注射成型法

由于注射成型法可以高精度高效率地制造各种复杂形状的成型品，被广泛应用于制造齿轮等机械部件和汽车部件、家电产品、办公设备、情报通信设备外壳、垃圾箱和托盘等大型成型品、食品容器、医疗器具等。

注射成型机

注射成型机跟螺杆挤出机一样由加热机筒和螺杆组成，但是螺杆后方还有一个油压缸，可以推动螺杆前进。在模具上还装备了防止模具在树脂压力下打开的锁模装置。很多情况下，都可以用锁模力来表示注射成型机的大小。

图6-11所示一系列操作所需要的时间称为一个循环。树脂的填充、冷却所需要的时间，根据成型品的大小和树脂的种类有很大的不同。循环时间短表示生产效率高，缩短循环时间是所有注射成型技术人员的共同课题。

图6-11 注射成型机的基本动作

（1）模具

注射模具的结构是由注射机的形式和制件的复杂程度等因素决定的。凡是注射模具，均可分为动模和定模两大部分。注射时动模与定模闭合构成型腔和浇注系统，开模时动膜与定膜分离，取出制件。定模安装在注射机的固定模板上，而动模则安装在注射机的移动模板上。

注射成型模具的树脂流经通路为注口、流道、浇口、模腔。注口是把从注射装置喷口喷出的熔融树脂导入模具的起点。流道是连接注口与模腔的通道。模腔是规定产品形状的部分，也是模具最重要的部分。浇口是树脂进入模腔的入口，根据形状不同有很多种（针点式浇口、潜伏式浇口、边缘浇口、扇形浇口、平缝式浇口、圆环形浇口、轮辐式浇口等）。

（2）注射成型的应用技术

为了追求精确的尺寸和种种不同形状的成型品，注射成型的技术年年在进化。在此简单介绍各种注射成型技术。

注射压缩成型：在注射成型中加上模具的压缩程序，可以提高产品的形状精度、降低残留形变。

嵌入成型：是制造金属部与树脂的复合成型品的方法。把金属部件放置在模具中，再向内射入树脂。

多色成型：不同颜色、不同材料依次填充成型的方法。

分散成型：把表面和核心两种材料在熔融状态下注射，得到表面材料不同的成型品。

气辅注射成型：向模具内的熔融树脂中压入高压气体，可以得到部分中空的成品。产品分量轻而且翘曲、缩水较少。

发泡注射成型：把作为发泡剂的气体跟熔融树脂一起混合注射，得到发泡成型品的方法。将在后面对这个方法进行详述。

反应注射成型（RIM）：在注射成型机内部，边让树脂进行化学反应边进行成型的方法。

我们周围有非常多的注射成型品。所谓注射成型，就是按所需物品的形状制作模具，然后让熔融的树脂流入模具内，固化后取出，是最常用的成型方法。

图6-12是注吹成型的瓶子。

图6-12  PLA纳米复合物的注吹成型品

（（株）资生堂提供）

生物分解塑料的注射成型中，最需要注意的是避免树脂成型过程中分解。生物分解塑料大多是聚酯，大多数很容易加水分解。而所谓“生物分解”就表示这个加水分解的速度要比非生物分解聚酯快。防止加水分解的重要因素，就是树脂颗粒中的含水率和加工温度。虽然跟树脂的种类也有关系，但基本要求含水率在300ppm以下。而成型温度的话，在树脂无未熔融残留的前提下，尽量靠近树脂的熔点和软化点，越低越好。

注射成型中，若不进行结晶化（或者说没有必要结晶化）的情况下，要尽量把模具温度设定的低一些（15℃以下），缩短冷却时间，以提高生产率（也有一些玻璃转化温度非常高的工程树脂，由于流动特性的关系无法一概而论）。另一方面，要令树脂结晶化，通过结晶提高耐热性等物性的时候，要把模具温度设为使结晶化速度最快的温度（结晶化温度）。

以聚乳酸PLA为代表，进行详细说明。PLA的玻璃转化温度在57℃左右，从熔融状态开始降温时，结晶化温度在110℃附近。由于PLA的结晶化速度非常的慢，当模具温度低于40℃时，一般不会结晶化，而是直接凝固成非晶体。像这样得到的成型品，其耐热性受玻璃转化温度支配，大概是55℃以下。对产品的耐热性没有要求时，可以用这个方法成型。耐热要求在60℃以上时，就需要进行结晶化以提高耐热性。结晶化温度可以通过DSC测定了解。

图6-13  PLA的DSC图 

（降温、升温速率均为20℃/min）

由于注射成型是把熔融状态的树脂流入模具冷却而成，所以首先需要关注的是DSC测定的降温表（图6-13  左侧为降温曲线）。由于结晶性PLA的熔点为170℃左右，在200℃熔融后，以20℃/min的速度降温。这个降温速度与实际注射成型时的降温速度很接近，所以可以比较正确地得知树脂的变化。有些实际的注射成型中速度达到100℃/min以上，这时一般也是按20℃/min的情况进行类推。由于PLA单体的结晶化速度很慢，在图6-13的测定条件下，以20℃/min速度是无法结晶化的。也就是说，在实际的注射成型中，几乎是不进行结晶化。因此，为提高结晶化速度尝试了种种方法。例如添加结晶核剂、改变树脂流动特性。图6-13 中，也给出了提高了结晶化速度后的PLA改性树脂“Telemark”（耐热级）的曲线。降温曲线上，110℃附近出现了明显的发热顶点（结晶化顶点），可以得知它的结晶化温度就是110℃左右，由此可以得出结论，如果在注射成型中把模具的温度设定为110℃左右时，可以推进PLA结晶化，得到耐热性优秀的成型品。

图6-14是模具温度为15℃，不发生结晶化时的成型产品照片。PLA具有透明性，也可以进行复杂形状的成型加工。

图6-14 注射成型产品（模具温度15℃）

左：各种挂钩、夹子等   

右：化妆品容器

对耐热性有一定要求、模具温度在110℃左右的成型样品照片见图6-15。在这种条件下成型的试验品，耐热性指标热变形温度（DTUL，0.45MPa）为100～140℃。对耐热性有要求的产品，一般对耐久性也有要求。如图6-15所示的例子中，由于实施了不易加水分解的配方，做成的食品容器可以在洗碗机中使用，也可用于家电产品。这样的成型中，为使结晶化充分进行。冷却时间比一般的树脂要长一些（30～90秒）。为了进一步实现工业化的应用，还需要进一步对树脂进行改性并缩短冷却时间。与各种树脂混合提高性能的注射成型品例子见图6-16。

图6-15  注射成型品（模具温度为110℃）

左上：可重复使用的杯子 

 左下：食品容器

右：手机外壳（（株）NTTDOKOMO，日本电器（株）提供）

图6-16  随身听外壳（SONY） 

右上：电脑外壳（富士通）

下：V2难燃性DVD播放机外壳（SONY）

注射成型后再进行热处理，可以提高耐热性等物性。对已成型冷却的产品进行热处理时，可参照DSC的升温曲线。图6-13中二次升温曲线表示从熔融状态降温后再升温的情况。因为PLA单体在这种条件下不会结晶化，所以几乎没有热量的交换。相对地，由于Telemark（耐热性）的结晶化速度较高，降温时就结晶化了，升温时就不会再结晶化，只能观测到熔点。而结晶化速度低于Telemark的样品A，由于降温时结晶化并不完全，所以升温时在110℃附近再次结晶化。热处理的温度，就可以参考这个升温时的结晶化温度。

但是，PLA注射成型时也需要注意一些问题。首先，前面已经说过，树脂的含水率必须在300ppm以下。一般，生物分解树脂都是干燥状态下用防潮袋包装出货。这种状态一般可保存半年。开封后要尽早使用，最好是通过干燥气体（干燥空气、干燥氯气等），或者料斗干燥器（除湿干燥），以消除分子量降低的顾虑。余料要封入干燥气体密封，一旦吸水，在下次使用前就要进行干燥。聚酯放置在空气中。干燥时的条件虽然跟树脂种类也有关系，一般以除湿干燥机（60～90℃，5小时）为佳。若是热风干燥机等，还要注意不带入外部湿气。其次，是收缩率。树脂熔融状态合固体状态的密度不同，大多数情况下，凝固时密度都会增大，即凝固的同时会进行收缩。所以收缩率对得到正确尺法的成型品来说就非常重要了。而结晶化进行与否会令收缩率产生很大的变化。低温模具不进行结晶化时，PLA的收缩率为0.3%~0.5％，结晶化时，虽然受结晶化度、添加物等的影响，但一般为1.0%~1.2%，所以设计模具时也必须要核实收缩率。除此之外，模具设计中还要注意的有：出模斜度、流动性、顶针、浇口、流道等的设计，以及散气孔、高温模具情况下的设计等。比如硬质树脂PLA，要把出模斜度设计得大一点，尽量避免强行脱模。流动性会随注射压力和树脂温度起很大的变化，所以要测定流道流体，设定合适的模具和注射条件。PLA（Telemark耐热、耐久级TE-8300）的流动特性如图6-17所示。可以看到随着树脂温度和注射压力的变化，流动长度产生了很大的变化。其他项目也一样，要按照打算使用的树脂特性来进行模具设计。

图6-17  PLA 耐热品（TE-8300）流动特性

注射成型的条件也要适合各树脂。乃以PLA为例，在为了提高耐热性而采用高温模具时，最好是低保压、长保压时间。保压低不易产生毛边，保压时间长可以更有效的防止缩水。另外，注射速度、保压速度较低时，可以有效的防止气纹、沉积、毛边、缩水等。

在泛用树脂的成型中，一般都会把浇口、流道的材料回收利用，以求降低成本。只要注意含水率，生物分解塑料也一样可以回收利用。图6-18就是PLA（Telemark耐热耐久级TE-8300）的回收料成型品的物性变化图。回收料100％时物性明显降低，但添加比例在少于50％情况下对物性并没有大的影响。

图6-18  使用回料的各种物性变化

（50％：混入50％回料，100％：全回料成型）

对电脑机箱和复印机等来说，难燃性是十分必要的。最一般的做法，是加入卤化物、磷化物等难燃剂，即使是生物分解树脂，也可以在只降低少许耐热性、耐冲击性、耐加水分解性，就可以得到难燃性。但是最近，从环保的观点出发，正试着避免使用卤化物、磷化物，而只使用金属的氢氧化物。虽然只加氢氧化物就可以得到难燃性，但它与物性之间的平衡仍有改良的空间。

综上所述，生物分解塑料可以与通用树脂一样采用注射成型。但是，就算是通用树脂，也有各自不同的最佳条件和模具设计，如果不是适合该树脂特性的条件和模具，就无法发挥该树脂的真正实力。但是从另一方面来说，对树脂进行改性，使其在其他树脂用的模具上也能使用，是今后成本削减的重要课题。