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GLS公司的热塑性弹性体TPE加工指南

文章出处:责任编辑:人气:-发表时间:2015-09-28 10:11【

热塑性弹性体(TPE)是通用型耐久材料,与传统的热固性体系相比,它们有许多独特的优越性。这些优越性不仅体现在物理性质方面,而且体现在各种工艺过程所实现的经济效益方面。


TPE的优点:

• 无需混炼

• 无需硫化

• 成型时使用标准型热塑性塑料加工设备

• 加工快速(加工周期短)

• 热稳定性强

• 可回收利用

• 染色深度范围广

• 可供应透明的品种

• 可上漆

• 可印刷

• 可焊接

• 可用重叠模塑的方式成型在各种基底材料上

• 可发泡成型

至于何种TPE 最适合于某一特定的应用,则取决于所寻求的目标性质以及即将采取的工艺步骤。虽然存在各种各样的TPE,本加工指南只对三种体系的TPE 作基本介绍:苯乙烯类嵌段共聚物(SBC)、热塑性硫化胶(TPV),以及热塑性聚氨酯(TPU)。


TPE的加工:

SBC、TPV 及TPU的注射模塑

TPE 可以用标准型热塑性塑料加工设备来加工。虽然柱塞式注塑机已成功地用于加工某些TPE,我们还是推荐采用传统的往复式螺杆注塑机来加工此类材料。


SBC、TPV 及TPU的挤压成型

同注射模塑一样,TPE 的挤压成型也可以用通用型螺杆来成功地实现。除了挤压方面,其它需要考虑的因素如下:


螺杆设计考虑因素

• 采用单级、三区式聚烯烃类计量螺杆

• 长径比至少为24:1(用于TPV 和SBC)

• 对于厚壁挤压,长径比至少为24:1(用于TPU)

• 对于薄壁挤压,长径比至少为30:1(用于TPU)

• 压缩比为 2.5:1 至3:1

• 推荐在加料喉管处进行冷却

• 要避免采用螺杆冷却

• 采用平板式模头时,要避免死角或滞流区


SBC、TPV 及TPU的干燥

水分既能造成加工方面的问题,也能造成外观方面的问题。由于SBC、TPV 及TPU 在化学性质方面的区别,加工时需考虑到不同的干燥因素。TPE 的干燥方式直接取决于TPE 的吸湿特性。

TPV 和TPU 与SBC 相比,相当容易吸湿,故推荐使用干燥剂进行干燥。尽管SBC 不吸收水分,而且通常不必干燥也能顺利地成型,但如果注塑成型后外观方面的问题很明显时(表面难看),也许有必要进行干燥。


SBC的干燥

由于SBC 不吸收水分,故通常不需要进行干燥。在某些外观是很关键的应用中,在加工SBC 前用热空气在125°F (50°C) 的温度下干燥2 至4 小时,可稍微得到一些改善。


SBC、TPV 和TPU回收料利用方面的考虑

很多TPE 的浇道、流道结块及废零件,都可以在粉碎后重新利用。这种特殊的经济优越性,是传统的热固性体系无法与之相比的。

在粉碎TPE 时,由于它们的各种软品种具有高延伸率和高抗撕裂强度等特性,故需要用高质量的粉碎机把它们完全地粉碎。只有那些具有高质量支承轴承和坚固框架的粉碎机,才能维持所必需的公差精度,从而保证旋转刀和固定刀床之间所必需保持的间隙。在粉碎TPE 时,每次只能将少量的废零件加入粉碎机。若加入太多的废零件,则会使热量在粉碎机中积聚,从而使粉碎过程变得困难。过分的热量积聚,会导致材料重新结块,或堵塞。


粉碎后的SBC 的掺混比例

我们总是推荐,由加工者针对其特定的应用,来确定粉碎料与新原料之间的恰当掺混比例。业已发现确定此比例的一个好的起点是,将25%的粉碎料与新的SBC 掺混。然后根据所得到的性能和所预期的性能,再提高或降低这一比例。


粉碎后的TPV 的掺混比例

如前所述,我们总是推荐,由加工者针对其特定的应用,来确定粉碎料与新原料之间的恰当掺混比例。业已发现确定此比例的一个好的起点是,将20%的TPV 粉碎料与新的TPV 掺混。然后根据所得到的性能和所预期的性能,再提高或降低这一比例。请注意,在加工前,粉碎的TPV 必须与新的TPV 一样进行干燥。


粉碎后的TPU的掺混比例

同样地,我们总是推荐,由加工者针对其特定的应用,来确定粉碎料与新原料之间的恰当掺混比例。业已发现确定此比例的一个好的起点是,将15%的TPU 粉碎料与新的TPU 掺混。然后根据所得到的性能和所预期的性能,再提高或降低这一比例。请注意,在加工前,粉碎的TPU 必须与新的TPU一样进行干燥。


建议采用的SBC、TPV 和TPU粉碎料的起始掺混比例

TPE体系  粉碎料/新原料的起始比例      说明

SBC          25/75      此比例取决于产品性能

TPV          20/80      此比例取决于产品性能

TPU          15/85      此比例取决于产品性能


采用注射模塑时对于工件结构的考虑


模具类型

两板式和三板式的模具结构被普遍地用于TPE。热流道模具和叠层式模具也可用于TPE。热尖式和阀门式浇口也可使用。但不推荐使用自我绝热式热流道模具。


与低导热性的模具相比,用高导热性金属所制成的模具,可使TPE 达到较短的循环周期。对于原型和使用次数有限的模具,可使用铝制模具。由于铜铍合金的传热效率是钢的两倍,如果适当地进行冷却,它将会缩短循环周期。铜铍合金可用于制造吹塑用模具和某些注塑用模具。预硬化钢(P20)所制成的注塑模具是非常耐用的,从长远来说具有较低的按工件计平均成本。经二次硬化处理和研磨的模具则最为耐用。


TPE 相对于大多数模具材料的摩擦系数均很高,并倾向于粘附在无拔模斜度的模腔内,或收缩在长的型芯材料上。TPE 从表面经过喷沙处理或放电加工处理的模具脱模较易。表面经过喷丸处理的钢材,则达到了很好的效果。较大的拔模斜度(每面3.0 度)也许会有所帮助,或许还有必要在模具表面涂一层脱模涂料。聚四氟乙烯或二硫化钼类型的浸渍模具涂层,对于较软的TPE 会有些帮助。某些混炼物里则含有内在的脱模剂。


壁厚

为了适应产品功能方面的需要,工件的壁厚可能得有所变化,但应尽可能地保持均匀,以达到最优化的加工周期,并减少出现塌陷和流动痕迹的可能。壁厚的变化应该是逐渐性的过渡(或至少是弧度形的过渡),以利于流动状态的过渡。工件结构、模具结构,以及浇口的位置应予以综合考虑,便于物料从较厚的部分流入较薄的部分,从而达到最佳的外观和工艺裕度。


对于壁厚变化很大及从薄壁部分向厚壁部分填充的工件,当熔体进入厚壁部分时,也许会脱离模壁。这样就可能会产生熔体的反向填充,并造成表面的焊缝线。如果某一段的壁厚变化很大,当该段熔体以不同的速率冷却时,可导致工件发生翘曲。如果熔体的流动受到模具内部或表面的型芯销、陡坑、或突起之类的干扰,也可产生流痕或涡痕。使用表面有纹理或毛面的模具,涡痕和流痕线则可能被掩饰掉或减少到最低程度。


浇口的设计和位置

TPV 和SBC 均是具有切变稀化特性的材料。因此,它们得益于浇口处的剪切应力,使得模腔的填充较为容易。推荐使用直径小而且短的浇口。对于TPV 和SBC,建议浇口尺寸为被填充部分壁厚的20 至30%。

TPU 不具有切变稀化的特性。横截面积较大的浇口使得物料能自由地流动,而且压力损失为最小。推荐TPU浇口的尺寸至少为模壁最厚处的50%。对于TPU 的加工,高度推荐采用扇形浇口和突缘浇口,而不推荐采用针形浇口。我们还推荐要尽量缩短浇口的长度。很多常见的问题,如填充不足/堆积以及尺寸控制不好等,往往与浇口的尺寸和结构有关。浇口的位置极为重要,为了得到美观的工件,需要仔细地斟酌。通常推荐的浇口位置如下:

浇口应位于如下区域:

• 处于横截面最大的部分,以保证充分填满并消除塌陷的隐患。

• 使得浇口附近的残余模塑应力不会影响工件的性能。

• 使得可能产生的焊缝线被减少到最低限度。

• 使得在外观最关键的部位可能产生的流痕线被减少到最低限度。

• 可以达到浇口的人工切除和自动切除

• 流动途径和所受的干扰 (如围绕型芯和型芯销的涡流) 被减到最低限度。

• 使得有可能采用隧道式浇口,以便实现浇口的自动切除


流道

模具的平衡很重要,要使得所有的模腔能同时并在同样的压力下被填满。如果模具不平衡,某些模腔也许还未被填满,而其它模腔却已被过分地填满或发生溢料。 工件可能会变形或翘曲。

最好是采用全圆形的、梯形的、或变相梯形的流道。应避免采用半圆形的流道。流道的长度应尽可能地短。通常采用带有阀门式浇口的热流道系统,以减少浇口残余并缩短循环周期。主流道尺寸应足够地大,使得熔体进入模腔前的压降能减到最小。在流道所有的转折部分,均应设置冷料收集井。


浇道

浇道应尽可能地短,并顺注射方向抛光。为了缩短循环周期和消除软品种粘结在浇道上的现象,往往使用热的浇道套管。在用硬度较高的材料所制工件的设计中,根据TPE 的品种和软硬程度(材料的柔软性),将使用锥形、Z 形拉钩以及“圣诞树” 形的浇道拉钩。

将TPE与其它材料结合:粘结和重叠模塑


TPE 经常用于生产软的或弹性的人机接触介面材料,以包覆在较硬的结构件上。可以将TPE 用各种各样的技术粘结在该结构件上,也可以将TPE 用“插入”模塑或“多次注射”的方式,“重叠模塑”在工程材料上。


TPE 的粘结

TPE 可以用各种各样的技术来粘结。以下所列的是用于TPE 的各种不同技术:

非注射模塑的粘结技术

• 粘结剂

• 热粘结

• 电磁场(emf)

• 射频(rf)

• 热封贴膜

• 溶剂

• 摩擦和摩擦焊接

• 超声焊接

用于TPU 最普遍的是射频、超声焊接、溶剂以及热压技术。典型的应用包括足球胆、阀门和传送带。


重叠模塑

重叠模塑将两种材料在制造过程中结合为一个整体,而不需要采用诸如胶粘或焊接的第二步操作。TPE 经常用于生产软的或弹性的人机接触介面材料,包覆在较硬的结构件上。如果这些材料在化学上是互相兼容的,那么在两种材料之间可能会产生键合,而不需要机械上的连结。


插入模塑

这类重叠模塑是通过所谓插入模塑的两阶段操作来完成的。刚性较大的工件在第一台机器上制造,而弹性体则是在第二台机器上以注射模塑的方式包覆在该工件上。模具和工件的结构有一定的限制。此刚性工件必须很好地固定住,而且具有足够的刚性,使得当弹性体进入模具并冲击到此工件上时,它能抵抗很高的液压力。穿梭式成型机或回转式成型机被普遍地得到使用。当基底材料是金属或热固性材料时,或基底材料需要涂底层涂料时,可采用插入模塑。当不具备多次注射设备时,也可采用插入模塑。

多次注射(两种材料模塑)

这类重叠模塑工艺使用一台专门的机器,它具有多个塑料加工机筒和一套围绕枢纽转动的模具。多次注射模塑要求所有的组分均为热塑性塑料。


TPE的上漆/印刷/打标

所有的TPE 均可以上漆、印刷,并可采用各种技术来打印标记,包括传统的移印或激光打标。具体使用哪种技术将取决于TPE 的类型和用途。在本指南中所讨论的三种TPE 中,TPU 是最容易上漆和印刷的。TPU 不需要涂底层涂料,并与传统的乙烯基油墨配合得很好。


吹塑成型

与热固性橡胶不同,SBC 和TPV 可用挤压或注射吹塑成型的方式来制造中空的物件。吹塑成型要求熔体具有高粘度(低流动性)及高熔体强度。SBC 和TPV 在以挤压吹塑成型的方式,进行低切变(低速)加工时,显示了高熔体强度和高粘度。此方法最好是用于成型在坚硬的型芯上、但随后该型芯又必须除去的应用。连续式的挤压和间歇式的型坯料滴法是被普遍采用的。关于此替代方法的进一步资料,请与您的TPE 供应商联系。


压缩模塑

对于因设计或制造成本方面的原因,不能采用注射模塑来制造的工件,压缩模塑是加工TPE 的一种替代方法。压缩模塑所制造的TPE 工件,没有模塑应力,而且在很广的温度范围内其尺寸均很稳定。由于压缩模塑是两维的,设计上的灵活性也许有限。关于此替代方法的进一步资料,请与您的TPE供应商联系。


发泡成型

SBC、TPV 以及TPU 均可以发泡方式成型。有很多种技术被用来生产泡沫TPE。当一种关键性气体在聚合物基体内膨胀时,便产生了蜂窝状结构(泡沫)。至于如何将该气体引入聚合物,正是区分各种不同技术的微妙之处。

用于TPE 的发泡技术

• 水注射

• 气体注射

• 经混炼加入的化学发泡剂

• 经掺混加入的干型化学发泡剂


目前,TPV 是用水注射、经混炼加入的化学发泡剂、经掺混加入的干型化学发泡剂,以及在机器内掺混加入的化学发泡剂来发泡成型的。泡沫SBC 是用干的、经掺混加入的化学发泡剂和气体注射的方式而制成的。TPU是用各加工厂商各自选择的发泡剂和方法来发泡成型的。

溶液加工


SBC 和TPU 可以溶解在很多种溶剂内,用作溶液涂料、溶剂粘结剂体系,以及喷雾型涂料。通常,这些TPE 溶液的固含量可达15% 。这些溶液的加工时间取决于温度及所用的混合溶剂。溶液加工的TPE 例子有:录音带、录像带、家具的表面涂层、纤维涂层,以及作为底层涂料的粘结剂。


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