注塑成型时 气体产生原理有了新的评价方法

1.导言

制造业所处的环境正在发生急剧变化，为了适应“汽车电动化、自动化”和“小型化、轻量化”等时代的要求，高质量、高精度树脂成型产品的需求随之高涨。为满足这一需求，树脂材料应该具有更高的性能。业界通过混合各种各样的添加剂为材料附加新功能，以期实现高性能。但是，由于成型条件苛刻（高温、高速）和添加剂的劣化而产生大量分解气体，从而对质量造成极大影响的情况并不少见。

特别是在注塑成型领域，由于热分解气体产生的模垢（MD），以及发生气体烧焦或填充不足的问题会造成产品的尺寸、外观等质量问题，成为不良率增加的主要原因。因此，目前有许多制造商为了解决这个问题而投入了大量的人力和时间。

例如，为了避免引发不良，保持成型品的高质量水平，就要如图 1所示频繁地调整排气口。结果，随之而来的维护成本导致制造成本上升，从而造成产品价格竞争力下降，这样的事例不在少数。

塑料在受到类似注塑成型那样的高温作用时，必定会分解出气体。然而，以前尚不清楚该热分解气体的产生原理。由于这是在黑箱化的模具之内发生的现象，原理并不清楚，因此也难以针对该问题制定合适的对策。
为此，宝理塑料针对成型时产生的气体，致力于开发捕集和评价的独有方法，并已取得成功。公司将其命名为“注塑成型时产生气体的评价法（Gas Investigation Method in Injection Molding，以下简称GIMIM）”，通过使用此方法，可以阐明注塑成型时热分解气体的产生原理。本文将说明通过GIMIM方法探明的成型时产生气体的原理和模垢的概况。

2. 开发背景

2.1 模垢的产生
注塑成型时，附着在模具表面、缝隙和分模线等之上的堆积物被统称为模垢（MD）。产生MD的原因有很多，表1展示了其主要原因。
不仅仅是成型树脂的热分解，渗出、剥离也会产生MD，而除了成型树脂以外，其他预想不到的原因也会导致产生MD。
图2为MD产生原理的示意图。①为因成型品剥离而产生的MD，在此不展开详细说明。本文将对因②物理吸附以及③化学吸附而产生的MD进行说明。

(1) 物理吸附
通过范德华力吸附在带正电的金属表面。可以说这是MD附着在模具上的最基本原理。
(2) 化学吸附
共享表层原子间电子的共价键和氢键的情况，就属于此种类型。容易在（1）物理吸附层上形成。

2.2 现有评价方法与课题

旨在调查注塑成型时热分解气体等导致产生模垢（MD）原因的分析方法有很多，大致可分为两类。一类是分析粒料加热后产生的分解气体的含量和成分的方法（此处称为“粒料基础法”）；另一类是进行实际成型后，分析附着在模具上的MD的方法（称为“模具基础法”）。

在粒料基础法中，将加热分解产生的气体输送到分析设备后，分析其成分和含量。通常是使用气相色谱质谱联用仪（以下简称GC-MS）等，而如果使用FID（火焰离子化检测仪）等则可进行高精度的分析。然而，虽然是高精度的分析，但没有反映成型机的热力过程，而且由于是在惰性气体氛围下进行分析，因此观察到的现象与实际的成型工序相差甚远。

与此相对，模具基础法中使用的是所附着的MD，该方法更接近成型工序。因此，该方法被广泛运用，其中一个例子是“MD重量法：反复进行成型，通过实际附着在模具上的MD重量和外观来观察分解物的方法”。然而，即使是模具基础法，由于对包括成型机和模具结构在内的环境依赖性相当大，与实际结果不一致的情况也并不少见。

该公司从以前开始就使用上述分析设备和模具基础法对气体、MD问题进行材料性能分析，并根据积累的树脂材料知识和成型技术，针对模具维护保养周期和气体问题等广泛提出了对策方案。但是，有时也会遇到难以解释的情况。最主要的原因，正在于成型时产生气体的相关原理仍未被充分阐明。

另外，由于各种假设泛滥，而且气体问题的再现性低，这些情况也成为了深究成型时气体产生原理的阻碍。
在此背景下，该公司开发了一种创新方法用于评价成型过程中产生的热分解气体，将过去难以解决的材料、成型机、模具与气体和MD问题相关联，成功阐明了其原理并提出了新的对策方案。

3. 技术概要

注塑成型时产生气体的评价法（简称：GIMIM）使用在“2开发背景”中描述的分析设备，是模具基础法的复合型评价方法。采用模具基础法捕集气体，使用GC-MS设备对其成分进行定性和定量分析，确定产生的是何种气体，从根本上改善气体产生源头，该方法是宝理塑料独创的划时代方法。其评价体系如图3所示。
体系结构简单，分为“塑化―计量―射出”三个阶段，为了能够捕集到各个过程中产生的气体，该公司在各单元中设置了气体捕集器。

然后，根据目的进行约1~10次射胶的实际成型，使用GC-MS分析捕集到的气体。如果仅使用热分解GC-MS（Py-GC/MS）分析成型品和树脂粒料，这样并不会产生与成型具有相同热历史的气体，测量氛围也会因为惰性气体而与成型时的环境大不相同。与此相对，GIMIM是直接捕集成型时的气体进行分析，因此能够反映成型时的情况。这样的差异很可能造成与实际现象之间产生差距。两者间的对比如表 2所示。使用GIMIM可以测量导致产生MD的高分子量成分。

GIMIM进一步将模具基础法具有的接近实际现象的再现性升级进化，与高精度分析设备相结合，择取两者优点，是一种接近实际现象的高精度分析方法。

4. 成型时产生气体的原理

在图3中，用③捕集塑化计量时在料斗下方产生的气体，用②捕集在计量部位产生的气体，用①捕集射出时在模具内产生的气体，分析结果如图4所示。

在③塑化时（料斗下方）和①射出时（模具内）检测到多个峰值。在②计量时（计量部位）几乎检测不到峰值。树脂受到的摩擦发热量大，暴露在大气中进行塑化及射出时会产生大量气体。但在计量时，树脂与氧气的接触被控制在最低限度，可以认为，在数次射胶中不会发生足以被检测到的气体。综合考虑上述情况，可以说塑化时产生的气体是从料斗侧排出，流入模具的气体就是射出时产生的气体。

其次是射出时的热历史。使用热成像仪观察从喷嘴排出的树脂，从而能够确认到由射出速度引起温度上升的情况（图5）。图的左侧为流涎时，右侧为射出时，可以看到射出时的树脂温度变高。将这样得出的各种成型条件下的树脂温度汇总而成的结果如表3所示。有的条件，与流涎时相比，会引起100℃以上的温度上升。

从这个实验结果可以得知，导致形成MD的高分子量成分气体，并非在塑化部位和计量部位产生，而是由于射出时的喷嘴到前端部分的树脂温度急剧上升而产生。

5. 结语

以上针对注塑成型时产生的热分解气体，介绍了新的测量和分析方法“GIMIM”。此方法直接分析填充时模具内产生的气体，因此得出的结果更接近实际情况。宝理塑料将进一步推进研讨，希望有助于提出防止因气体产生MD的对策。

来源：荣格-《国际塑料商情》


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