流變學(xué)大三-復(fù)習(xí)第九章注射過程

第九章注射過程9.1注射成型過程簡介9.2注射過程流變分析9.3注塑制品中的殘余應(yīng)力及分子取向9.1注射過程簡介注射成型：是熱塑性塑料制品最重要的成型方法主要設(shè)備：柱塞或螺桿式往復(fù)注射機，以及根據(jù)制品要求設(shè)計的注射模具。塑化好的塑料熔體靠螺桿或柱塞的推力注入閉合的模腔內(nèi)，經(jīng)冷卻固化成型后，開模得到所需的制品。圖9-1典型注射成型設(shè)備示意圖注塑過程是往復(fù)、連續(xù)進(jìn)行的塑料件的成形

塑料按其成形本質(zhì)不同而分為熱塑性塑料和熱固性塑料。所采用的成形方法也不同。熱塑性塑料的成形方法主要有注射成型、擠出成型、壓延成型和吹塑成型等工藝方法；

自動化程度高，生產(chǎn)率高，制品尺寸精確，可注射形狀復(fù)雜，壁薄和金屬嵌件的大、中、小型零件。設(shè)備及模具成本高。

注射機特點

熱固性塑料主要有模壓成型、傳遞成型、層壓成型等工藝方法。其中傳遞成型、注射成型、層壓成型等方法既可用于熱塑性塑料，也可用于熱固性塑料的成型加工。圖9-2注射過程循環(huán)示意圖圖9-3注射成型周期的程序圖圖9-3典型注射成型周期的程序圖1柱塞前進(jìn)時間；2合模時間；3開模時間；4殘余壓力。a靜置時間；b充模時間；c保壓時間；d倒流時間；e封口時間；f封口后冷卻時間第一階段：合模引料階段:物料在料筒內(nèi)加熱塑化，模板閉合，物料開始向入模方向移動，但仍未入模腔，模腔內(nèi)的壓力非常低。第二階段：充模階段：熔體開始進(jìn)入模腔內(nèi)，模內(nèi)壓力逐漸上升。第三階段：保壓階段:因為噴嘴壓力高于模腔壓力，所以熔體仍可緩慢進(jìn)入模腔內(nèi)，以補充熔體在模內(nèi)冷卻收縮后所用的物料，使制品進(jìn)一步密實。第四階段：倒流階段:由于柱塞后退，柱塞壓力立即消失，噴嘴內(nèi)的壓力也迅速下降為0，但此時模腔內(nèi)的壓力要高于流道中的壓力，所以澆口內(nèi)尚未凝固的熔體有可能倒流，直到澆口內(nèi)熔體凝固為止。第五階段：凝封階段:沒有明顯的時間間隔，當(dāng)上述倒流階段結(jié)束后，也就到了凝封時間，這時由于澆口凍結(jié)，模內(nèi)壓力不能繼續(xù)下降。第六階段：冷卻階段:這一階段持續(xù)到物料的溫度下降到非晶性高聚物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度或結(jié)晶性高聚物的熔融溫度，使鏈段運動凍結(jié)起來。第七階段：開模階段:殘余應(yīng)力一般注射機及模具的功能區(qū)段可分為3個區(qū)段:

塑化段：同擠出機，物料在其中熔融\塑化\壓縮并向前輸送注射段：由噴嘴\主流道\分流道\澆口組成，物料在其中的流動如同毛細(xì)管流變儀充模段：熔體進(jìn)入模腔后，發(fā)生復(fù)雜的三維流動以及不穩(wěn)定傳熱\相變\固化等過程。9-2注射過程流變分析一、注射段流變過程分析類似毛細(xì)管流變儀，對于冪律流體，如澆口為圓形，則有：如澆口為扁孔形，則：(1)澆口長度L縮短長度，在不增大澆口斷面的情況下，提高注射速度。(2)澆口斷面尺寸增大尺寸，增大Q，但粘度相應(yīng)增高(3)切變速率選擇切變速率大，粘度影響小(4)表觀粘度:降低措施：升高溫度，提高切變速率二、充模區(qū)段的流變分析1、簡化假定和基本方程選擇幾何形狀最簡單的圓盤形模具和管式流道入口進(jìn)行研究。示意圖見下：圓盤形模具和管式流道入口柱坐標(biāo)圖設(shè)盤形模具的模腔半徑為R*，厚度為Z，壁溫保持為T0，澆口在圓盤中心，半徑為R0，溫度為T1的熔體從澆口注入模腔，并以輻射狀從中心向四周流動.取柱坐標(biāo)系,在圓盤中物料沿半徑r的方向流動，故r方向為主流動方向，不同z

高度流層的流速不同,故z

方向是速度梯度方向，θ方向為中性方向。假定：(1)

設(shè)物料為不可壓縮的冪律流體.(2)

物料以蠕動方式充滿模腔，設(shè)流速只有vr≠0(vθ,vz=0),且vr沿z

方向的變化率遠(yuǎn)大于沿r

方向的變化率，即(3)

法向應(yīng)力分量遠(yuǎn)小于剪切應(yīng)力分量，重力、慣性力忽略不計。(4)

導(dǎo)熱只通過上下板進(jìn)行，即只在z方向進(jìn)行，且熔體比熱容、密度、導(dǎo)熱系數(shù)全為常數(shù)。據(jù)此，得到系統(tǒng)的連續(xù)性方程：R方向的運動方程：能量方程：其中，ρ

為密度，cv熔體定容比熱，k

為熔體導(dǎo)熱系數(shù)，p

為壓力，T

為溫度。選用冪律方程為物料的本構(gòu)方程：借助于適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件，可以求出從中央澆口管的半徑R0處到輻射狀流動時的流動長度R處（即圓盤的瞬時半徑R處）的壓力降為：其中，Q為注射機的體積流量，z為圓盤高度。此式是在不考慮溫度變化條件下求得的。2、充模壓力分析充模過程中，模腔內(nèi)的壓力降，即從澆口到熔體瞬時前沿的壓力降是十分重要的參數(shù)，一般，希望壓力降越小越好。原因：A

可減少模塑制品內(nèi)的凍結(jié)應(yīng)力，提高制品的尺寸穩(wěn)定性B

可降低鎖模壓力，提高安全系數(shù)。對于冷模更重要。由于熔體注入后冷卻很快，應(yīng)力松弛時間少，因此熔體中最初建立的應(yīng)力大部分將作為凍結(jié)應(yīng)力保留下來，降低壓力降的問題尤為突出。等溫和非等溫充模時模腔壓力與流量的實測關(guān)系圖可見，在等溫注射過程中，壓力降幾乎與lgQ

成正比，與上式描述的規(guī)律一致。對于非等溫充模（冷模），曲線存在一最小體積流率Qmin，當(dāng)Q《Qmin，相當(dāng)于熔體一進(jìn)入模腔就全部凝固，流道堵塞，此時熔體壓力再高，也不能充模。當(dāng)Q》Qmin流率很高，瞬間充入的熔體與模壁來不及進(jìn)行熱交換，因此接近等溫充模過程。在兩種極端情況中間，存在一恰當(dāng)?shù)牧髀蔘p，與之相對應(yīng)的模腔壓力降為極小值。

實際上熔體進(jìn)入冷模（如壁溫為室溫）后，貼近模壁的熔體很快凝固，速度銳減，形成冷凍皮層，使熔體流道寬度

Z

下降。下圖給出的是熔體充滿模腔之前的一瞬間，運動著的熔體前沿部分的速度和溫度分布?？梢姡１诟浇秶鷥?nèi)熔體速度為0，即冷凍皮層的厚度為ΔZ

。

實驗表明，冷凍皮層的厚度

ΔZ

是充模時間t，模溫To，熔體溫度Tl，熔體凝固溫度Ts及熔體熱擴散系數(shù)a的函數(shù)，有經(jīng)驗公式：可見，熔體溫度越低，模溫越低，熔體熱擴散系數(shù)越大，則ΔZ越厚。于是，熔體充模時實際有效流道寬度為：計算模腔壓力降時，應(yīng)用Zeff代替Z

充模時間t等于模腔體積除以體積流率Q：當(dāng)熔體充滿模腔的一瞬間，R*=R0。假定澆口半徑《熔體圓盤半徑，得到圓盤模腔內(nèi)熔體壓力降的修正公式：其中，K為稠度，n為冪指數(shù)。

充模過程中希望壓力降越小越好。將Δp

對流量Q求導(dǎo)，并令，得到模腔內(nèi)壓力降極小值為：其中：或：即模腔內(nèi)壓力降極小值由三項決定：1.f(n)為純數(shù)，與物料流動性有關(guān)；2.反映了物料的傳熱性能和流動性；3.第三項G(n)主要取決于模腔的幾何參數(shù)。

在物料及模腔的幾何參數(shù)確定的情況下，決定模腔內(nèi)壓力降的主要因素為。可見，要使Δpmin盡可能小，可采取的措施有：提高熔體溫度和提高模具溫度，兩者均可使

C

降低，尤其當(dāng)熔體溫度升高后，粘度降低，更有利于注射。此外，選擇凝固溫度低的物料和熱擴散系數(shù)小的物料，均有利于加工。9.3注塑制品中的殘余應(yīng)力及分子取向

由前面已知，從熔體經(jīng)澆口開始注入模腔時起，模腔內(nèi)壓力開始建立，而后迅速增大，在保壓階段保持高壓，一旦流動停止，應(yīng)力開始松弛，松弛速率取決于卸載后的冷卻速率、冷卻時間及物料松弛時間的長短。若物料冷卻速率高，冷卻時間短而松弛時間較長，則冷卻后有較多應(yīng)力被凍結(jié)在制品內(nèi)，稱殘余應(yīng)力或內(nèi)應(yīng)力大。殘余應(yīng)力種類：

1）伴隨驟冷淬火產(chǎn)生的驟冷應(yīng)力

2）由于制品的幾何形狀所造成的各部分收縮不均勻而產(chǎn)生的構(gòu)型體積應(yīng)變，與1）可通過熱處理消除。

3）因分子取向被凍結(jié)而產(chǎn)生的應(yīng)力，稱凍結(jié)分子取向。凍結(jié)分子取向產(chǎn)生機理：進(jìn)入模腔的物料一般處于高溫低剪切狀態(tài)，但當(dāng)物料接觸到冷模壁后，物料冷凝，致使粘度升高，并在模壁上產(chǎn)生一層不流動的冷凍皮層。該皮層有絕熱作用，使貼近皮層的物料不立即凝固，在剪切應(yīng)力作用下繼續(xù)向前流動。若高分子鏈一端被凍結(jié)在皮層內(nèi)，而另一端仍向前流動，必然造成分子鏈沿流動方向取向，且保壓時間越長，分子鏈取向程度越高。在后來的冷卻階段，這種取向被凍結(jié)下來。可見，分子取向凍結(jié)大多不發(fā)生在制品中心處，而發(fā)生在表皮層以下的那層材料中。沿注塑制品厚度方向的雙折射變化示意圖在多數(shù)情況下，尤其是對厚制品，總以分子取向少些為佳，因為減少凍結(jié)分子取向有降低模制品內(nèi)發(fā)生“銀紋”的趨勢，從而改善制品的尺寸熱穩(wěn)定性，使制品的力學(xué)性能穩(wěn)定。由于凍結(jié)分子取向大部分產(chǎn)生于“保壓”階段。因此縮短向模腔內(nèi)填充物料的時間，可使凍結(jié)取向值大為減少。影響凍結(jié)分子取向的因素：圖為部分注塑過程變量對凍結(jié)分子取向的影響分子取向?qū)χ破肺锢硇?/p>