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Topas系列COCs是Ticona 五年前作为其他通过非茂金属催化技术生产的COC材料的廉价替代品推出得。第一个年产能为6600万磅的商业化工厂于2000年开始投产。茂金属催化COCs具有优异的光学性能,流动性好,吸湿率非常低。另外,其密度要比聚苯乙烯低3%,比聚碳酸酯和丙烯酸低15%。
迄今为止,这些特性只是在挤出薄膜和片材中得到开发, COCs可以赋予注塑件生产商玻璃一样的透明性、优秀的隔水汽性、高的热变形温度和良好的电学性能。它是高模量、表面硬度高的无定型树脂。化学上,抗水解、酸、碱、绝大多数极性溶剂和含氧溶剂。
在注塑过程中,这些树脂的加工精度高、流动性好,可以填充到复杂的薄壁部位,翘曲和收缩率低。由于COCs的韧度比聚碳酸酯高25%, 适于可以浇铸薄壁产品。
COCs的物性和成型特点
Ticona公司的 注塑级COCs的玻璃转化温度(Tg)范围是70至185 Co(158-365F),相应地,它们的热变形温度范围为75至170 Co(167-338F)。Tg超过140 Co(284F)的树脂的弹性模量约为500000psi,断裂伸长率为3%-4%。Tg 较低的树脂弹性模量也低,但断裂伸长更高,可达10%。
成型后的COCs 的收缩率一般在0.4%-0.7%之间,Tg高的树脂收缩率也高,随着模腔内压力的升高,收缩率会有降低的趋势。流动方向的收缩比截面方向的稍高,因此可浇注非常扁平的部件。COCs优异的韧度和流动性意味着部件的壁厚可以低至1mm,甚至更低。
这种树脂可以浇铸特别精细的造型,用COC做成的实验室用精密元件,可以细小至10微米的复杂沟道。同样,它也可以令人信服的复制那些光学存储介质和衍射格栅等亚微型表面的花型。
目前Topas只能提供纯净的COC级树脂,但是已经开发出玻纤增强型、矿物填充型、阻燃型(达到UL 94V-2 和 V-0标准)以及抗冲击型树脂。Ticona 同时还生产出含有不锈钢纤维的树脂,具有导电功能。这些改性树脂将在商用机器、通讯设备和汽车零件如顶灯发光镜和空调风扇等领域找到新的应用前景。
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设备方面的考虑
COCs通常是在螺杆压缩比低的通用型传统设备上成型,螺杆节距一般为2.2:1至2.5:1的范围内,螺杆一般用标准工具用钢制成的浅单螺纹,它必须使树脂的熔融保持一致,否则,过高的剪切热会造成泛黄和光泽不均匀。螺杆压缩比高,会产生剪切过度,甚至使材料分化裂解。
光学部件最好在螺杆长度直径比(L/D)高的机器上加工,不易产生倾斜,并且在采用润滑级树脂的情况下,可以缩短回复时间。由于树脂的吸水性几乎可以忽略,因此料筒可以不透气。
COCs可以采用各种类型的喷嘴,但最好还是使用开式的,因为更容易拔出浇口。这种树脂同样也适用于几乎所有类型的浇口。一般倾向于风扇型浇口,因为剪切力相对较低。浇口的尺寸要足够宽松,免得产生过高的剪切热或者是被堵塞,位置最好是在零件厚的一端,其直径不低于零件壁厚的60%。Tg高于280 F的COCs必须在用油加热的模具中加工,反之,可以用循环热水系统来控制模温。
模具可以用标准的模具钢制成但必须抛光,以消除表面瑕疵。这对光学部件来说是至关重要的,它们的表面处理质量要求达到1/4波长的标准。
由于COCs缩率小, 拔模斜度要充分,特别是定经长度长的零件更是如此,这样可以避免扭曲和脱模困难。如果拔模斜度浅,零件还容易产生粘着。一般拔模斜度为2°和5°,有些情况下,也可能小到0.5°。
拔模斜度受零件长度的影响,一般必须高于成形品表面。生产商从收缩率大的材料转用COC时,必须调整模具,以便使零件能够从模具中脱出。如果模具原来加工的是聚碳酸酯或丙烯酸系树脂,则无需任何调节。
成型指南
COCs几乎不吸水,不需要烘干.如果树脂受潮,在树脂热变形温度以下,一般是在低于树脂热变形温度54 F的条件下加热两小时左右,表面的水分就干了。
在喂入COCs粒料时,可以让它们在进料口处预热至低于热变形温度的45F 至 54F,再缓慢经过冷却水,这样的粒料不那么易碎,从而也不大会产生细纹,影响部件均质。
对于熔融温度低的COCs,模具温度不应低于玻璃化温度的90F以上,熔融温度高的则不应低于54F以上。模温高可以减少银条状瑕疵,降低模内应力,保持透明性。由于COCs成型快,在温度降低至玻璃化温度的过程中,粘度迅速增加,模具因此必须足够热,以使接合线的形成降至最低。
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在260 Co时,注射级COCs的熔体流动速度在1 至 56 g/10 min之间。射出量应为料筒容量的1/4-1/2。 在一般的成型温度下,COCs可以在料筒内停留15分钟,如果停留时间可能更长,料筒的温度应降至302F,以免树脂泛黄。
一般的充填时间为1到2秒钟,成型周期从小薄壁件的10秒钟到0.5至1英寸厚的大部件的360秒钟,如果模温在与玻璃化温度相差50F的范围内,光学部件的充填时间可能延长至5至10秒。
通过提高注射速度和将模具温度控制在尽可能接近树脂的玻璃化温度附近,可以限制零件内的残留应力。对于应力低的零件,也必须避免保压时间过长和保压过大。 尽量将保压力控制在4000至7000 psi之间。
由于COCs的缩率小,使用润滑级树脂和脱模剂有助于部件脱出模具,尤其是在模芯较长的情况下。选择合适的脱模剂,以防部件表面不光洁。稍微延长保压时间,使部件在脱出之前已经消除了内应力,这样,脱模也会容易些。
COCs部件从模具中脱出来时表面光洁,很少或不需要再加工处理。在完全冷却之前,部件的表面是软的,因此刚刚成型的部件应小心拿取。若有可能,在部件未冷却时,先取下浇口。对于除浇口的冷却部件,要用带锯,因为剪切过程中容易剪断部件。
COCs在经历过多次碾磨后仍保持了物性,许多部件中可以使用最多20% 的碾磨回料,再次碾磨的COC在成型过程中可能泛黄,因此不可以制作光学部件或其他要求透明度高的部件。
在浇铸光学部件时, 要采用较高的模温、尽可能高的射出速度,以防止产生流痕。另一方面,也需要用低的射出速度来克服凹陷,空洞以及厚光学部件的双折射等问题,有时还需要一些回吸,以防止喷嘴流涎。背压高—最大可以是机器压力上限的一半—可以改善光学部件的物性,但不可以高到使部件变黄或妨碍螺杆缩回。对光学部件来说,有时保压时间短,保压力低也是好的。根据部件的厚薄,保压时间30至60秒不等。
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光学部件总的成型时间一般为2至5分钟,冷却时间可以为60秒至120秒,时间长,部件的内应力相对降低。
COCs应在热的模具中加工,以使熔体的流动长度和结合线强力最大,避免零件变脆,在应力作用下龟裂。热模具还可以减少喷射纹、银纹和结雾。
模具温度常常是降低光学部件结雾可能的决定因素。不同级别的COC制成光学部件时,均有各自使雾度保持最理想水平的模温。可以通过注射速度和模温之间恰当的平衡来控制银纹的产生,适当的背压还可以减少气泡的形成和喷嘴流涎(20%-30%)。如果透明度要求高,零件发生变色,可以在料斗上铺上氮气毯,将氮气与树脂隔绝。
COCs即使受到很少的污染也会产生气泡、黑斑、烟纹等。成型商应将料筒内、进料区和材料转换系统中的其它树脂彻底清除。最好是取下并清洁螺杆和料筒。
后加工
COCs可以进行印刷、涂层、金属化以及连接和加工等处理。它是非极性材料,不易与其他材料粘在一起,因此在印制或涂层前,要先进行电晕或等离子预处理。但金属涂层则例外,因为真空镀铝、铬、银、镍和其他金属能与COCs密合得很好,不需要预处理。
还可以用含有15%COCs的环己烷、庚烷或其他脂肪族熔剂等作粘接剂,一些聚氨酯作基材的粘接剂与COCs的密合也很好。COCs还可以用超声焊接的方式粘接,在1至3秒钟内可以焊至0.5-1深,振幅一般是15-35微米。
在对COCs进行切削、钻、铣等加工时,切削要温和,速度较慢,不致因用力过猛而使之断裂并防止过热。普通机油会腐蚀COCs, 导致断裂, 因此制冷机因为水基的,机器表面和加工工具应无油。(完)
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