澆口尺寸對聚丙烯和高密度聚乙烯微注塑熔接線強度的影響

1、澆口尺寸對聚丙烯和高密度聚乙烯微注塑熔接痕強度的影響Lei Xie 、 Gerhard Ziegmann摘要：熔接痕作為微注塑成型的一種缺陷，對微塑件表面質(zhì)量和機械性能都有重要影響。因此，研究熔接痕形成過程，提高微塑件質(zhì)量具有重要意義。本文以微型拉伸試件為研究對象，設計并制造了一模四腔微注塑模具，每個型腔對應不同的澆口尺寸，分別被記為澆口 Nr.1（1.50.10.5mm,寬深長），Nr.2（1.00.10.5mm,寬深長）,Nr.3（1.00.050.5mm,寬深長）和Nr.4(0.50.10.5mm,寬深長)。通過成型拉伸實驗，研究了不同工藝參數(shù)下模具澆口尺寸對熔接痕機械性能的影響。結(jié)果顯

2、示，隨著注射壓力和模具溫度的變化，澆口Nr.3所對應的聚丙烯塑件熔接痕強度最高，但它們之間的差異并不明顯。而對于高密度聚乙烯，澆口Nr.1所對應的型腔不能被完全填充，基于模流分析表明，這是由棒狀材料和雜物的阻塞所致。所以，本文僅研究了另外三個澆口尺寸對微塑件熔接痕強度的影響。結(jié)果顯示，澆口Nr.3在任何工藝參數(shù)下都能獲得最好的熔接痕質(zhì)量，其次是澆口Nr.4，然后是澆口Nr.2。最佳成型工藝參數(shù)為：注射壓力為80MPa，注射速度為90,熔體溫度為200,模具溫度為130。關(guān)鍵詞：微注塑，熔接痕，澆口尺寸，拉伸試驗1 引言微注塑成型作為一種大批量生產(chǎn)微型零件和微型部件的關(guān)鍵技術(shù)之一，具有高效率、低

3、成本等特點。該技術(shù)始于20世紀80年代，是由傳統(tǒng)注塑工藝發(fā)展而來。因此，同普通注塑成型工藝一樣，微注塑成型也存在一些缺陷，如充填不滿、翹曲、縮水、流痕、氣阱和熔接痕等。 關(guān)于熔接痕缺陷，根據(jù)已有的普通注塑成型的研究結(jié)果，其形成原因主要是融合不完全和兩個流動前鋒連接不充分。它嚴重影響塑件表面質(zhì)量和機械性能。對于大多數(shù)聚合物及其混合物而言，熔接痕將嚴重降低其強度。在微注塑工藝中，影響熔接痕機械性能的因素有很多，但是研究工作緊限于這一個方面。之前已經(jīng)研究了微注塑成型中工藝參數(shù)、流道截面形狀與熔接痕強度之間的關(guān)系，并通過可視化實驗模具和數(shù)值模擬方法分析了微注塑成型中熔接痕形成的過程。Wu等研究了幾何形

4、狀與尺寸對微注塑零件機械性能的影響。H.Klein等針對微型拉伸試件，開發(fā)了微型拉伸試驗儀。但是，仍然還有許多其他影響因素，如模具設計、澆口類型和尺寸等。因此，本文主要探究了不同工藝條件下，澆口尺寸對微注塑熔接痕強度的影響。2 試驗2.1 成型材料和注塑機聚丙烯(PP;PPH 734-52 RNA)，DOW Eourope GmbH公司生產(chǎn)；高密度聚乙烯(HDPE; LUPOLEN5031L)，Basell GmbH公司生產(chǎn)。表1列出了PP和HDPE的常規(guī)特性。為了了解工藝能力并進行模流分析，利用旋轉(zhuǎn)流變儀和高壓毛細管流變儀測試了PP和HDPE的流變學特性。結(jié)果如圖1所示。Arburg 320

5、C型水平注塑機，如圖2所示，螺桿直徑30mm，最大夾緊力600KN，注射壓力250Mpa，注射速率112。2.2 試驗模具及設備澆口類型和尺寸是影響聚合物分子取向，顆粒、纖維填充，以及塑件機械性能和物理特性的重要因素。表1 PP和HDPE的常規(guī)特性 、 圖1 a：溫度為200時PP(PPH 734-52 RNA) b：溫度為200時HDPE（LUPOLEN5031L)黏度與剪切速率的關(guān)系 黏度與剪切速率的關(guān)系表2 模具澆口尺寸 圖2 Arburg 320C注塑機 澆口的種類有很多，如梯型澆口、薄片澆口以及側(cè)澆口等?？紤]到本研究中所用的微型拉伸試樣的幾何形狀與尺寸（如圖3所示），澆口類型選擇側(cè)澆

6、口，示意圖如圖4所示。設計并制造了雙澆口四型腔模具，如圖5所示。其中各澆口長度相同，但寬度和橫截面積相同，如表2所列。四個微型腔幾何形狀與尺寸相同，如圖3所示。結(jié)合前人的研究成果，同時為成型一模四件，模具采用變模溫系統(tǒng)，如圖6所示。加熱方式采用電熱棒熱塊，冷卻介質(zhì)采用19的冷水。2.3 拉伸試驗利用多功能機械測試儀(Zwick)測得微型拉伸試件的熔接痕強度。單元負荷200N，塑件兩端夾持距離13.8mm，拉伸速度1mm/min。拉斷強度由Testxpert軟件自動記錄。為使實驗偏差最小，每個工藝條件下重復五次，最終拉伸測試結(jié)果取五次試驗的平均值。 圖3 微拉伸試件的幾何形狀和尺寸（mm） 圖4

7、 側(cè)澆口示意圖 a示意圖 b塑件的3D模型 c微型模具型腔的實物圖圖5 不同尺寸澆口的多型腔模具圖6 微注塑成型工藝中所用的變模溫系統(tǒng)3 結(jié)果與討論3.1 試驗方案依照表3和表4中所列的PP和HDPE的試驗方案進行微注塑成型實驗。各工藝參數(shù)（熔體溫度，模具溫度，注射速率和注射壓力）不同，保壓壓力為注射壓力值的80%，保壓時間5秒。頂出溫度60。表3 聚丙烯試驗方案表4 高密度聚乙烯試驗方案3.2 模流分析為了獲悉并觀察型腔填充過程，對PP和HDPE進行模流分析。結(jié)果如圖7所示。從這些模擬結(jié)果中可以得出，各型腔充滿的順序依次為澆口1、澆口2，然后是澆口4；澆口3在PP和 HDPE兩組試驗中填充速

8、度最慢。由流變學測試和熔體流動速率值可知，HDPE黏度高于PP，故其填充時間要長于PP。3.3 試驗結(jié)果通過微注塑成型制得帶有熔接痕的微型拉伸試樣，如圖8所示。然而，對于HDPE而言，不論如何設置工藝參數(shù)，與澆口1相對應的型腔都填充不滿。從模流分析結(jié)果來看，四個澆口中澆口1體積最大，與其對應的型腔總是最先被填滿，因此可假設澆口1的型腔被棒料或型腔內(nèi)的雜質(zhì)所阻塞，這些雜質(zhì)由于型腔太小而沒有被完全清除干凈，所以會在制備HDPE樣品時殘留在型腔內(nèi)。按之前所述的拉伸試驗步驟，測得不同澆口尺寸所對應的微塑件熔接痕強度。PP的實驗結(jié)果如圖9、10、11和12所示。HDPE的實驗結(jié)果如圖13、14、15和1

9、6所示。3.4 聚丙烯由聚丙烯的實驗結(jié)果可知，澆口尺寸與熔接痕強度之間存在非線性關(guān)系。從圖9中可以得出，隨著注射壓力的變化（除了注射壓力為100MPa的情況）澆口Nr.3所對應的熔接痕強度最高，其次是澆口Nr.2，強度最小，但是對熔接痕強度的影響并不顯著。模具溫度對熔接痕強度的影響，如圖12所示。所對應的熔接痕強度基本相同。當注射速度與熔體溫度變化時，圖10和圖11顯示，澆口Nr.2所對應的熔接痕強度最高，其次是澆口Nr.3，而對的影響水平相當所對應的熔接痕強度最高；當澆口寬度在改變注射壓力和模具溫度的情況下，澆口深度越?。部贜r.3）熔接痕強度越高；相反地，在改變注射速率和熔體溫度的情況下

10、，澆口深度越大（澆口Nr.2）熔接痕強度越高。此外，圖8、9、10和11所示的工藝參數(shù)與熔接痕強度之間的相互關(guān)系與作者之前研究的結(jié)果相一致。3.5 高密度聚乙烯HDPE熔接痕強度的實驗結(jié)果如圖13所示，與PP的結(jié)果相同，在不同的注射壓力下，澆口Nr.3所對應的熔接痕強度最高，澆口Nr.4次之。對于不同的注射速率、模具溫度和熔體溫度，澆口尺寸和熔接痕強度之間的關(guān)系與不同注射壓力下所變現(xiàn)出來的關(guān)系相一致。當澆口寬度相同時，澆口深度越小，熔接痕強度越高。當澆口深度相同時，澆口寬度越小，熔接痕機械性能越好。圖7 a 聚丙烯整體零件的填充過程；b 高密度聚乙烯整體零件的填充過程圖8 單個試件 （a）聚丙

11、烯（b）高密度聚乙烯圖9 聚丙烯材料在注射壓力分別為80、100和120MPa時，不同的澆口尺寸所對應的熔接痕強度，熔體溫度220，模具溫度135，注射速率70圖10 聚丙烯材料在注射速度分別為70、90和110時，不同的澆口尺寸所對應的熔接痕強度，熔體溫度220，模具溫度135，注射壓力100MPa圖11 聚丙烯材料在熔體溫度分別為210、220和240時，不同的澆口尺寸所對應的熔接痕強度，模具溫度135，注射速率110，注射壓力100MPa圖 12 聚丙烯材料在模具溫度分別為135和140時，不同的澆口尺寸所對應的熔接痕強度，熔體溫度220，注射速率110，注射壓力100MPa圖13 高密

12、度聚乙烯在注射壓力分別為80、100和120MPa時，不同的澆口尺寸所對應的熔接痕強度，熔體溫度220，模具溫度130，注射速度90圖 14 高密度聚乙烯在注射速率分別為70、90和110時，不同的澆口尺寸所對應的熔接痕強度，熔體溫度200，模具溫度130，注射壓力100MPa圖 15 高密度聚乙烯在熔化溫度分別為190、200和210時，不同的澆口尺寸所對應的熔接痕強度，模具溫度130，注射速率90，注射壓力100MPa圖 16 高密度聚乙烯在模具溫度分別為125、130和135時，不同的澆口尺寸所對應的熔接痕強度，熔體溫度200，注射速率70，注射壓力100MPa此外，圖13、14、15和

13、16也包含了微注塑工藝參數(shù)對HDPE熔接痕強度的影響。如圖13所示，當注塑壓力為80Mpa時，有利于熔接痕強度的提高，這意味著注射壓力對熔接痕強度的影響是非線性的。在圖14、15和16也得到了相似的結(jié)果。最佳成型工藝參數(shù)為：注射速率為90,熔體溫度為200,模具溫度為130。較高或較低的參數(shù)水平都不能使HDPE在微注塑成型中獲得最好的機械性能。3.6 結(jié)果討論與分析由上述結(jié)果可得：對于兩種不同材料的熔接痕強度，澆口寬度有著相同時，不論工藝參數(shù)如何變化，澆口Nr.2所對應的熔接痕強度最高，對于HDPE而言，澆口Nr.4所對應的熔接痕強度最高；但是澆口深度卻并非總是對熔接痕強度有著積極影響（熔接痕

14、強度最高時所對應的澆口與成型參數(shù)不同），并且大尺寸澆口所對應的熔接痕強度并非一直最好，這與普通注塑成型的結(jié)果不同。當澆口橫截面積相等（0.05表明，在微注塑成型中，澆口（澆口Nr.3）寬度越大，深度越小，所形成的熔接痕強度越高。側(cè)澆口深度的耦合效應對熔接痕強度的影響比寬度的耦合效應影響大，范圍與微型拉伸試件的厚度（0.1mm）有相同的數(shù)量級，所以會顯著影響聚合物熔體厚度方向上的流動行為。相反，澆口寬度變化的影響較小。如圖7所示，澆口寬度的變化會影響熔體流動前沿的狀態(tài)。圖17熔體流動前沿形狀模擬圖，該圖顯示了澆口深度對熔體流動前沿的影響。通過對比模擬結(jié)果可以得出，澆口深度變化對熔體流動前沿形狀的

15、影響比寬度變化的影響更為顯著。圖18所示為熔體流動前沿形狀對熔接紋強度的影響機理。圖 17 不同澆口深度（）下，熔體流動前沿形狀模擬圖圖 18 熔體流動前沿形狀影響V型缺口尺寸的原理圖（V型缺口是決定熔接痕強度的主要因素）圖 19 a 樣示微切割試意圖；b 偏光顯微鏡下厚度方向上的形態(tài)澆口深度對微注塑件形態(tài)結(jié)構(gòu)也有顯著影響，這與熔接痕強度密切相關(guān)。利用偏光顯微鏡所觀察試件厚度方向上的形態(tài)，結(jié)果如圖19所示。只有表層和剪切層，沒有像常規(guī)塑件那樣的核心層（常規(guī)塑件中，核心層占據(jù)了材料微觀結(jié)構(gòu)的主要部分）。微注塑的這種形態(tài)結(jié)構(gòu)更易受到與流動特性相關(guān)的工藝條件的影響。例如，表層厚度與溫度條件密切相關(guān)，

16、剪切層與注射速率及注射壓力密切相關(guān)。因此，不管是PP還是HDPE，熔接痕強度對澆口深度和工藝參數(shù)的耦合作用都很敏感。根據(jù)熔接痕強度、澆口尺寸和工藝參數(shù)之間相互關(guān)系，繪制了如圖20所示的曲線，圖中工藝參數(shù)和熔接痕強度之間的關(guān)系呈現(xiàn)“多S波形”曲線，這表明工藝參數(shù)的最優(yōu)點不唯一；側(cè)澆口深度與熔接痕強度的關(guān)系呈現(xiàn)拋物線狀曲線。不過，該研究需要進一步驗證。圖 20 工藝參數(shù)a、澆口尺寸b與熔接痕強度之間的關(guān)系曲線4 結(jié)論通過以上關(guān)于微注塑成型中澆口尺寸對熔接痕強度的影響的研究，可以得出以下結(jié)論：1. 在微注塑成型中，澆口尺寸是影響熔接痕強度的因素之一，并且該影響與工藝條件有關(guān)。2. 所對應的熔接痕強度最高）時，隨著注射壓力和模具溫度的改變，澆口（澆口Nr.3）深度越小，熔