如何选择和加工高密度热塑性材料

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

如何选择和加工高密度热塑性材料

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

选择和加工高密度材料需要应用、模具设计和加工领域的专门知识。本文介绍的内容将对制定高密度热塑性材料的加工方案有所帮助。

有两个因素正在推动高密度热塑性材料（TP）在不同领域中的应用，如辐射屏蔽（如图1所示）、射弹、电器组件和包装。首先是环境、健康和安全方面的需求，加速着高密度热塑性材料对铅的替代；第二是基于在不使用金属的情况下增加部件密度的需要，这是因为金属不仅限制了部件的设计自由度，还比聚合物复合物昂贵且加工过程也更复杂。高密度热塑性塑料复合物提供了很多有价值的好处，包括可持续性、无毒配方、优良的性能平衡以及通过普通方法进行熔融加工的能力。

然而，选择和使用这些材料需要专门的知识。例如，聚合物基体和高密度填料添加剂的选择，这对于材料的性能以及它在部件的生命周期内如何满足应用要求有着重大的影响。此外，在加工高密度材料时，还必须考虑与加工普通塑料相比的细微差别，包括模具设计、成型方法和工艺参数的调整（如机筒温度、加工速度，甚至材料和相关操作）。

本文提供了实用的指导和推荐的做法，以提高对高密度聚合物以及使用它们的场合和方法的了解，这对于针对不同的应用来选择合适的材料、优化模具设计和加工有很大的益处。

图1 用于检测肺栓塞的通气扫描采用一个喷雾器向病人的肺提供放射性同位素。高密度材料被用于这个应用中，以保护病人免遭辐射

对高密度材料的看法

取代铅和其他金属的高密度热塑性材料比重较大，通常介于2～11之间。相比之下，未填充的塑料如聚苯乙烯（PS），其比重为1。甚至40%长玻璃纤维增强尼龙66的比重也只有1.74。高密度配方主要提高了部件的质量，同时也避免了许多金属的缺点，包括设计限制、较高的成本、更复杂的加工以及二次操作（如机械切削）。

用高密度材料替代传统塑料，可以保持相同的部件形状，同时增加用于平衡的重量、体积、动量或是获得一种更高品质的感觉。图2、图3显示了高密度配方如何增加部件的重量。这款4 in.×6 in.（1 in.=2.54 cm）的盒子有各种形状，如底部上的浮垫。当采用传统塑料如PS制备此部件时，其重量约0.15 lb（1 lb=0.4536 kg）。而采用相同的部件设计和相同的体积，但改变材料的密度将会增加部件的重量（如图3所示）：通过选择比重为2.6的材料，部件的重量会增加至0.4 lb；如果所用材料比重为6，部件重量将增加至0.67 lb；如果材料比重为11，这款部件的重量会接近2 lb。这相当于从原来的PS到比重为11的高密度配方，部件的重量增加了987%。

与铅金属相比，高密度热塑性材料可以被制成无毒配方，这有助于满足安全和可持续发展的倡议，并提供一个拉伸强度、弯曲模量和热变形温度（HDT）的平衡。另外，其优势还在于能使用常见的成型方法进行加工。

图2 当用传统塑料如PS制造这个4 in.×6 in.的箱子时，它的重量约0.15 lb。采用相同的部件设计以及相同的体积，但改变材料的密度，将增加部件的重量。使用一种比重为11的材料，这个部件的重量大约有2 lb重

图3 采用不同比重的高密度材料制成的部件重量

去掉铅

铅的使用是环境、安全和健康领域都在关注的一个问题。在许多法律和指令下，它被严格监管，包括欧盟的限制有害物质（RoHS）和报废电子电气设备指令（WEEE），以及加利福尼亚的管道和水安全法规。

加利福尼亚还限制使用铅弹和铅粒以保护吃腐肉的野生动物。对于人类健康，特别是对婴儿和儿童而言，铅暴露可能造成不可逆的神经系统损害，导致发育困难。使用铅制产品的工人也有风险。考虑到所有这些问题，高密度聚合物正在一些应用中取代铅，如用于核医学和X射线设备的辐射屏蔽以及非毒性弹药中。

使用高密度材料来取代铅以外的金属，有许多方案，目标往往是为了实现性能上的要求而增加重量（如图4所示），或展现更高的质量（如图5所示）。例如，家电厂商正在用高密度热塑性材料来取代轻质锌压铸旋钮，以吸引消费者的注意，因为消费者常把较重的重量和较高的品质联系起来。

选择合适的材料

与其他塑料一样，材料选择的第一步是确定应用的要求。这些要求的内容涵盖了物理性能、力学性能和电气性，以及相关的环境暴露（温度、紫外线和化学物质）条件与美学标准。另外，适用的监管要求和行业标准也必须得到满足。

幸运的是，由于能把不同的树脂基体和不同类型的高密度填料（如矿物和金属粉末）相结合，因此有多种高密度材料可供选择。例如，如果需要的话，一种高密度复合物能以柔软的TPE为基体，邵氏硬度为35～40A的TPE，比重为8，拉伸强度较低为150 psi（1 psi=6.895 kPa）；而聚醚醚酮（PEEK）是另一个极端，它能提供高的拉伸强度、模量和热变形温度，比重为6的PEEK基体材料的拉伸强度几乎可以达到15 000 psi。

值得一提的是，针对不同类型的应用，适合使用的高密度材料其比重也有所区别。例如，辐射屏蔽应用可能需要的材料比重在6～11范围内，而一些低能量的屏蔽只需要比重为2～5的材料。

设计模具

高密度复合物特定的性能对于模具设计有一些影响。虽然可以按照传统的设计方法使用一个冷流道或热流道系统，并选择两板或三板模具，但是可能需要一些调整。首先是模具中使用的钢类型。对于比重低的材料和较低容量的加工，P20钢是一个很好的选择；但提高比重和体积，需要更耐磨的材料，如S7、H13或420不锈钢，因为某些高密度填料可能对较软的模具造成影响。

另外，高密度填料也增加了基体的导热性，所以应该使用短的流动长度，以促进充模完全，防止流锋过早冻结，造成高压。因此要尽量避免采用小的流道，建议使用直径稍大一点的流道。在冷流道设计中，一个完整的圆形系统可以为物料提供均匀的熔体路径。梯形配置可以避免锋利的边缘，但是倾斜的隧道式浇口可能会产生问题。由于含有大量的密集填料，高密度材料往往会变得更脆，如果脱模时弯曲过大，会产生裂纹甚至断裂。

如果使用一个热流道系统，要确保其能提供力学和热平衡的熔体流。内部或外部加热元件都要状态良好，由于温度高，推荐采用H13钢。此外，大量的高密度填料所带来的较高黏度和磨损对加热元件的要求有点苛刻，所以要确保它们坚固耐用。最后，避免阀式浇口，因为高密度材料无法提供和传统塑料一样干净的合模沿口。

关于浇口设计的建议是要尽可能延长流锋开放时间，使剪切最小化。柄形浇口、大扇形浇口、大隧道和隔膜形浇口都是可以接受的，只要它们能提供60%～80%的壁厚。较厚的壁将使流锋保持更长的开放时间。如果浇口太小（沉陷式浇口或针型浇口），在部件充模完全之前可能就会发生冻结。

高密度聚合物不需要特殊的冷却系统。你可以采用U形腔道、导流塞和水浴瓶（bubbler）。由于材料的热导率较高，因此在许多情况下，能够缩短冷却时间。

最后，当部件被推离模芯或脱出型腔时，高度填充的材料要求整个部件压力均匀。这将有助于避免由于顶杆系统中的不平衡而造成的开裂。此外，尽量缩短顶出部件落在料仓或输送机上的距离。高密度填料会降低塑料的性能（拉伸强度、耐冲击性），可能需要机械手或手工进行操作，以降低部件损坏的风险。

图4 高密度聚合物材料增强了游戏筹码的重量和平衡

图5 因为消费者常把较重的重量和较高的品质联系起来，所以制造商将为一系列家居用品选择高密度配方

加工高密度材料

注塑成型是加工高密度热塑性材料最常用的方法，但型材挤出、片材挤出和热成型也可以使用。然而，这些材料不适合于挤胚吹塑成型（较差的熔体强度）或旋转成型（非均匀壁厚）。

这里有一些加工技巧可参考：

1.采用较高的机筒温度以降低黏度和注射压力；

2.通过在每次注射中清洁冲洗热流道中的物料，以尽量减少机筒和热流道系统中的残留；

3.使用中等到较快的注射速度，以尽量减少表层的积累并避免不一致的充模；

4.在挤出过程中，使用中等的螺杆转速和较粗的滤网叠，以减少模头中的压力；

5.控制模具温度，以提供均匀的加热，水加热和/或油加热对这些材料通常是足够的。

另一个需要考量的因素是材料的装卸。这些材料都比较重，一台真空装载机无法装卸比重超过5～6的材料，此时，可能需要一台螺旋推运器系统甚至进行手工装载。

（接P8）合物适用于这一生产工艺。

Karau补充道：“我们的长期目标是开发能够移植活细胞的聚合物支架，打造真正意义上的生物植入物。”这种方式将实现软骨再生，或者以健康组织代替受损的心脏组织等。但研究人员必须首先找到提高这些材料生物相容性的方法。

伯明翰的科学家们隶属赢创战略创新部门Creavis，他们与来自医药健康和功能材料业务线的聚合物专家们紧密合作。该项目屋的团队正在开展生物相容性塑料的相关研究，应用于赢创VESTAKEEP®植入产品系列。目前，赢创医疗技术产品组合包括RESOMER®和VESTAKEEP®植入材料，以及用于成型导管和类似应用的VESTAMID®Care聚酰胺树脂。