充填模式的影像431 熔膠波前速度與熔膠波前面積熔膠波前的前進速度簡稱為MFV，推進熔膠波前的剖面面積簡稱為 MFA，MFA可以取熔膠波前橫向長度乘上塑件肉厚而得到，或是取流道剖面面積，或者視情況需要而取兩者之和。在任何時間，容積流動率 = 熔膠波前速度(MFV) 熔膠波前面積(MFA)對于形狀復雜的塑件，使用固定的螺桿速率并不能保證有固定的熔膠波前速度。當模穴剖面面積發(fā)生變化，縱使射出機維持了固定的射出速度，變化之熔膠波前速度仍可能先填飽模穴的部份區(qū)域。圖 414 顯示在鑲埋件(insert)周圍熔膠波前速度增加，使鑲埋件兩側產生高壓力和高配向性，造成塑件潛在的不均勻收縮和翹曲。圖414 熔膠波前速度(MFV)和熔膠波前面積(MFA)。MFV之差異會使得塑料分子(以點表示)以不同方式伸展，導致分子與纖維配向性的差異，造成收縮量差異或翹曲?！　≡谏涑龀尚蔚某涮铍A段，塑料材料的分子鏈或是填充料會依照剪應力之作用而發(fā)生配向。由于模溫通常比較低，在表面附近的配向性幾乎瞬間即凝固。分子鏈和纖維的配向性取決于熔膠之流體動力學和纖維伸展的方向性。在熔膠波前處，由于剪切流動和拉伸流動的組合，不斷強迫熔膠從肉厚中心層流向模壁，造成噴泉流效應(fountain flow effect)，此效應對塑件表層的分子鏈／纖維配向性的影響甚巨。請參閱圖415之說明。圖415 塑件表層與中心層之纖維配向性　　塑件成形之MFV愈高，其表面壓力愈高，分子鏈配向性的程度也愈高。充填時的MFV差異會使得塑件內的配向性差異，導致收縮不同而翹曲，所以充填時應盡量維持固定的MFV，使整個塑件有均勻的分子鏈配向性。MFV和MFA是流動平衡的重要設計參數(shù)。不平衡流動的MFA會有突然的變化，當部分的模穴角落已經(jīng)充飽，部分的熔膠仍在流動。對于任何復雜的幾何形狀，應該將模穴內的MFA變化最小化，以決定最佳的澆口位置。流動平衡時，熔膠波前面積有最小的變化，如圖 416所示。圖416 (a) MFA變化導致的平衡與不平衡流動；及(b)其對應的充填模式。44 流變理論流變學(rheology)是探討材料受力后變形和流動的加工特性，包括剪變率、剪切黏度、黏彈性、黏滯熱、拉伸黏度等等。熔融塑料大多呈現(xiàn)擬塑性行為，即根據(jù)指數(shù)律(power law)， ， n 1塑料受剪應力而運動時，其黏度隨剪變率增加而降低，此現(xiàn)象稱為高分子材料的剪稀性(shear thinning)。通常廠商比較常提供的塑料特性指標是流動指標MI (Melt index)，一般塑料的MI值大約介于1~25之間，MI值愈大，代表該塑料黏度愈小，分子重量愈??；反之，MI值愈小，代表該塑料黏度愈大，分子重量愈大。MI值僅僅是塑料剪切黏度曲線上的一點。(注：黏度單位1 cp = Pa?s， cp = centipoise, Pa = N/m2)其它影響塑料性質的因素包括分子量的大小及分子量分布、分子配向性、玻璃轉移溫度和添加物等。(1) 分子量的大小及分子量分布塑料的特性之一就是分子量很大，分子量分布曲線和其聚合的方法及條件對于所制造出來的成型品有密切影響。分子量大者璃轉移溫度Tg較高，機械性質、耐熱性、耐沖擊強度皆提升，但是黏度亦隨分子量增大而提高，造成加工不易。就分子量分布而言，短分子鏈影響拉伸及沖擊強度，中分子鏈影響溶液黏度及低剪切熔膠流動，長分子鏈的量影響熔膠彈性。(2) 玻璃轉移溫度(glass transition temperature, Tg)其意思即高分子鏈開始具有大鏈接移動，也就是脫離硬綁綁的玻璃態(tài)，開始較具延展性的溫度。而Tg的大小對于塑料性質有很大的影響，所以往往成為判斷塑料性質的重要指標，玻璃態(tài)時顯現(xiàn)出類似玻璃的剛硬性質，但于橡膠態(tài)時，又變成較軟之橡膠性質。(3) 分子配向性塑料材料原來的性質會隨著外來的因素和作用力而改變，例如聚合物熔膠的黏度(表示材料流動阻力)隨分子量增加而增加，但隨溫度增加而減少。更進一步，作用于材料的高剪應力所造成的分子配向性也會降低塑料熔膠的黏度。(4) 添加劑、填充材料、及補強材料對于聚合物的影響包括安定劑、潤滑劑、塑化劑、抗燃劑、著色劑、發(fā)泡劑、抗靜電劑、填充材料、及補強材料等等可以用來改變獲改善塑料的物理性質和機械性質。第五章 材料性質與塑件設計51 材料性質與塑件設計　　塑料材料的多樣性使得塑料射出成形比金屬成形更具有設計的自由度。然而，塑件的機械性質受到負荷種類、負荷速率、施加負荷期間長短、施加負荷的頻率、以及使用環(huán)境溫度變化與濕度變化等因素的影響，所以設計者必須將這些使用條件列入考慮。511 應力應變行為　　　　　　　　　　材料的應力應變行為決定其強度或勁度。影響材料強度的因素包括塑件的幾何形狀、負荷、拘束條件、成形制程導致的殘留應力和配向性。根據(jù)施加在塑件的負荷或拘束條件的不同，必須考慮不同種類的強度性質，包括拉伸強度、壓縮強度、扭曲強度、撓曲強度和剪變強度等。設計塑件時，應該根據(jù)塑件承受的主要負荷來決定材料相關的強度。將其使用環(huán)境溫度及應變率下的主要負荷所相關的應力應變行為列為重要考慮。然而，由于拉伸試驗以外的其它測試程序先天上都有準確性的問題，使得塑料材料往往只提供短期的拉伸試驗(tensile test)結果。讀者如果有其它負荷狀態(tài)的應用，應參閱相關的文獻數(shù)據(jù)。圖51說明拉伸試驗棒和預設固定負荷下的變形量，其中，應力(σ)與應變(ε)的定義為：圖51 (a) 拉伸實驗棒截面面積A，原始長度L0；(b) 于固定負荷下拉長至長度L。 　　圖 52熱塑性塑料的應力—應變曲線，可以獲得楊氏模數(shù)、比例極限，彈性極限、降伏點、延展性、破壞強度和破壞之伸長量等材料性質。圖52 典型熱塑性塑料的應力—應變曲線圖　　楊氏模數(shù)是應力—應變曲線起始直線部份的斜率。定義為： 楊氏模數(shù)經(jīng)常被用作材料強度指標。楊氏模數(shù)實際上是材料剛性(rigidity)的指標，它可以應用于工程上簡化的線性運算，例如決定塑件的勁度(stiffness)。　　比例極限是圖 53上的 P 點，曲線從這點開始偏離其線性行為。彈性極限是圖 53的 I 點，它是材料承受應變而仍能夠回復原形的最大限度。假如應變量超過彈性極限，并且繼續(xù)增加，則材料可能發(fā)生拉伸現(xiàn)象而無法回復原形，或者可能發(fā)生破壞，如圖 52所示。圖 53 局部之應力—應變曲線，其中，P點是比例極限， 經(jīng)常用作設計上的應變限度。I 點是彈性極限?！　D 54顯示相同基底樹脂材料的兩種熱塑性復合物之應力—應變曲線，其中一者添加了30%玻纖，另一者無填充料。玻纖填充料使得塑料的破壞強度、降伏應力、比例極限應力及楊氏模數(shù)都明顯地提升，并且承受較低的應變量就產生破壞。無填充料的熱塑性塑料在降伏點以上產生拉伸現(xiàn)象，使應力減小。拉伸造成剖面面積的縮小量可以根據(jù)蒲松比計算?！　∝摵伤俾剩ɑ驊兟剩┘皽囟葘τ谒芰系膽冃袨橛泻艽蟮挠绊憽D 55是半結晶塑料受負荷速度及溫度影響時之拉伸實驗應力—應變曲線。通常，在高負荷速率和低溫條件時，塑料材料顯得剛且脆；低負荷速和高溫條件時，受到其黏滯性的影響，塑料材料較具有撓性和延展性。從圖 55可以觀察到，高負荷速率使得材料的破壞應力和降伏應力大幅提高。然而，提高溫度會使得破壞應力和降伏應力降低。圖54 添加30%玻纖與無添加物之熱塑性樹脂的應力應變曲線圖55 負荷速率與溫度對于典型聚合物之應力—應變圖的影響　　加熱半結晶性塑料使之通過玻璃轉移溫度（Tg），則負荷速度、溫度等相關的效應更加明顯，結果導致塑料產生全然不同的運動行為。不定形塑料通過軟化區(qū)后呈現(xiàn)黏性流。512 潛變與應力松弛　　設計承受長期負荷的塑件時，應非常注意潛變效應及應力松弛。不論所施加負荷的大小，只要持續(xù)地施加一定量負荷在塑料材料上，塑料材料就會連續(xù)地變形，這種長期間、永久性的變形稱為潛變(creep)，如圖56所示。圖56 典型的潛變曲線，其潛變量根據(jù)負荷及時間而變化?！　∫O計承受長期負荷的塑件，必須使用潛變量據(jù)以確保塑件不會在壽命周期內產生破壞、產生降伏、裂縫或是過量的變形。雖然大多數(shù)塑料擁有在相當時間內、特定應力及溫度條件下的潛變量據(jù)，但是每個塑件設計仍需對其特定的負荷與使用條件來調整設計值。由于要針對各別設計塑件進行長期間的試驗并不可行，而且塑件將來使用期間的應力與環(huán)境條件不容易進行長期間的預測，所以，往往必須從較短的潛變試驗數(shù)據(jù)執(zhí)行內插和外插。通常，工程師使用樹脂供貨商提供的潛變數(shù)據(jù)庫獲得應變相對于時間之數(shù)據(jù)，再進行內插和外插，以獲得同一時間之應力—應變非線性曲線，如圖 57。這些曲線將取代短期的應力—應變曲線，應用于長期靜負荷之塑性設計。圖57 在固定應變下，應力隨著經(jīng)歷時間而遞減的情形。　　潛變模數(shù)(creep modulus, Ec)可以應用于固定應力或應力松弛計算。潛變模數(shù)與時間、溫度有關系，它與固定應力(σ)以及隨時間、溫度變化的應變ε(t, T)之間的關系式定義如下： 其它與潛變有關連的因素包括：˙隨著溫度的上升，潛度速率與應力松弛速率都會上升。˙只要施加負荷的時間夠久，就可能發(fā)生破壞，此稱為應力破裂(stress crack)。˙內壓力（殘留應力）應該與外應力一并考慮?！　λ沙谑菨撟兊囊环N推論現(xiàn)象。假如變形量固定，則抵抗變形的應力會隨著時間而遞減。塑料材料發(fā)生潛變的物理機構也可以應用于應力松弛。圖 57說明在固定應變下，應力隨著經(jīng)歷時間而遞減的情形。513 疲勞　　當設計的塑件承受周期性的負載時，就應考慮疲勞效應(fatigue)。承受周期性負荷之塑料應該使用比例極限進行設計。假如施加時間間距短，而且為長期的反復性負荷，應該使用SN曲線進行設計。　　SN曲線是在固定頻率、固定溫度和固定負荷條件下，施加彎矩、扭力和拉伸應力于材料，測試而得。隨著反復性負荷的頻率數(shù)目增加，造成塑件因疲勞而破壞所須的應力會降低。許多材料存在一特定的應力忍受限度，在應力低于忍受限度時，材料不會因反復性負荷造成疲勞而破壞，參閱圖 58?！　〖词怪皇┘雍苄〉膽?，根據(jù)施加應力的大小，材料承受反復性負荷時，可能在周期結束后無法恢復原狀。當施加負荷與解除負荷的頻率增加，或是施加負荷與無負荷的間隔時間縮短，塑件表面可能應為疲勞而產生微小裂縫或其它瑕疵，造成韌性降低。圖58 典型的撓曲疲勞SN曲線具有一個應力忍耐限度，在此限度以下的應力不會造成破壞。514 沖擊強度　　因為塑料具有黏彈性，其性質與使用時間、負荷速率、負荷頻率、施加負荷期間長短、使用溫度都有密切的關系。塑料的沖擊強度（或韌性）表示其抵抗脈沖負荷的能力。圖 55顯示塑料材料的沖擊強度隨著負荷速率的增加而增大。塑料材料承受高速的負荷時，會表現(xiàn)出脆性而沒有拉伸的傾向。低溫時，塑料應亦呈現(xiàn)脆性?！　∷芰喜牧铣惺軟_擊