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TPU注塑成型：工艺、材料与过程控制指南
创建于02.02
TPU注塑广泛用于生产柔韧而耐用的塑料部件，适用于要求严苛的应用。凭借其宽泛的硬度范围、出色的弹性和对磨损及化学品的强耐受性，TPU已成为需要高性能和设计灵活性的行业的首选材料。
本指南将解释什么是TPU，以及TPU注塑是如何工作的，以及如何优化材料、设备和加工参数以获得一致的结果。
什么是TPU？了解热塑性聚氨酯
热塑性聚氨酯，通常简称为TPU，是一类独特的聚氨酯塑料，具有许多特性，包括弹性、透明度以及对油、油脂和磨损的耐受性。从技术上讲，它是一种热塑性弹性体，由由硬段和软段组成的线性分段嵌段共聚物构成。
TPU的核心优势
TPU 是一种介于橡胶和塑料之间的材料。它的优点如下：
- 非常弹韧：它可以大幅度拉伸然后迅速恢复原状。
- 坚固耐用：与普通 PVC 相比，它能承受重载并更耐磨损。
- 耐化学腐蚀：接触油、油脂或溶剂时不会分解。
- 可在不同温度下工作：寒冷时保持柔韧，温度升高时也能保持良好性能。
- 多种硬度选择：您可以使TPU像橡皮筋一样柔软，或像坚韧的塑料一样坚硬。
TPU 与其他材料对比
与需要冗长固化过程的热固性橡胶不同，TPU 可以在传统的注塑设备上进行加工。这使其在批量生产中更有效率。与 PE 或 PP 等标准塑料相比，TPU 提供了显著更好的耐磨性和触觉“抓握力”，因此它是保护壳、汽车衬套和鞋底的首选材料。
TPU 材料注塑基础知识
在开始制作任何东西之前，了解您使用的 TPU 颗粒的基础知识至关重要。
聚醚 TPU 与聚酯 TPU
TPU 主要有两种类型：
- 聚酯 TPU：非常适合抵抗油污和磨损。它经常被用于接触燃料的机械部件。但水会使其分解。
- 聚醚 TPU：在寒冷环境下保持柔韧性，并且能很好地抵抗水分侵蚀。它最适合用于潮湿或有细菌的环境，例如医用导管或户外装备。
选择合适的硬度
TPU 的硬度通过肖氏 A 和肖氏 D 量表进行测量肖氏 A 用于较软的材料（如 60A 至 90A），肖氏 D 用于较硬、更具刚性的材料。选择正确的牌号非常重要，因为它会影响材料的收缩率以及您所需的注射压力。
材料的储存和准备
TPU 极易吸收空气中的水分。即使颗粒中含有少量水分，也可能导致气泡、痕迹和部件强度不足等问题。务必将 TPU 存放在密封容器中，并在使用前进行干燥。
能否注塑软质 TPU？硬度和工艺影响
制造商常问的一个问题是：能否注塑软质 TPU？答案是肯定的。硬度低至 60A 甚至更低的 TPU 牌号常用于注塑成型。然而，材料越软，工艺就越“难以捉摸”。
软质与硬质 TPU 的加工
- 软质 TPU (60A - 85A)：这些材料具有较高的摩擦系数。软质 TPU 通常会粘在模具上，难以取出。此外，您需要保持熔体温度较低，以防止喷嘴滴料。
- 硬质 TPU (90A - 70D)：这些材料更像普通的工程塑料。它们的流动性更好，冷却速度更快，但您需要使用更高的注射压力。
超软 TPU 的挑战
非常软的 TPU 在注塑机的进料区域可能会发生弯曲。为了解决这个问题，专家们通常会使用压缩比较低的特殊螺杆。他们还会确保模具表面进行纹理化或涂层处理，以防止零件在顶出时粘连。
TPU注塑成型工艺的详细步骤
要获得高质量的成品，需要在注塑周期的五个阶段采取严谨的方法。
- 材料干燥：这是最关键的步骤。TPU的湿含量必须低于0.02%。使用干燥剂干燥机，在80–110°C下加热至少3到5小时。
- 进料和熔化：干燥后的颗粒进入料斗，并被螺杆向前输送。当颗粒穿过料筒的加热区域时，它们会转变为均匀的熔体。
- 注射：螺杆充当柱塞，将熔化的TPU注入模腔。此处需要高精度，以确保模腔在不产生“飞边”（多余材料）的情况下被填满。
- 冷却与固化：型腔注满后，材料需要冷却。与某些其他塑料相比，TPU 的结晶速率相对较慢，因此冷却时间可能稍长，以确保部件达到足够的硬度以便顶出。
- 顶出与后处理：模具打开，顶针将部件推出。某些 TPU 部件可能需要“退火”（在烤箱中进行后加热）才能达到最终的物理性能和尺寸稳定性。
TPU注塑机要求
TPU注塑 并非绝对需要特殊机器，但由于 TPU 的特性，您确实需要将标准设备设置得恰到好处。从螺杆和料筒开始：一个普通的、长径比为 15:1 至 20:1 的三区螺杆效果很好，只要它有一个阀门来防止物料回流即可。选择合适的喷嘴也很重要。通常建议使用开口喷嘴，以防止堵塞和热损伤，而针阀式喷嘴可能会发生这种情况。
良好的结果也取决于模具设计。您需要考虑TPU的收缩率（通常在0.5%到2.0%之间），并确保良好的排气以避免烧伤。由于TPU（主要是较软的类型）容易粘模，请添加至少5到6度的拔模角度，以便零件轻松脱模。
TPU的最佳温度设置
温度控制是完美零件和报废品的区别所在。TPU对热降解很敏感，因此应仔细监控温度曲线。
机器区域 | 软TPU (60A-85A) | 硬TPU (90A-70D) |
后部区域（进料） | 170 – 190°C | 190 – 210°C |
中部区域 | 180 – 200°C | 200 – 220°C |
前区（喷嘴） | 185 – 205°C | 210 – 230°C |
熔融温度 | 190 – 210°C | 210 – 235°C |
模具温度
模具温度通常应保持在 15°C 至 50°C 之间。较冷的模具会缩短周期时间，但可能会增加内部应力。较热的模具可以改善表面光泽并减少流痕。
其他关键工艺参数
除了温度之外，还有其他几个设置决定了 TPU 材料注塑成型的成功与否。
参数 | 推荐设置 | 冲击 |
注射速度 | 慢到中速 | 高速可能导致剪切加热和材料烧焦。 |
注射压力 | 20 – 100 MPa | 取决于零件的复杂程度和材料的硬度。 |
背压 | 0.3 – 1.5 MPa | 低背压可防止过度剪切和空气卷入。 |
螺杆转速 | 20 – 50 RPM | 保持熔体均匀，避免材料过热。 |
常见错误规避
- 过热：如果熔体在高温下在料筒中停留时间过长，TPU 链会分解，导致部件变脆。
- 干燥不足：这会导致表面出现“银纹”和拉伸强度显著下降。
- 高注射压力：使用过高的压力会导致零件“过填充”，使其在不发生变形的情况下几乎不可能从模具中取出。
结论
TPU注塑提供了一种多功能的解决方案，可用于制造耐用、柔韧且高性能的组件。通过理解聚醚型和聚酯型之间的区别，确保严格的干燥规程，并微调温度和压力设置，您可以生产出高质量的零件，并最大限度地减少浪费。
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