聚合物加工流變學分析

1、2021-7-16 聚合物加工流變學分析 1 2021-7-16 聚合物加工流變學分析 2 l注塑成型過程是將塑料原料在注塑機中 加熱熔化，然后將熔體注射到成型模具 型腔中固化成型的一種方法。 l注塑過程一般有幾個過程：（1）塑料 原料的熔化（塑化）；（2）塑料熔體 注射進入模具（充模）；（3）對進入 模具型腔的熔體保持一定的壓力，以充 滿型腔和獲得所需的密度（保壓）； （4）型腔中的熔體固化成型（熱固性 料交聯(lián)、熱塑性料冷卻）；（5）開模 頂出制品。 2021-7-16 聚合物加工流變學分析 3 l注塑成 型是由 注塑機 和模具 來實現(xiàn) 的，如 圖所示 是臥式 螺桿注 塑機 2021-7-1

2、6 聚合物加工流變學分析 4 l注塑機由：合模裝置、注射裝置、傳動 裝置、控制系統(tǒng)等所組成。 l模具由：定模、動模所組成。 l塑料原料在注射裝置中熔化，然后經噴 嘴、模具澆注系統(tǒng)進入到模具型腔。 l本章主要以熱塑性塑料在螺桿注塑機上 用模具進行注射成型為例進行介紹。 2021-7-16 聚合物加工流變學分析 5 l一、熔化特點 l注塑機中聚合物熔化的原理與擠出機是 一樣的，不同之處是，擠出機中的螺桿 只轉動，而沿軸向不動。注塑機中的螺 桿一邊轉動，一邊沿軸向后退。 l注塑機中當熔化的物料熔體在螺桿的推 動下到達料筒前端后，在其前端的熔體 中就建立了壓力，這個壓力作用在螺桿 的軸向，使螺桿往后退

3、。 2021-7-16 聚合物加工流變學分析 6 l二、熔體質量 l注射螺桿一邊轉動，一邊后退，塑料原 料塑化段有效長度變短，其熔化會不完 全，而且會發(fā)生固體床崩潰，這會影響 到塑化質量。同時，由于螺桿的轉動和 停止，螺桿的前進和后退是周期性的， 這使得物料受到的剪切和熱傳導也不均 勻。螺桿的轉速和背壓對物料塑化質量 影響很大。采用特殊設計的螺桿可以對 塑化質量進行改善。 2021-7-16 聚合物加工流變學分析 7 l一、粘性發(fā)熱 l噴嘴是塑料熔體從注塑機進入模具的連接件， 熔體在噴嘴中的流動是屬于壓力流動，并且， 熔體在噴嘴中會受到強烈的剪切作用，這個 剪切作用會使聚合物產生粘性發(fā)熱。 l

4、粘性發(fā)熱產生的溫升為： l式中-密度，Cp-比熱容 ) 1 . 2 . 6(/ p CpT 2021-7-16 聚合物加工流變學分析 8 l前面已經述及，壓力對聚合物熔體粘度有影響， 當壓力從0.1MPa提高到100MPa時,粘度就會增 加一個數(shù)量級。 l粘度與壓力之間的關系一般假設為： l0-壓力為參考壓力p0時的粘度值，為材料 參數(shù) ) 3 . 2 . 6()(exp 00 pp 2021-7-16 聚合物加工流變學分析 9 l聚合物熔體在噴嘴的流動過程中這種壓 力會引起的粘度增加，但與此同時，由 于剪切產生的粘性發(fā)熱又會產生使粘度 降低的效應，這兩種效應產生的對粘度 的影響基本上可以抵消

5、，所以，在注射 成型時一般不考慮壓力對粘度產生的影 響。 2021-7-16 聚合物加工流變學分析 10 l熔體從注塑機 噴嘴出來到進 入模具型腔所 流經的通道稱 為模具澆注系 統(tǒng)。一般主要 由：主流道、 分流道和澆口 組成。 2021-7-16 聚合物加工流變學分析 11 l多型腔模中主流道是指從噴嘴到分流道 的這段流道。單型腔模是指從噴嘴到澆 口的這段流道。從流動的觀點要求主流 道的壓力損失小。一般主流道為圓錐形， 內表面經過精加工，粗糙度很小。 2021-7-16 聚合物加工流變學分析 12 l在多腔模中，連接主流道與澆口的這段 流道稱為分流道。 l流動要求：壓力損失小，熱量損失小 l斷

6、面形狀： 2021-7-16 聚合物加工流變學分析 13 l尺寸估算 lD-分流道直徑（mm）；W-制品重量（g） lL-分流道長度（mm） ) 1 . 3 . 6( 7 . 3 4 LW D 2021-7-16 聚合物加工流變學分析 14 l分流道的布置 l要求：分流道盡可能短，以減小壓力損失， 布置力求流道平衡，亦即進澆口處熔體的壓 力與體積流量是相同的。 l對于由分流道直接到澆口的布置，只要分流 道截面形狀、流程一樣就可以保證平衡。對 于由主分流道再分成次分流道，然后到澆口 的布置（如圖），則需要進行流道尺寸計算。 2021-7-16 聚合物加工流變學分析 15 l主分流道與次分流道尺寸

7、的計算依據是圓管壓 力流動方程（3.2.10)，該方程可化為 l其中 )2 . 3 . 6( )13/( nn CQR )13/(1)13/( 2 13 nnn L p K n n C 2021-7-16 聚合物加工流變學分析 16 l如果分流道的流率(Q0)分成兩股進入到次 分流道(QI),那么,QI=0.5Q0,則兩者半徑之間 的關系為 l對牛頓流體, n=1, 次分流道半徑為主分流道半徑 的80%,對非牛頓流體,如HDPE,n=1/3, 次分流道半 徑為主分流道半徑的90%。對非圓流道，可用水 力學半徑替代。 )3 . 3 . 6(2)/( )13/()13/( 0 0 nnnn I I

8、 QQ R R 2021-7-16 聚合物加工流變學分析 17 l澆口是聚合物熔體進入型腔時的一段很 短的狹窄通道，它的主要作用是控制熔 體進入型腔的流動，實現(xiàn)在工藝條件下 的充模和保壓。 l澆口尺寸：澆口的截面尺寸小時，其凝 料截面也小，容易去除，留下痕跡小， 壓力損失大。但小澆口產生的剪切作用 大，對剪切變稀 比較敏感的原料，可以 借此降低粘度，改善充模性。因此，小 澆口適合一些材料的薄壁小制品成型。 一般澆口的尺寸多根據經驗確定。 2021-7-16 聚合物加工流變學分析 18 l澆口的位置：澆口的位置對于熔體在模 腔中的流動有很大的影響，這個影響最 終會涉及到充模性、熔接痕、殘余應力

9、等。澆口位置的選擇要盡可能使熔體以 鋪展的方式均勻的充滿型腔，同時到達 各個型腔末端，并且流程盡可能短。 l澆口的形式：直澆口、針點澆口、邊緣 澆口、潛伏澆口等。 2021-7-16 聚合物加工流變學分析 19 l充模流動是注射成型過程中非常重要的 過程。充模流動是一個非等溫，非穩(wěn)態(tài) 的復雜流動過程。在這個過程中，（1） 模腔溫度和熔體溫度是變化的；（2） 模具型腔復雜多樣；（3）聚合物熔體 在模腔表面產生凝結，使流通面積發(fā)生 變化，并且流通面積的變化不穩(wěn)定； 2021-7-16 聚合物加工流變學分析 20 l螺旋形模腔是用來評價聚合物熔體注塑 成型時充模特性的一種模具。模具型腔 是阿基米德螺

10、旋線。在一定的條件下注 射塑料熔體進入模具，熔體在模具中所 充填的長度就代表了其充模性。長度越 長，其充模性就越好。下圖就是幾種材 料在不同溫度下在螺旋形模腔中的長度。 2021-7-16 聚合物加工流變學分析 21 2021-7-16 聚合物加工流變學分析 22 lHull, Richardson等人提出了螺旋模腔中凝 固的半定量理論模型，然后從理論上計算 了充模長度。 l對圓形截面型腔 =L/R l對矩形截面型腔 =L/h ) 1 . 4 . 6(1/ )1/( CG nn z 2021-7-16 聚合物加工流變學分析 23 l圓形截面模腔 l矩形型腔 lC近似為常數(shù)，為0.1 )4 .

11、4 . 6( 2)2( 4 /12n p z K p n RCn G )5 . 4 . 6( 2)2( 4 /12n p z K p n hCn G 2021-7-16 聚合物加工流變學分析 24 lBarrie以如圖所示的 中心進澆圓盤觀察 結果為依據,提出了 一些假設,然后提出 了將流動過程中熔 體的等溫壓力降方 程(6.4.7)簡化適用于 非等溫流動 )7 . 4 . 6( 2 1 1 2 6 1 0 1 12 nn n n RR H K n Q p 2021-7-16 聚合物加工流變學分析 25 lBarrie假設： l（1）充模瞬間在模腔表面凝固的聚合 物是均勻的。設模腔厚度為H，凝

12、固層 厚度為H，則有效模腔厚度為 lHeff=H-2H （6.4.8) l(2)凝固層厚度是充模時間(t)、模溫 （TW）、熔體溫度（T0）、熔體凝固溫 度（TS）、聚合物擴散系數(shù)（）的函 數(shù)。 2021-7-16 聚合物加工流變學分析 26 lBarrie假設： l經驗公式如下 )10. 4 . 6( T 2C 6.4.9 0 2/1 3/1 w ws TT T CtH ）（ 2021-7-16 聚合物加工流變學分析 27 lBarrie假設： l（3）簡化后的有效模腔厚度適用方程（6.4.7)； l（4）圓盤形模腔的充模時間模腔容積和充模 速率之比計算； lR處的壓力降 )11. 4 .

13、6(/ 2 QHRt )12. 4 . 6( 1 1 2 62 1 0 1 12 0 nn n n eff RR n Q H K p 2021-7-16 聚合物加工流變學分析 28 l一般情況下，RR0，式（6.4.12)可化為 l上式即是簡化后用于非等溫流動的充模流動 方程。由上述方程分析出的一個結果如下圖 所示 )13. 4 . 6( 211 2 12 3/1 2 2 12 1 0 n n nn QH R CHn RQK p 2021-7-16 聚合物加工流變學分析 29 2021-7-16 聚合物加工流變學分析 30 l討論: l(1)對冷卻模，p-Q曲線存在一個最小流 率（Qmin），

14、這相當于充模瞬間進入模 腔的熔體被完全凝結的流率。即，如果 熔體充模流率小于這個數(shù)值，再大的壓 力也不能充滿模腔。 l（2）隨著流率的增加（ Qmin ），凝結 減少，充模瞬間壓力下降，然后再隨流 率（Q）的增加而逐漸增加。 2021-7-16 聚合物加工流變學分析 31 l討論： l（3）p-Q曲線在最低點附近比較平坦，壓力 近似為常數(shù)。 l將式（6.4.13)求導,然后可求出其最低壓力. )15. 4 . 6( 21 51 3 51 1 2 )( )14. 4 . 6()( 123 13 1 1 3 min nn n n nn n n n n n n nf H R CKnfp 2021-7-16 聚合物加工流變學分析 32 l一、保壓階段 l在聚合物熔體充到模具最末端后，一方 面熔體由于冷卻產生收縮，另一方面， 澆口外面的熔體在壓力的作用下強制進 入模腔補充冷卻產生的體積收縮，同時 模腔壓力迅速上升，在很短的時間內到 達最大壓力，這個階段稱為保壓階段。 這個階段的壓力-時間如圖所示。 2021-7-16 聚合物加工流變學分析 33 2021-7-16 聚合物加工流變學分析 34 l特征： l保壓階段，熔體的流動已經基本結束 （僅微小的補縮流動），熔體冷卻產生 的體積收縮是熔體依