浅析塑料颗粒的堆积密度、固体密度和熔体密度

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塑料的密度包含：堆积密度、固体密度和熔体密度。今天我们将分别讨论这些密度，并提供一种简单的方法来计算这些密度。密度的基本定义是，材料分子的堆积紧密程度，分子越紧密，密度越高，换句话说，给定体积中的分子越多，测量单位是每体积重量。

堆积密度

材料供应商通常以颗粒形式供应树脂。这些颗粒可以有不同的形状，从球形珠子到略微扁平的珠子，再到简单切割的挤出物形成小圆柱体。颗粒越大，它们之间的空隙就越多。因此，尺寸会导致给定体积内塑料的总重量不同。例如，考虑以较小尺寸和较大尺寸颗粒供应的同一等级的ABS，如图1所示。

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图 1

较小颗粒的塑料总重量将大于较大颗粒的塑料总重量。请注意，这适用于注塑、挤出、吹塑和类似工艺中使用的颗粒尺寸，但不应用于以任何其他形式供应的任何材料。

堆积密度定义为给定体积中原材料的含量，通常以磅/立方英尺 (lb/cu ft) 或千克/升 (kg/l) 为单位。在解释为什么需要堆积密度之后，使用这些单位的原因就会变得清晰。计算堆积密度的方法非常简单：

1.拿一个容器，例如一个桶，计算它的内容积。

2.称量容器的重量。

3.将塑料颗粒装入容器并再次称重。

4.通过从满容器的重量中减去空容器的重量来计算塑料颗粒的重量。

5.将颗粒的重量除以容器体积即可得到体积密度值，即：体积密度=塑料重量/容器体积。

如图2中的示例，直径为11.5英寸的桶中装满丙烯酸颗粒，高度为12.5英寸。Dia是桶的内径，H是桶的内高，装满颗粒的桶的体积为1297.7立方英寸或0.75立方英尺（也可以通过在桶中装水并称重来计算体积）。从装满塑料的桶的重量中减去桶的重量后，计算出颗粒的重量为27.27磅。所以颗粒的容重就是27.27磅/0.75立方英尺=36.4磅/立方英尺。

图 2

颗粒的大小和形状对堆积密度起着重要作用，在确定料斗、干燥机料斗和储料仓的尺寸时，堆积密度的值是一个需要考虑的重要数字。每种吸湿性树脂都有最小和最大建议干燥时间。根据每小时所需的吞吐量，需要计算出干燥机的最小和最大尺寸（体积）。此处应使用堆积密度进行计算，干燥机制造商将根据堆积密度确定其设备的尺寸。

颗粒尺寸对于树脂的输送也同样重要，不仅要通过从干燥机到机器进料口的管线，还要将树脂送入机器并送至螺杆的进料区。考虑微型成型机，其螺杆直径可以小至15毫米，颗粒必须通过重力落入进料段，然后进一步输送。较大的颗粒尺寸可能无法完全落入进料段，从而导致堵塞或成型不一致。

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固体密度（有时简称为密度）

1.计算零件重量与固体密度的重要性

需要确定模制部件的重量主要有两个原因。首先，确定模制一定数量部件所需的原材料量；其次，找到合适的机器来模制部件。当设计师首次设计部件时，它只是一个CAD模型——没有物理组件。要确定部件的重量，设计师需要将部件的体积乘以模制部件的材料密度。CAD 模型将提供部件的体积。

如果材料发生变化，密度也会发生变化，因此零件重量也会发生变化。生产模具可以有多个型腔和多个冷流道。在这种情况下，流道的重量也需要使用相同的公式估算，然后添加到零件重量中。零件和流道的总重量称为注射重量。要计算生产所需的材料量，需要将注射重量乘以所需的循环次数。然后根据所需材料的数量计算材料成本。

建立稳健的工艺，拥有正确尺寸的料筒非常重要。机器制造商通常会以重量形式公布机器料筒的最大容量。注射的射料重量与料筒容量的比率不应太小或太大，因为这会导致产品质量和工艺控制不一致。射料重量与最大料筒容量的优选比率在20%到80%之间。例如，如果最大料筒容量为100克，则射料重量不应少于20克或超过80克。（这些百分比可能有一些例外，这部分暂不讨论)

如果公布料筒容量以重量表示，则该重量始终以聚苯乙烯 (PS) 的重量表示。例如，如果公布的重量为100克，则意味着料筒可容纳的最大PS量为100克，或者换句话说，可成型的最大注射量为100克PS。这意味着料筒（圆柱体形式）的最大容积是固定的，可容纳100克PS。

图3 桶的容量相同，但由于密度不同，重量也不同

PS的密度为1.06g/cm3。如果我们用密度更高的材料替换PS，那么总注射重量将会增加。例如，如果我们用密度为1.53g/cm3的玻璃填充聚酯 (PBT) 替换 PS，那么料筒现在将容纳144克PBT。料筒的体积保持不变，但由于材料的密度较高，总重量也较高。图3使用装有不同材料的桶说明了这一概念。要将料筒容量从PS转换为成型材料，请使用以下公式：

料筒的使用百分比应基于料筒容量并考虑正在成型的材料。因此，了解密度值对于此类计算至关重要。

由于密度不同，不同材料在同一枪管中的最大射击容量会有所不同

2.计算固体密度

固体密度是设计师和加工商最常用的数字。它被定义为给定材料的单位体积重量。例如，如果您使用通用未填充聚丙烯 (PP) 模制出一个1厘米立方体，那么立方体的重量就是PP的密度。立方体的体积为1立方厘米 (cm3)，如果重量为0.91克，那么单位体积重量（或密度）将为0.91g/cm3。0.91这个数字实际上是PP广泛使用的密度。

因为比重有时会与密度混淆，所以我们在这里做一个简短的解释。水的密度是1g/cm3，这意味着如果我们可以铸造一个尺寸为1×1×1厘米的水立方体，它的重量将是1.00克。比重定义为所考虑材料的密度与水的密度之比。考虑上面的PP，它的比重是 0.91/1.00，等于0.91（因为这是一个比率，所以没有单位）。从数字上讲，密度和比重的数字是相同的，这就是为什么这两个术语容易混淆并且经常互换使用的原因。然而，每个术语都有自己的用途，必须理解它们的重要性。

熔体密度

第三种密度称为熔体密度，这是加工商需要了解的一个关键规格。当塑料为固体形式时，其密度称为固体密度或简称为密度。当加工商将树脂送入成型机时，塑料熔化，分子相互远离，从而降低材料的密度。熔融材料的密度称为熔体密度。压力-体积-温度 (PVT) 图（如图3所示）通常用于确定材料的熔体密度。

压力-体积-温度 (PVT) 图通常用于确定材料的熔体密度

熔体密度主要用于计算机器的实际最大注射量，而不是依赖于机器制造商的数字。为什么？这并不是因为制造商提供的数字不正确，而是他们提供的数字只是一个近似的估计值。从PVT图可以看出，熔体密度是温度和压力的函数。考虑到料筒中的熔融塑料，温度是料筒设置和螺杆转速剪切的乘积，而压力是螺杆恢复过程中的背压。

近年来，机器制造商还开始以体积为单位发布机器的最大容量，因为体积与材料或其密度无关。现在由加工商根据成型材料计算出最大注射重量。在这种情况下，成型商必须使用熔体密度来准确计算注射容量。加工商倾向于将固体密度数字乘以0.70到0.80之间的系数来估计熔体密度。

抛开这些，计算熔体密度其实非常简单，有一种更简单的方法可以获得准确的数字。这里唯一的要求是成型商应该之前成型过这种材料，即使是类似等级的材料也足以满足我们的计算要求。

假设计算重量的公式为—重量=体积×密度—则计算密度的公式为：密度=重量/体积。在已知的成型工艺中，重量等于注射重量，也就是所有部件和流道的重量。体积是螺杆排出的总体积，从注射量到缓冲值（参见图4中的示例）。此处，熔体温度为 380°F，背压为500psi，螺杆直径为35毫米。设定的注射量为104.6毫米，缓冲值为6.6毫米。通过使用确定圆柱体体积的公式—0.785×D×D×L—（其中D是螺杆直径，L是行进的总距离），我们计算出注射的体积为94.28cm3（注意将mm转换为cm）。该体积成型的注射重量为63.17克。利用密度公式计算熔体密度为0.67g/cm3。

常用的系数 0.70 到 0.80 是确定熔体密度的良好估计值，但可以得出更精确的数字

此处的熔体密度为固体密度的70%，即0.95g/cm3值的0.70倍。需要记住的是，这是在熔体温度为380°F且背压为500psi的情况下得出的。

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