管材管件

彩塑瓦在注塑過程流變分析及其應用

2019-01-24

摘要: 簡單介紹了流變學,指出塑料加工流變學是注塑成型加工分析的理論基礎,在注塑成型加工方面有重要的應用。通過對注射過程中各區段的流變分析,舉例說明了流變學在注塑模澆注系統設計及常用熱塑性塑料注射工藝條件控制方面的應用,對注塑生產有很大的實際意義。

關鍵詞: 流變學;塑料加工流變學;注塑;澆注系統;工藝;

Rheology’s Analysis and Application in Injection Molding

YANG Feng-xia

(Department of Chemical Engineering,Henan Institute of Science and Technology,Xingxiang Henan 453003, China )

Abstract: The introduction is made in rheology simply.Plastics processing rheology is the theory base in injection molding.Rheology has many important applications in injection molding.The illustrations are given for rheology’s applications in injection molding pouring system design, technologic parameters’ controlling through rheology’s analysis of injection process.It is of very practical significance for injection molding.

Key words: rheology; plastics processing rheology; injection molding; pouring system; technology;

1 前言

注塑具有能一次成型外型復雜、尺寸精確或帶有金屬嵌件的質地密致的塑料制品,被祥龍管材管件廣泛應用于國防、機電、汽車、交通運輸、建材、包裝、農業、文教衛生及人們日常生活各個領域。注塑件質量主要由以下因素決定:注塑機的技術性能、注塑工藝條件及模具結構,而研究這些因素都離不開流變學,本文就流變學在模具澆注系統設計及注塑工藝中的應用進行了分析和介紹。

2 塑料加工流變學介紹

流變學是研究材料的流動和變形的科學,也就是研究材料的流動和變形與造成材料流變的各種因素之間的關系的一門科學。它是介于力學、化學和工程科學之間的邊緣科學。聚合物流變學是研究高分子材料的流動和變形的科學,現在已經成為流變學的重要分支。在高分子材料中,塑料約占 70 %,塑料的大多數加工方法都以熔體加工為基礎,比如注塑成型就是借助螺桿(或柱塞)的推力,將已經塑化好的塑料熔體射入閉和的模腔內,經冷卻固化定型而得到塑料制品,材料所經受的加熱和變形歷程將影響塑料微觀結構,因而影響制品的最終性能,可見,塑料的流變特性在塑料加工中起著決定性的作用。塑料加工流變學就是適應塑料加工發展的需要而提出的,它的主要任務是以彩塑瓦的塑料流體(主要是熔體)作為研究對象,應用流變學的基本原理,分析和處理塑料加工過程中的工藝和工程等問題,從而提高塑料制品的質量和生產效率。

3 注射過程的流變分析及其應用

螺桿式注射機的注射過程,從塑料加工流變學的角度看,可以分為三個區段。第一區段,是塑料在旋轉螺桿與機筒之間進行輸送、壓縮、熔融塑化并將塑化好的熔體儲存在機筒的端部。第二區段,是注射區段,儲存在機筒端部的塑料熔體受螺桿的向前推壓通過噴嘴、模具的主流道、分流道和澆口,開始射入模腔內。第三區段,是充摸區段,即塑料熔體經澆口射入模腔過程中的流動、相變以及固化。我們主要介紹注射區段和充模區段的流變分析及其應用 ( 1 ) 。

? 注射區段的流變分析及其應用

楊鳳霞( 1968 —),女,河南新鄉人,工程師,主要從事注塑成型技術研究和化學教學工作。

祥龍管材管件的塑料熔體在注射區段的流變行為與在毛細管流變儀的流變行為十分相似。流變儀中的柱塞相當于注射螺桿,流變儀中的物料相當于料筒端部、噴嘴以及流道系統中的物料,流變儀中的毛細管相當于澆口。根據非牛頓型流體在毛細管中穩定流動時的冪律方程 τ = κγ n 和流體的速度分布可推導出剪切速率 γ 和流量 Q 間的關系為:

γ == ( 3n + 1 ) Q / (n π R 3 n )

n ——非牛頓指數 γ——剪切速率

Q ——體積流率 R ——流道截面當量半徑

3.1.1 注塑模普通澆注系統的設計

流變測試結果表明,除了 PC 、 PA 、 POM 等少數聚合物近似地服從牛頓流體特性外,其余大部分聚合物如 HDPE 、 LDPE 、 PVC 、 PP 、 ABS 、 PS 、 PMMA 等都遠偏離牛頓流體,根據聚合物流變學原理設計的澆注系統可使熔體在澆道中的運動接近等溫流動,且可以得到內應力最小、各向異性的力學性能最小的制品,克服經驗設計的不足。 剪貼速率又稱切變速率或者速度梯度。該值對熔體的流動過程影響甚大。實驗表明, 大多數塑料在γ ==5 × 10 2 ~5 × 10 3 s - 1 范圍內,粘彈性基本穩定,可使用下面的經驗公式 ( 2 ) ,即

γ ==(3.3Q) / ( π R 3 n ) ①

利用上式可設計澆注系統,步驟如下:

? 計算體積流率 Q :根據所選用注塑機技術規范及所成型制品的體積。按下式求出熔體的體積流率:

Q==Q p / t (cm 3 / s) ②

Q ——塑件體積,通常取( 0.5~0.8 ) Q(cm 3 ) ;

Q ——注塑機公稱注塑量( cm 3 );

t ——注射時間( s ),可由表 1 查詢。

表 1 注塑機公稱注射量與注射時間 t 的關系

公稱注射量

Q /( cm 3 )

注射時間

t /( s )

公稱注射量

Q /( cm 3 )

注射時間

t /( s )

60

1.0

4000

5.0

125

1.6

6000

5.7

250

2.0

8000

6.4

350

2.2

12000

8.0

500

2.5

16000

9.0

1000

3.2

24000

10.0

2000

4.0

32000

10.6

3000

4.6

64000

12.3

2) 確定恰當的剪切速率γ

A. 對于主流道,取γ ==5 × 10 5 s - 1 ;

B. 對于分流道,取γ ==5 × 10 2 s - 1 ;

C. 對于點澆口,取γ ==1 × 10 5 s - 1 ;

D. 對于其它各型流口,取γ ==5 × 10 3 ~5 × 10 4 s - 1 ;

3 )求當量半徑 R n :由選定的澆注系統某環節中的γ,按方程②計算所得的 Q 值,結合方程①,即可求出 R n 。

4 )在多點進澆的大型單腔模或多腔模中,若各分流道按平衡式布置,則各分流道及與之相連的澆口中熔體的體積流率,應為

Q R ==Q / m (cm 3 )

m ——分流道(或模腔、澆口)數目。

3.1.2 注塑工藝條件控制

當模具充不滿時,除了增大注射量和注射速度,加大流道系統尺寸以便將此流量傳送至澆口外,降低塑料熔體的表觀粘度是一個有效辦法。降低粘度的一個辦法是升高溫度。因為在切變速率恒定時,熔體的表觀粘度隨溫度升高而降低。降低粘度的另一種辦法是提高切變速率,因為大部分聚合物屬于假塑性流體,粘度隨切變速率的增加按指數方程下降,在高切變速率下可以采用低溫充模。例如對一個要求在粘度 0.0488Pa.s 下充模的 PP 注塑制品可作如下分析 : 當剪切速率為 10 2 s - 1 時,欲達到上述粘度 , 熔體溫度需要加熱到 245.8 ℃ ,但如果剪切速率增大至 10 3 s - 1 時,則只需要加熱到 204 ℃ 。若采用后一方案可使熔體溫度降低 41.8 ℃ 。這樣不僅縮短了生產周期,提高了生產效率,而且還減少了能耗。加大剪切速率可通過提高注射速率或減小澆口的辦法來實現。但要注意,大多數聚合物一般在中剪切速率區才會產生剪切稀化,剪切速率再提高,γ≥ 10 6 s - 1 時,粘度可降低至最小,且難以維持恒定。如果剪切速率再提高,就會出現不穩定流動,產生 聚合物降解 熔體破裂。部分聚合物極限剪切速率和剪切應力的范圍見表 3 ) 。

表 2 聚合物剪切速率和剪切應力范圍表

聚合物

熔體溫度℃

剪切速率 s - 1

剪切應力 10 - 6 Pa.s

聚合物

熔體溫度℃

剪切速率 s - 1

剪切應力 10 - 6 Pa.s

LDPE

158

140

0.57

PP

180

250

1.0

192

405

0.70

200

350

1.0

210

841

0.80

240

1000

1.0

HDPE

190

1000

3.6

260

1200

1.0

PS

170

50

0.8

PA-66

280

25000

-

190

300

0.9





210

1000

1.0





有幾點需要指出的是:

? 究竟是采用升溫還是提高切變速率來降低粘度,這要根據聚合物熔體粘度對溫度或切變速率的敏感性強弱而定。聚合物熔體粘度對γ和 T 的敏感性參見表3( 4 ) 。從表 2 可以看出, PS 、 PP 等對γ較敏感, POM 、 PA 等對γ不敏感。因此,在塑料成型中,采用增大γ來降低流體粘度對前者會有較好的效果,而對后者則可通過調整 T 來達到降低粘度的目的。

表 3 聚合物熔體粘度對γ和 T 的敏感性數據

聚合物

(注射級)

熔體溫度

T 1 /℃

在 T 1 和給定γ下的粘度η× 10 - 2 / Pa.s

熔體溫度 T 2 /℃

在 T 2 和給定γ下的粘度η× 10 - 2 / Pa.s

粘度對γ敏感性指標η( 10 2 s - 1 )/η( 10 3 s - 1 )

粘度對 T 敏感性指標η( T 1 )/η( T 2 )

10 2 s - 1

10 3 s - 1

10 2 s - 1

10 3 s - 1

T 1 ℃

T 2 ℃

10 2 s - 1

10 3 s - 1

共聚 POM

180

8

3

220

5.1

2.4

2.4

2.1

1.55

1.35

PA6

240

2.9

1.75

280

1.1

0.8

1.6

1.4

2.5

2.4

PA66

270

2.6

1.7

310

0.55

0.47

1.5

1.2

4.7

3.5

PA610

240

3.1

1.6

280

1.3

0.8

1.9

1.6

2.4

2.0

PA11

210

5.0

2.4

250

1.8

1.0

2.0

1.8

2.8

2.4

HDPE

150

11

3.1

190

8.2

2.4

3.5

3.4

1.35

1.3

LDPE

150

5.8

2.0

190

2.0

0.75

2.9

2.6

2.9

2.7

PP

190

8

1.8

230

4.3

1.2

4.4

3.6

1.8

1.5

抗沖 PS

200

9

1.8

240

4.3

1.1

5.0

3.9

2.1

1.6

對成型來說,如果聚合物熔體在較寬的溫度、壓力及剪切速率范圍內粘度變化都比較平穩,則這種聚合物的成型工藝性能就好。否則,在成型中上述任何一個因素的微小變化都會引起聚合物流體粘度的較大變動,從而引起產品質量的不穩定。這一點在選擇和制定成型工藝條件時要特別引起注意。

? 剪切生熱對粘度有影響。

? 壓力對熔體剪切粘度的影響來自熔體的可壓縮性,因為在加壓時,聚合物的自由體積減小,熔體分子間的自由體積也減小,使分子間作用力增大,最后導致熔體剪切粘度增大。聚合物因其長鏈大分子形狀復雜,分子鏈堆砌密度較低,受到壓力作用時,體積變化較大。在 100kPa 的壓力下,各種聚合物的壓縮率不超過 1 %,而當壓力增至 700kPa 時,壓縮率可高達 3~5 個數量級。表 4 列出了幾種聚合物的壓縮率。

表 4 幾種聚合物的壓縮率

聚合物

受壓時溫度/℃

加壓壓力/ MPa

體積收縮率/%

PMMA

150

自常壓加至 70

3.6

高壓 PE

150

自常壓加至 70

5.5

PA-66

300

自常壓加至 70

3.5

PS

150

自常壓加至 70

5.1

升壓相當于降低外界溫度。聚合物熔體的粘度隨所受壓力的增大而增大的依賴關系可近似用下式表示 ( 5 ) :

η p == η p0 e b(p - p0)

η p ——在壓力 p 下的粘度

η p0 ——在壓力下 p 0 的粘度

b ——壓力系數, b==V / RT ,其值約為 2Pa 。

由于聚合物的壓縮率不同,所以粘度對壓力的敏感性也不同,壓縮率大的敏感性大。粘度對壓力的依賴性表明了單純依靠增加壓力來增加塑料的流量和流速是不恰當的,過高的壓力會引起粘度的驟增,還有可能由于引起聚合物物理狀態的變化,如促使發生玻璃化和結晶,還會造成過高的功率消耗和設備消耗。

壓力和溫度對粘度的影響具有等效性。實驗證明,對許多聚合物,當壓力增加到 1000kPa 時,熔體粘度的變化相當于降低 30~ 50 ℃ 溫度的作用。

? 充模區段的流變分析

塑料熔體在模具型腔內的流動、傳熱過程是一個非常復雜的物理過程,非牛頓的塑料熔體在壓力的驅動下通過流道、澆口向較低溫度的型腔充填,熔體一方面由于模具傳熱而快速冷卻,另一方面因高速剪切產生熱量,同時伴隨有熔體固化、體積收縮、分子取向和可能的結晶過程。此外,由于塑料熔體本構關系的非線性和型腔幾何形狀的復雜性,因此在對模具充填過程和冷卻過程進行數值模擬時,需作適當簡化,否則會使數值求解無法進行,或即使能進行但由于計算量太大,耗時過長,無法在工程實際中應用。

注射模 CAE ( Computer Aided Engineering ) 技術就是根據塑料加工流變學和傳熱學的基本理論,建立塑料熔體在模具型腔中的流動、傳熱的物理數學模型,利用數值計算理論構造其求解方法,利用計算機圖形學技術在計算機屏幕上形象、直觀地模擬出實際成型中熔體的動態充填、冷卻過程,定量地給出成型過程的狀態參數 ( 如壓力、溫度、速度等 ) 。 20 世紀 80 年代以來,在國際市場上出現了一些商品化的注射模 CAE 軟件,如美國 AC Teclrnol ogy 公司的 C- MOLD 、澳大利亞 MF 公司的 1Vbl d FI ow 等,并用于指導實際生產,取得了顯著的經濟效益。國內是在 “ 八五 ” 期間才開始注射模 CAE 技術的研究、開發工作,近年來也陸續出現了一些具有自主版權的實用化注射模 CAE 軟件,如鄭州工業大學國家橡塑模具工程研究中心開發的 Z 一 MOLD 等 ( 6 ) 。 CAE 技術的應用帶來的直接好處是省時省力,減少試模、修模次數和模具報廢率,縮短模具設計制造周期,降低成本提高產品質量。

CAE 設計中 首先要輸入合理的注射成型工藝參數,常用材料的成型溫度見表 5 (僅供參考)。

表 5 常用材料的成型參考溫度

材料品種

注射溫度
( ℃ )

模具溫度
( ℃ )

最低

推薦

最高

最低

推薦

最高

ABS

200

230

280

25

50

80

PA 12

230

255

300

30

80

110

PA 6

230

255

300

70

85

110

PA 66

260

280

320

70

80

110

PBT

220

250

280

15

60

80

PC

260

305

340

70

95

120

PC|ABS

230

265

300

50

75

100

PC|PBT

250

265

280

40

60

85

PE-HD

180

220

280

20

40

95

PE-LD

180

220

280

20

40

70

PEI

340

400

440

70

140

175

PET

265

270

290

80

100

120

PETG

220

255

290

10

15

30

PMMA

240

250

280

35

60

80

POM

180

225

235

50

70

105

PP

200

230

280

20

50

80

PPE

240

280

320

60

80

110

PS

180

230

280

20

50

70

PVC

160

190

220

20

40

70

SAN

200

230

270

40

60

80

? 結語

? 應用流變學可以進行澆注系統的設計,使熔體在澆道中的運動接近等溫流動,避免經驗設計的不足。

? 根據流變學的基本原理,結合恰當的數值方程,可以實現充模流動分析。

? 根據流變學原理,可以恰當控制工藝條件如溫度、壓力、注射速率等,保證熔體粘度合適,使聚合物的成型工藝性能處于良好狀態。

參考文獻:

1 .周彥豪編.聚合物加工流變學基礎 [M] .西安:西安交通大學出版社, 1988 : 433~454

2 .馮偉東等. 應用流變學分析澆注系統 [J] . 長春理工大學學報, 2003 , 26 ( 2 ) : 73~74

3 .王興天主編.注塑成型技術 [M] .北京:化學工業出版社, 1989 . 12 ( 1999 . 10 重印) :

4 .王文俊編著.實用塑料成型工藝 [M] .北京:國防工業出版社, 1999 . 8 : 14


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