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塑料如何流动
塑料如何流动?
熔融的热塑性塑料呈现黏弹性行为(viscoelasticbehavior),亦即黏性流体与弹性固体的流动特性组合。
当黏性流体流动时,部分驱动能量将会转变成黏滞热而消失;然而,弹性固体变形时,会将推动变形的能量储存起来。
日常生活中,水的流动就是典型的黏性流体,橡胶的变形属于弹性体。
除了这两种的材料流动行为,还有剪切和拉伸两种流动变形,如图4-1(a)与(b)。
在射出成形的充填阶段,热塑性塑料之熔胶的流动以剪切流动为主,如图4-1(c)所示,材料的每一层元素之间具有相对滑动。
另外,当熔胶流经一个尺寸突然变化的区域,如图4-1(d),拉伸流动就变得重要多了。
图4-1(a)剪切流动;(b)拉伸流动;(c)模穴内的剪切流动
(d)充填模穴内的拉伸流动
热塑性塑料承受应力时会结合理想黏性流体和理想弹性固体之特性,呈现黏弹性行为。
在特定的条件下,熔胶像液体一样受剪应力作用而连续变形;然而,一旦应力解除,熔胶会像弹性固体一样恢复原形,如图4-2(b)与(c)所示。
此黏弹性行为是因为聚合物在熔融状态,分子量呈现杂乱卷曲型态,当受到外力作用时,将允许分子链移动或滑动。
然而,相互纠缠的聚合物分子链使系统于施加外力或解除外力时表现出弹性固体般的行为。
譬如说,在解除应力后,分子链会承受一恢复应力,使分子链回到杂乱卷曲的平衡状态。
因为聚合物系统内仍有分子链的交缠,此恢复应力可能不是立即发生作用。
图4-2(a)理想的黏性液体在应力作用下表现出连续的变形;
(b)理想的弹性固体承受外力会立刻变形,于外力解除后完全恢复原形;
(c)热塑性塑料之熔胶就像液体一样,在剪切应力作用下而连续变形。
然而,一旦应力解除,它就像弹性固体一般,部分变形会恢复原形。
1熔胶剪切黏度
熔胶剪切黏度(shearviscosity)是塑料抵抗剪切流动的阻力,它是剪切应力与剪变率的比值,参阅图4-3。
。
聚合物熔胶因长分子链接构而具有高黏度,通常的黏度范围介于2~3000Pa(水为10-1Pa,玻璃为1020Pa)。
图4-3以简易之剪切流动说明聚合物熔胶黏度的定义
水是典型的牛顿流体,牛顿流体的黏度与温度有关系,而与剪变率无关。
但是,大多数聚合物熔胶属于非牛顿流体,其黏度不仅与温度有关,也与剪切应变率有关。
聚合物变形时,部份分子不再纠缠,分子链之间可以相互滑动,而且沿著作用力方向配向,结果,使得聚合物的流动阻力随着变形而降低,此称为剪变致稀行为(shearing-thinningbehavior),它表示聚合物承受高剪变率时黏度会降低,也提供了聚合物熔胶加工便利性。
例如,以两倍压力推动开放管线内的水,水的流动速率也倍增。
但是,以两倍压力推动开放管线内的聚合物熔胶,其流动速率可能根据使用材料而增加2~15倍。
介绍了剪切黏度的观念,再来看看射出成形时模穴内的剪变率分布。
一般而言,材料的连接层之间的相对移动愈快,剪变率也愈高,所以,典型的熔胶流动速度曲线如图4-4(a),其在熔胶与模具的界面处具有最高的剪变率;或者,假如有聚合物凝固层,在固体与液体界面处具有最高的剪变率。
另一方面,在塑件中心层因为对称性流动,使得材料之间的相对移动趋近于零,剪变率也接近零,如图4-4(b)所示。
剪变率是一项重要的流动参数,因为它会影响熔胶黏度和剪切热(黏滞热)的大小。
射出成形制程的典型熔胶剪变范围在102~1051/s之间。
图4-4(a)相对流动元素间运动之典型速度分布曲线;
(b)射出成形之充填阶段的剪变率分布图。
聚合物分子链的运动能力随着温度升高而提高,如图4-5所示,随着剪变率升高与温度升高,熔胶黏度会降低,而分子链运动能力的提升会促进较规则的分子链排列及降低分子链相互纠缠程度。
此外,熔胶黏度也与压力相关,压力愈大,熔胶愈黏。
材料的流变性质将剪切黏度表示为剪变率、温度与压力的函数。
图4-5聚合物黏度与剪变率、温度、及压力的关系
2熔胶流动之驱动--射出压力
射出机的射出压力是克服熔胶流动阻力的驱动力。
射出压力推动熔胶进入模穴以进行充填和保压,熔胶从高压区流向低压区,就如同水从高处往低处流动。
在射出阶段,于喷嘴蓄积高压力以克服聚合物熔胶的流动阻力,压力沿着流动长度向聚合物熔胶波前逐渐降低。
假如模穴有良好的排气,则最终会在熔胶波前处达到大气压力。
压力分布如图4-6所示。
图4-6压力沿着熔胶输送系统和模穴而降低
模穴入口的压力愈高,导致愈高的压力梯度(单位流动长度之压力降)。
熔胶流动长度加长,就必须提高入口压力以产生相同的压力梯度,以维持聚合物熔胶速度,如图4-7所示。
图4-7熔胶速度与压力梯度的关系
根据古典流体力学的简化理论,充填熔胶输送系统(竖浇道、流道和浇口)和模穴所需的射出压力与使用材料、设计、制程参数等有关系。
图4-8显示射出压力与各参数的函数关系。
使用P表示射出压力,n表示材料常数,大多数聚合物的n值介于0.15~0.36之间,0.3是一个适当的近似值,则熔胶流动在竖浇道、流道和圆柱形浇口等圆形管道内所需的射出压力为:
熔胶流动在薄壳模穴之带状管道内所需的射出压力为:
熔胶的流动速度与流动指数(MeltIndex,MI)有关,流动指数也称为流导flowconductance),流动指数是熔胶流动难易的指标。
实际上,流动指数是塑件几何形状(例如壁厚,表面特征)及熔胶黏度的函数。
流动指数随着肉厚增加而降低,但是随着熔胶黏度增加而降低,参阅图4-9。
射出成形时,在特定的成形条件及塑件肉厚下,熔胶可以流动的长度将根据材料的热卡性质与剪切性质而决定,此性质可以表示为熔胶流动长度,如图4-10所示。
图4-8射出压力与使用材料知黏滞性、流动长度、容积流率和肉厚的函数关系
图4-9 流动指数相对于壁厚与黏度关系
图4-10 熔胶流动长度决定于塑件厚度和温度
将射出成形充填模穴的射出压力相对于充填时间画图,通常可以获得U形曲线,如图4-11,其最低射出压力发生在曲线的中段时间。
要采用更短的充填时间,则需要高熔胶速度和高射出压力来充填模穴。
要采用较长的充填时间,可以提供塑料较长的冷却时间,导致熔胶黏度提高,也需要较高的射出压力来充填模穴。
射出压力相对于充填时间的曲线形状与所使用材料、模穴几何形状和模具设计有很大的关系。
图4-11 射出压力相对于充填时间之U形曲线
最后必须指出,因为熔胶速度(或剪变率)、熔胶黏度与熔胶温度之间交互作用,有时候使得充填模穴的动力学变得非常复杂。
注意,熔胶黏度随着剪变率上升及温度上升而降低。
高熔胶速度造成的高剪变率及高剪切热可能会使黏度降低,结果使流动速度更加快,更提高了剪变率和熔胶温度。
所以对于剪变效应很敏感的材料本质上具有不稳定性。
2.1影响射出压力的因素
图4-12针对影响射出压力的设计与成形参数进行比较。
参数
需要高射出压力
可用低射出压力
塑件设计
肉厚
塑件表面
浇口设计
浇口尺寸
流动长度
成形条件
熔胶温度
模壁(冷却剂)温度
螺杆速度
选择材料
熔胶流动指数
图4-12射出压力与设计、成形参数、材料的关系
3充填模式
充填模式(FillingPattern)是熔胶在输送系统与模穴内,随着时间而变化的流动情形,如图4-13所示。
充填模式对于塑件品质有决定性的影响,理想的充填模式是在整个制程中,熔胶以一固定熔胶波前速度(meltfrontvelocity,MFV)同时到达模穴内的每一角落;否则,模穴内先填饱的区域会因过度充填而溢料。
以变化之熔胶波前速度充填模穴,将导致分子链或纤维配向性的改变。
图4-13计算机仿真之熔胶充填模式的影像
3-1熔胶波前速度与熔胶波前面积
熔胶波前的前进速度简称为MFV,推进熔胶波前的剖面面积简称为MFA,MFA可以取熔胶波前横向长度乘上塑件肉厚而得到,或是取流道剖面面积,或者视情况需要而取两者之和。
在任何时间,
容积流动率=熔胶波前速度(MFV)×熔胶波前面积(MFA)
对于形状复杂的塑件,使用固定的螺杆速率并不能保证有固定的熔胶波前速度。
当模穴剖面面积发生变化,纵使射出机维持了固定的射出速度,变化之熔胶波前速度仍可能先填饱模穴的部份区域。
图4-14显示在镶埋件(insert)周围熔胶波前速度增加,使镶埋件两侧产生高压力和高配向性,造成塑件潜在的不均匀收缩和翘曲。
图4-14熔胶波前速度(MFV)和熔胶波前面积(MFA)。
MFV之差异会
使得塑料分子(以点表示)以不同方式伸展,导致分子与纤维
配向性的差异,造成收缩量差异或翘曲。
在射出成形的充填阶段,塑料材料的分子链或是填充料会依照剪应力之作用而发生配向。
由于模温通常比较低,在表面附近的配向性几乎瞬间即凝固。
分子链和纤维的配向性取决于熔胶之流体动力学和纤维伸展的方向性。
在熔胶波前处,由于剪切流动和拉伸流动的组合,不断强迫熔胶从肉厚中心层流向模壁,造成喷泉流效应(fountainfloweffect),此效应对塑件表层的分子链/纤维配向性的影响甚巨。
请参阅图4-15之说明。
图4-15塑件表层与中心层之纤维配向性
塑件成形之MFV愈高,其表面压力愈高,分子链配向性的程度也愈高。
充填时的MFV差异会使得塑件内的配向性差异,导致收缩不同而翘曲,所以充填时应尽量维持固定的MFV,使整个塑件有均匀的分子链配向性。
MFV和MFA是流动平衡的重要设计参数。
不平衡流动的MFA会有突然的变化,当部分的模穴角落已经充饱,部分的熔胶仍在流动。
对于任何复杂的几何形状,应该将模穴内的MFA变化最小化,以决定最佳的浇口位置。
流动平衡时,熔胶波前面积有最小的变化,如图4-16所示。
图4-16(a)MFA变化导致的平衡与不平衡流动;及(b)其对应的充填模式。
4.流变理论
流变学(rheology)是探讨材料受力后变形和流动的加工特性,包括剪变率、剪切黏度、黏弹性、黏滞热、拉伸黏度等等。
熔融塑料大多呈现拟塑性行为,即根据指数律(powerlaw),
,n<1
塑料受剪应力而运动时,其黏度随剪变率增加而降低,此现象称为高分子材料的剪稀性(shearthinning)。
通常厂商比较常提供的塑料特性指标是流动指标MI(Meltindex),一般塑料的MI值大约介于1~25之间,MI值愈大,代表该塑料黏度愈小,分子重量愈小;反之,MI值愈小,代表该塑料黏度愈大,分子重量愈大。
MI值仅仅是塑料剪切黏度曲线上的一点。
(注:
黏度单位1cp=0.001Pa?
s,cp=centipoise,Pa=N/m2)
其它影响塑料性质的因素包括分子量的大小及分子量分布、分子配向性、玻璃转移温度和添加物等。
(1)分子量的大小及分子量分布
塑料的特性之一就是分子量很大,分子量分布曲线和其聚合的方法及条件对于所制造出来的成型品有密切影响。
分子量大者璃转移温度Tg较高,机械性质、耐热性、耐冲击强度皆提升,但是黏度亦随分子量增大而提高,造成加工不易。
就分子量分布而言,短分子链影响拉伸及冲击强度,中分子链影响溶液黏度及低剪切熔胶流动,长分子链的量影响熔胶弹性。
(2)玻璃转移温度(glasstransitiontemperature,Tg)
其意思即高分子链开始具有大链接移动,也就是脱离硬绑绑的玻璃态,开始较具延展性的温度。
而Tg的大小对于塑料性质有很大的影响,所以往往成为判断塑料性质的重要指标,玻璃态时显现出类似玻璃的刚硬性质,但于橡胶态时,又变成较软之橡胶性质。
(3)分子配向性
塑料材料原来的性质会随着外来的因素和作用力而改变,例如聚合物熔胶的黏度(表示材料流动阻力)随分子量增加而增加,但随温度增加而减少。
更进一步,作用于材料的高剪应力所造成的分子配向性也会降低塑料熔胶的黏度。
(4)添加剂、填充材料、及补强材料对于聚合物的影响
包括安定剂、润滑剂、塑化剂、抗燃剂、着色剂、发泡剂、抗静电剂、填充材料、及补强材料等等可以用来改变获改善塑料的物理性质和机械性质。
一、收缩率热塑性塑料成型收缩的形式及计算如前所述,影响热塑性塑料成型收缩的因素如下:
1.1塑料品种热塑性塑料成型过程中由于还存在结晶化形起的体积变化,内应力强,冻结在塑件内的残余应力大,分子取向性强等因素,因此与热固性塑料相
2010年04月06日讯
一、收缩率
热塑性塑料成型收缩的形式及计算如前所述,影响热塑性塑料成型收缩的因素如下:
1.1塑料品种热塑性塑料成型过程中由于还存在结晶化形起的体积变化,内应力强,冻结在塑件内的残余应力大,分子取向性强等因素,因此与热固性塑料相比则收缩率较大,收缩率范围宽、方向性明显,另外成型后的收缩、退火或调湿处理后的收缩率一般也都比热固性塑料大。
1.2塑件特性成型时熔融料与型腔表面接触外层立即冷却形成低密度的固态外壳。
由于塑料的导热性差,使塑件内层缓慢冷却而形成收缩大的高密度固态层。
所以壁厚、冷却慢、高密度层厚的则收缩大。
另外,有无嵌件及嵌件模型局、数量都直接影响料流方向,密度分模型及收缩阻力大小等,所以塑件的特性对收缩大小、方向性影响较大。
1.3进料口形式、尺寸、分模型这些因素直接影响料流方向、密度分模型、保压补缩作用及成型时间。
直接进料口、进料口截面大(尤其截面较厚的)则收缩小但方向性大,进料口宽及长度短的则方向性小。
距进料口近的或与料流方向平行的则收缩大。
1.4成型条件模具温度高,熔融料冷却慢、密度高、收缩大,尤其对结晶料则因结晶度高,体积变化大,故收缩更大。
模温分布与塑件内外冷却及密度均匀性也有关,直接影响到各部分收缩量大小及方向性。
另外,保持压力及时间对收缩也影响较大,压力大、时间长的则收缩小但方向性大。
注塑压力高,熔融料粘度差小,层间剪切应力小,脱模后弹性回跳大,故收缩也可适量的减小,料温高、收缩大,但方向性小。
因此在成型时调整模温、压力、注塑速度及冷却时间等诸因素也可适当改变塑件收缩情况。
模具设计时根据各种塑料的收缩范围,塑件壁厚、形状,进料口形式尺寸及分布情况,按经验确定塑件各部位的收缩率,再来计算型腔尺寸。
对高精度塑件及难以掌握收缩率时,一般宜用如下方法设计模具:
①对塑件外径取较小收缩率,内径取较大收缩率,以留有试模后修正的余地。
②试模确定浇注系统形式、尺寸及成型条件。
③要后处理的塑件经后处理确定尺寸变化情况(测量时必须在脱模后24小时以后)。
④按实际收缩情况修正模具。
⑤再试模并可适当地改变工艺条件略微修正收缩值以满足塑件要求。
二、流动性
2.1热塑性塑料流动性大小,一般可从分子量大小、熔融指数、阿基米德螺旋线流动长度、表现粘度及流动比(流程长度/塑件壁厚)等一系列指数进行分析。
分子量小,分子量分布宽,分子结构规整性差,熔融指数高、螺流动长度长、表现粘度小,流动比大的则流动性就好,对同一品名的塑料必须检查其说明书判断其流动性是否适用于注塑成型。
按模具设计要求大致可将常用塑料的流动性分为三类:
①流动性好PA、PE、PS、PP、CA、聚(4)甲基戍烯;
②流动性中等聚苯乙烯系列树脂(如ABS、AS)、PMMA、POM、聚苯醚;
③流动性差PC、硬PVC、聚苯醚、聚砜、聚芳砜、氟塑料。
2.2各种塑料的流动性也因各成型因素而变,主要影响的因素有如下几点:
①温度料温高则流动性增大,但不同塑料也各有差异,PS(尤其耐冲击型及MFR值较高的)、PP、PA、PMMA、改性聚苯乙烯(如ABS、AS)、PC、CA等塑料的流动性随温度变化较大。
对PE、POM、则温度增减对其流动性影响较小。
所以前者在成型时宜调节温度来控制流动性。
②压力注塑压力增大则熔融料受剪切作用大,流动性也增大,特别是PE、POM较为敏感,所以成型时宜调节注塑压力来控制流动性。
③模具结构浇注系统的形式,尺寸,布置,冷却系统设计,熔融料流动阻力(如型面光洁度,料道截面厚度,型腔形状,排气系统)等因素都直接影响到熔融料在型腔内的实际流动性,凡促使熔融料降低温度,增加流动性阻力的则流动性就降低。
模具设计时应根据所用塑料的流动性,选用合理的结构。
成型时则也可控制料温,模温及注塑压力、注塑速度等因素来适当地调节填充情况以满足成型需要。
三、结晶性
热塑性塑料按其冷凝时无出现结晶现象可划分为结晶型塑料与非结晶型(又称无定形)塑料两大类。
所谓结晶现象即为塑料由熔融状态到冷凝时,分子由独立移动,完全处于无次序状态,变成分子停止自由运动,按略微固定的位置,并有一个使分子排列成为正规模型的倾向的一种现象。
作为判别这两类塑料的外观标准可视塑料的厚壁塑件的透明性而定,一般结晶性料为不透明或半透明(如POM等),无定形料为透明(如PMMA等)。
但也有例外情况,如聚(4)甲基戍烯为结晶型塑料却有高透明性,ABS为无定形料但却并不透明。
在模具设计及选择注塑机时应注意对结晶型塑料有下列要求及注意事项:
①料温上升到成型温度所需的热量多,要用塑化能力大的设备。
②冷却回化时放出热量大,要充分冷却。
③熔融态与固态的比重差大,成型收缩大,易发生缩孔、气孔。
④冷却快,结晶度低,收缩小,透明度高。
结晶度与塑件壁厚有关,壁厚则冷却慢,结晶度高,收缩大,物性好。
所以结晶性料应按要求必须控制模温。
⑤各向异性显著,内应力大。
脱模后未结晶化的分子有继续结晶化倾向,处于能量不平衡状态,易发生变形、翘曲。
⑥结晶化温度范围窄,易发生未熔料末注入模具或堵塞进料口。
四、热敏性塑料及易水解塑料
4.1热敏性系指某些塑料对热较为敏感,在高温下受热时间较长或进料口截面过小,剪切作用大时,料温增高易发生变色、降解,分解的倾向,具有这种特性的塑料称为热敏性塑料。
如硬PVC、聚偏氯乙烯、醋酸乙烯共聚物,POM,聚三氟氯乙烯等。
热敏性塑料在分解时产生单体、气体、固体等副产物,特别是有的分解气体对人体、设备、模具都有刺激、腐蚀作用或毒性。
因此,模具设计、选择注塑机及成型时都应注意,应选用螺杆式注塑机,浇注系统截面宜大,模具和料筒应镀铬,不得有*角滞料,必须严格控制成型温度、塑料中加入稳定剂,减弱其热敏性能。
4.2有的塑料(如PC)即使含有少量水分,但在高温、高压下也会发生分解,这种性能称为易水解性,对此必须预先加热干燥。
五、应力开裂及熔体破裂
5.1有的塑料对应力敏感,成型时易产生内应力并质脆易裂,塑件在外力作用下或在溶剂作用下即发生开裂现象。
为此,除了在原料内加入添加剂提高开抗裂性外,对原料应注意干燥,合理的选择成型条件,以减少内应力和增加抗裂性。
并应选择合理的塑件形状,不宜设置嵌件等措施来尽量减少应力集中。
模具设计时应增大脱模斜度,选用合理的进料口及顶出机构,成型时应适当的调节料温、模温、注塑压力及冷却时间,尽量避免塑件过于冷脆时脱模,成型后塑件还宜进行后处理提高抗开裂性,消除内应力并禁止与溶剂接触。
5.2当一定融熔体流动速率的聚合物熔体,在恒温下通过喷嘴孔时其流速超过某值后,熔体表面发生明显横向裂纹称为熔体破裂,有损塑件外观及物性。
故在选用熔体流动速率高的聚合物等,应增大喷嘴、浇道、进料口截面,减少注塑速度,提高料温。
六、热性能及冷却速度
6.1各种塑料有不同比热、热传导率、热变形温度等热性能。
比热高的塑化时需要热量大,应选用塑化能力大的注塑机。
热变形温度高塑料的冷却时间可短,脱模早,但脱模后要防止冷却变形。
热传导率低的塑料冷却速度慢(如离子聚合物等冷却速度极慢),故必须充分冷却,要加强模具冷却效果。
热浇道模具适用于比热低,热传导率高的塑料。
比热大、热传导率低,热变形温度低、冷却速度慢的塑料则不利于高速成型,必须选用适当的注塑机及加强模具冷却。
6.2各种塑料按其种类特性及塑件形状,要求必须保持适当的冷却速度。
所以模具必须按成型要求设置加热和冷却系统,以保持一定模温。
当料温使模温升高时应予冷却,以防止塑件脱模后变形,缩短成型周期,降低结晶度。
当塑料余热不足以使模具保持一定温度时,则模具应设有加热系统,使模具保持在一定温度,以控制冷却速度,保证流动性,改善填充条件或用以控制塑件使其缓慢冷却,防止厚壁塑件内外冷却不匀及提高结晶度等。
对流动性好,成型面积大、料温不匀的则按塑件成型情况有时需加热或冷却交替使用或局部加热与冷却并用。
为此模具应设有相应的冷却或加热系统。
七、吸湿性
塑料中因有各种添加剂,使其对水分有不同的亲疏程度,所以塑料大致可分为吸湿、粘附水分及不吸水也不易粘附水分的两种,料中含水量必须控制在允许范围内,不然在高温、高压下水分变成气体或发生水解作用,使树脂起泡、流动性下降、外观及力学性能不良。
所以吸湿性塑料必须按要求采用适当的加热方法及规范进行预热,在使用时防止再吸湿。
塑料原料的流动性对注塑成型工艺的影响
塑料熔化后的流动性是影响塑料注塑成型工艺中成型效果最重要的参数,用熔体质量流动速率MFR或熔体体积流动速率MVR来表示,定义为每十分钟从口模流出的塑料的重量或体积。
其测试方法是采用熔体流动速率仪来进行测试,将塑料原料加入料筒,然后按不同的塑料原料的熔点选择加热设定温度,达到设定温度后,再选择砝码加载,设定切料时间,然后将切下的料进行称重,计算出每十分种的流出重量,即为塑流的熔体流动速率值。
熔体体积流动速率测试方法类似,区别只是量测的是体积。
可参考依据《GB/T3682-2000热塑性塑料熔体质量流动速率和熔体体积流动速率的测定》。
测试期间有几个问题要注意,一是不同的塑料原料熔点不同,那么测试时应跟据塑料原料的熔点选择不同的设定温度,国标3682-2000中规定的砝码重量有0.325kg、1.200kg、2.160kg、3.800kg、5.000kg、10.000kg、12.500kg、21.600kg共计八种,可根据材料特性进行选择。
塑料的流动速率有较大差异,可根据其特点设定适当的自动切料时间,目前尚有少量公司使用手动切料,精度受操作人员影响,误差较大。
设定切料时间时,流动性越好的材料,切料时间设定越短,或反之。
一般情况下建议选择使用质量法(MFR)来进行测试,因体积法存在较大误差。
原料的熔体流动速率对产品的注塑成型效果有直接的影响,原料的流动性太好,会导致一些水分、气体来不及从模具中排出就成型了,会形成气泡、空洞,影响塑料成品强度;流动性太差则会导致较复杂的塑料模具在成型时塑料原料无法及时流动到边角等较远的区域,形成缺料。
精确测定塑料原料的熔体流动速率值,并加以掌控,对塑料的注塑成型工艺至关重要
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- 塑料 如何 流动