塑膠材料的收縮與翹曲(一)
前言
在射出成形製程中，當高溫塑膠熔膠射入模穴後開始進 行冷卻時，因材料熱漲冷縮的特性，所以會使塑料在冷 卻的過程中，持續伴隨著材料比體積 (specificvolume) 的減小，此冷卻過程所產生的體積減小，就是塑膠材料 的收縮現象。此收縮現象會持續進行直到成品冷卻到室 溫條件後，體積收縮變化才達到平衡狀態。然而有的材 料甚至會在室溫條件下，或因為吸濕、照光、受熱等狀 況，而啟動了產品內部的應力釋放，所以會再造成產品 體積上的持續收縮變化，此現象即是所謂的產品後收 縮，所以一般要檢驗產品尺寸是否已穩定沒有收縮變形 狀況,會去要求產品需靜置48小時後，再進行尺寸上的 量測。
產品翹曲
而所謂的產品翹曲就是指成型產品的表面外觀發生變 形，使的產品外型無法依照設計上的外觀尺寸及形狀。 如果產品的整體收縮相當均勻，那產品就不會發生變形 或是翹曲的現象。換言之產品的變形或翹曲現象，主要 的形成原因就是在產品的局部位置上,發生了不均勻的 收縮現象。然而造成產品不均勻收縮變形的原因有許 多，例如：在成型過程中所產生的產品內部應力(流動 應力或收縮應力)，或是因為產品在某些位置上發生較 劇烈的分子鏈定向效果或補強纖維的排向現象，或是在
成型時產品的整體溫度分佈差異很大或溫度變化不一 致，或是在成型過程中產品的作用壓力差異極大(例 如常見在澆口附近發生過飽壓現象，遠離澆口的流動 末端卻飽壓壓力不足等)，或是在產品厚度方向不同 位置上，於成型冷卻固化階段時，所感受的壓力程度 也不盡相同等等‧‧，因為造成產品不均勻收縮的原因 很多，且會互相影響；所以要使產品在成型後能有較 均勻的收縮，且產品的變形及翹曲程度能被接受或是 可藉由成型條件來調整控制，都需要先對塑膠產品的 收縮及翹曲特性有所了解。
材料種類對產品收縮的影響
非結晶性塑膠具有較低的收縮量值，所以非結晶性塑 膠相較於結晶性塑膠會有較佳的均方向性。對於射出 產品，常常會因為產品的厚度分佈或是澆口位置或澆 口型式的設計不同，使得在射出充填時，會因為流場 的高剪切作用而在流動方向上產生高度的分子定向效 果，此分子定向效果也會造成產品整體的收縮作用發 生了異方向性或不對稱性，也就是說在流動方向與垂 直流動方向上的塑料收縮作用將會不一樣。通常射出 件產品會在流動方向，因具有較嚴重的分子定向效 果，而產生了較大的收縮量。另外產品的肉厚也會造 成不同的收縮程度，一般而言，較厚的產品或成品中較厚的區域，會因為其冷卻速率較慢，而比較薄產品 或較薄厚度區域，產生了較高的收縮現象。
結晶性塑料因為在冷卻過程中會伴隨結晶作用產生， 分子鏈會互相作用緊密排列形成結晶區域，造成更多 的體積減少，所以結晶性塑料會具有較大的收縮量 值。塑料在射出加工時，所產生的結晶度程度，也會 影響到產品的收縮量。所以一般結晶性塑料會顯示出 異方向性的收縮量值，特別是在產品厚度有變化的產 品上，此異方向性收縮特性就更顯著。 .在產品上較 厚的區域因為塑料在此的冷卻速率較慢，分子鏈有足 夠的時間可以排入結晶位置，進而可產生較高的結晶 度，所以在此較厚區域上的收縮量值也會較大。
材料配方中添加劑或補強材對收縮及翹曲影響
對於非結晶塑料或結晶性塑料，如果塑料配方中添 加了顆粒狀或是片狀的填充劑-filler(例如無機類填 充劑 Talc,CaCO3,Mica, 玻璃珠 -glassbead 等等 ..)， 都會降低塑料的收縮量值且可產生較為均勻的整體收 縮，而這些添加無機添加劑配方的塑料，一般會有 較高的剛性值 -( 抗折模數 -FlexuralModulus)，但是 會降低塑料的耐衝擊強度 ( ImpactStrength)。塑料 如果配方中是添加補強材，例如玻纖(GlassFiber)、 碳纖 (CarbonFiber) 等長徑比較大的纖維補強材，因
圖1:塑膠材料的收縮與翹曲
為流場的高剪切作用，會造成纖維補強材的纖維定 向現象，所以一般纖維補強塑料射出件，在垂直流 動方向 (cross-flowdirection) 的收縮率會比流動方向 (flowdirection)來的高，所以加纖補強塑料的射出件 其變形量及翹曲量的議題，纖維的排向效果將是一項 重要的影響決定性因素。
對於沒有添加補強纖維的純塑料而言，其射出成型品 的翹曲現象主要是受到產品的厚度分佈與模溫分佈所 影響。產品厚度厚薄差異太大或是公母模溫溫差差異 過大或是局部模溫溫差過大都會造成成品產生較嚴重 的翹曲現象。對於纖維補強塑料而言，塑料組成中的 補強纖維(玻纖、碳纖、有機纖維等)具有高剛性及 極低的熱收縮性特性，所以補強纖維會去抑制塑料的 整體收縮。且由於補強纖維具有較大的長徑比，在射 出充填時會有流動的排向效果，造成補強纖維塑料射 出產品的收縮量值是具有非均方向性的，一般補強纖 維塑料射出件在沿著纖維的排列方向上(一般是流動 方向)相對於其垂直方向，會具有較小的收縮量值。 相同原因，對於添加長徑比值接近一(形狀近似圓形 的添加劑)的粒狀填充材塑料而言，雖然其射出產品 的收縮量值會比純料來的小，但所表現的非均方向性 就沒有纖維補強塑料產品那麼明顯。■