塑料注射成型過程中的融合縫

塑料注射成型過程中的融合縫

在塑料注射加工中，如果兩個(gè)或兩個(gè)以上的熔融料流之前存在均勻的分解，并在產(chǎn)品表面形成融合縫。融合縫是聚合物在加工過程中常見的缺陷,融合縫可導(dǎo)致聚合物制品的強(qiáng)度下降,影響制品的外觀。1制品融合縫的微觀組織結(jié)構(gòu)在熔體充模過程中,熔體前沿流區(qū)存在所謂的噴泉流動(dòng)。當(dāng)觀察者隨熔體前沿運(yùn)動(dòng)時(shí),看到熔體運(yùn)動(dòng)的流線象噴泉一樣由中心流向模腔壁面,同時(shí)由于熔體中心的流動(dòng)速率快,因而不斷補(bǔ)充熔體前沿區(qū)。流向壁面的熔體在沿厚度方向受到拉伸而形成取向,當(dāng)該熔體接觸冷模壁時(shí)取向的分子鏈來不及解取向而凝固。2個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)熔體的流動(dòng)前沿在雙曲面的中心首先相遇受阻,使得后來的熔體以“拉伸流動(dòng)”的方式向模壁方向繼續(xù)流動(dòng),這種垂直于注射方向的流動(dòng)直到模腔被充滿為止,因而造成了大分子鏈沿融合縫方向取向排列。由2個(gè)流動(dòng)前沿與模壁所圍成密封空間中的氣體被壓縮到模壁處,在制品融合縫區(qū)形成了V形槽。融合縫在宏觀上表現(xiàn)為一條熔接線,微觀上是一個(gè)與主體不同的三維區(qū)域,該區(qū)域的微觀形態(tài)結(jié)構(gòu)與主體不同,且性能比整體材料要差。人們常用融合縫系數(shù)融合縫系數(shù)(FXL)來表示融合縫對(duì)塑件的損害程度。FXL值越小,融合縫對(duì)塑件的損傷越大。融合縫系數(shù)為含融合縫試樣性能值/無融合縫試樣性能值的比。融合縫對(duì)聚合物力學(xué)性能的影響程度有很大的區(qū)別,對(duì)于無定形聚合物和共混物,融合縫會(huì)導(dǎo)致制品性能有較大的損失,而對(duì)于結(jié)晶聚合物,其融合縫強(qiáng)度與聚合物本體強(qiáng)度接近。2不同子研究對(duì)共混體系融合縫強(qiáng)度的影響融合縫導(dǎo)致聚合物機(jī)械性能大幅下降是由于融合縫處形態(tài)結(jié)構(gòu)與本體部分不同造成的。對(duì)于無定形聚合物的研究表明,導(dǎo)致融合縫強(qiáng)度下降的原因是由于其形態(tài)結(jié)構(gòu)有以下幾個(gè)特點(diǎn):存在弱連接層、分子鏈沿融合縫方向取向及制品表面有V形槽。對(duì)于結(jié)晶聚合物,由于其融合縫的存在對(duì)其力學(xué)性能的影響較小。故對(duì)其融合縫形態(tài)結(jié)構(gòu)的研究較少。已有的研究表明,結(jié)晶聚合物融合縫強(qiáng)度的降低可歸因于其融合縫處的結(jié)構(gòu)及結(jié)晶情況與本體部分存在差異。研究發(fā)現(xiàn),對(duì)于聚丙烯(PP)而言,在融合縫處表層要比本體部分薄,并且在融合縫處沒有β晶型,且其結(jié)晶度要低于本體部分,因此會(huì)造成融合縫強(qiáng)度下降。G.Titomanlio等研究了熔體溫度及模具溫度的變化對(duì)聚酰胺(PA)融合縫V型槽的影響,發(fā)現(xiàn)溫度的下降會(huì)造成V型槽加深,V型槽的加深造成了融合縫強(qiáng)度的下降。Mielewski等人提出影響PP冷融合縫力學(xué)性能的原因?yàn)榈拖鄬?duì)分子質(zhì)量的添加劑在融合縫處富集。對(duì)于共混體系,由于相對(duì)于單組分體系而言,共混體系引入了第二或更多組分,因而其融合縫的形態(tài)結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜,除了具有單組分體系融合縫的形態(tài)結(jié)構(gòu)外,如兩相之間的界面黏結(jié)力、兩相之間的黏度比、兩相之間的用量比的變化等因素都會(huì)影響融合縫的形態(tài)結(jié)構(gòu),因而影響融合縫力學(xué)性能的因素也會(huì)更多。近年來關(guān)于研究共混體系融合縫的研究主要集中在融合縫形態(tài)結(jié)構(gòu)對(duì)其力學(xué)性能的影響,以及相容劑和兩相黏度比對(duì)共混體系的融合縫形態(tài)結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能的影響等方面。通過研究共混物融合縫處的形態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn),當(dāng)分散相的黏度大于連續(xù)相時(shí),分散相粒子在融合縫處沿融合縫方向取向,可運(yùn)用熔體在注射過程的流動(dòng)方式解釋該形態(tài)的成因。研究表明,加入相容劑可提高共混體系的融合縫強(qiáng)度。通過研究加入相容劑后融合縫處的形態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn),相容劑的加入改變了分散相在融合縫處的形態(tài)結(jié)構(gòu),使分散相在融合縫處的各向異性變?yōu)楦飨蛲?促進(jìn)分子鏈在融合縫處的相互擴(kuò)散,從而有利于融合縫強(qiáng)度的提高。3其他方面的對(duì)策雖然可以通過調(diào)整注射過程中的加工參數(shù)(如提高熔體溫度和模具溫度等)來提高融合縫強(qiáng)度,但由于聚合物易降解,所以并不能無限制地提高熔體溫度,并且過高的熔體溫度及模具溫度也使制品成型周期變長(zhǎng),特別是對(duì)于許多聚合物而言,調(diào)整加工參數(shù)并不能將融合縫強(qiáng)度提高至理想值。因而,研究人員從其他方面入手,來提高融合縫的強(qiáng)度或?qū)⑷诤峡p的危害降至最低。1)運(yùn)用數(shù)值模擬優(yōu)化加工參數(shù)及注塑件幾何形狀尺寸,將融合縫的危害降至最低。2)在熔體形成融合縫過程中,引入機(jī)械振動(dòng),改變?nèi)诤峡p形態(tài)結(jié)構(gòu),提高融合縫強(qiáng)度。3)改變模具結(jié)構(gòu),改變?nèi)垠w在融合縫處的流動(dòng),從而影響融合縫形態(tài)結(jié)構(gòu),提高融合縫強(qiáng)度。4)在融合縫形成過程中,施加超聲振動(dòng),提高融合縫強(qiáng)度?，F(xiàn)分別就以上各方面進(jìn)行詳細(xì)介紹。3.1壓力傳感模型在注射過程中,完全消除融合縫幾乎不可能,但可以通過數(shù)值模擬法優(yōu)化加工參數(shù)及塑件幾何形狀尺寸,使其對(duì)注塑件外觀和性能的影響降至最低。申長(zhǎng)雨將消除融合縫對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量影響方法歸納為以下幾方面。成型工藝方面:(1)提高注射壓力和速度;(2)提高熔體和模具溫度;(3)盡可能使2股熔體前沿的溫差小于10℃。模具設(shè)計(jì)方面:(1)增大澆口和流道尺寸;(2)在融合縫附近設(shè)置排氣孔;(3)盡可能使融合縫在靠近澆口附近形成。制品設(shè)計(jì)方面:(1)適當(dāng)增加壁厚,有利于壓力傳遞;(2)保持較高熔體溫度。Chung開發(fā)了一個(gè)可對(duì)注塑件各位置的纖維取向進(jìn)行數(shù)值模擬的模型,該模型還可對(duì)應(yīng)力張量、壓力、速度和溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬。S.J.Liu等采用Taguchi試驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)了一個(gè)試驗(yàn)矩陣,用注射加工中的6個(gè)參數(shù)(嵌件尺寸、注射壓力、熔體溫度、保壓壓力、模具溫度和注射速度)的不同值,進(jìn)行18種組合,對(duì)聚苯乙烯(PS)的注射過程進(jìn)行試驗(yàn)。將試驗(yàn)得出各參數(shù)對(duì)性能影響的最優(yōu)值組合到一個(gè)試驗(yàn)中進(jìn)行驗(yàn)證,結(jié)果顯示其融合縫強(qiáng)度高于其他試驗(yàn)值。可見,用優(yōu)化的參數(shù)值可以提高融合縫強(qiáng)度。I.S.Dairranieh等用Moldflow軟件對(duì)融合縫的形成及加工參數(shù)的變化對(duì)融合縫強(qiáng)度的影響進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬預(yù)測(cè)與試驗(yàn)驗(yàn)證。成功地預(yù)測(cè)了注射時(shí)間對(duì)融合縫強(qiáng)度的影響,即增加注射時(shí)間,融合縫強(qiáng)度增加。試驗(yàn)證明,注射時(shí)間增加16%,融合縫強(qiáng)度可增加4%。該軟件還能正確預(yù)測(cè)材料性能對(duì)融合縫強(qiáng)度的影響。魯曉梅提出了一個(gè)預(yù)測(cè)融合縫形成位置的數(shù)值計(jì)算方法,并用實(shí)例對(duì)該算法的可靠性進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明算法的計(jì)算值與試驗(yàn)值較吻合,融合縫位置正確,形狀較吻合。運(yùn)用該方法,可以將產(chǎn)生融合縫的位置加厚,或通過設(shè)計(jì)讓融合縫形成于承力較小或壁厚較厚的位置,來降低融合縫的危害。通過數(shù)值模擬法優(yōu)化加工參數(shù)及塑件幾何形狀尺寸雖然可以在一定程度上降低融合縫對(duì)制品性能的危害,但改善程度有限。3.2保壓栓塞和“推-拉”注塑在注射過程中施加機(jī)械振動(dòng)來提高聚合物融合縫強(qiáng)度的方法主要有以下2種。(1)多點(diǎn)進(jìn)料注射:該方法是在注塑機(jī)噴嘴和模具之間設(shè)置一個(gè)帶有2個(gè)流道的附件,該附件的流道上設(shè)有2個(gè)可獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的保壓活塞,且該附件的2個(gè)流道分別連接模具的2個(gè)澆口。在熔體充滿型腔后,2保壓活塞在獨(dú)立的液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)下開始以同樣的頻率振動(dòng),但其相位差180度。(2)“推-拉”注塑:該方法由2個(gè)注射單元和1個(gè)雙澆口模具組成。工作時(shí),主注射單元推動(dòng)熔體經(jīng)過一個(gè)澆口,過度填滿型腔,多余的熔體經(jīng)過另一個(gè)澆口進(jìn)入輔助注射單元,然后輔助單元將熔體壓入主單元,如此反復(fù)進(jìn)行。研究表明,多點(diǎn)動(dòng)態(tài)進(jìn)料保壓可以大幅度提高玻纖增強(qiáng)體系以及液晶聚合物的融合縫強(qiáng)度,對(duì)于長(zhǎng)玻纖和短玻纖增強(qiáng)PP,施加振動(dòng)后,其融合縫強(qiáng)度接近本體部分,而液晶聚合物的融合縫強(qiáng)度也提高至本體部分的80%左右。3.3在模型試驗(yàn)中的應(yīng)用S.Piccarolo等人通過改變模具兩端澆口的尺寸來提高融合縫強(qiáng)度,如圖1所示。模具兩端澆口一個(gè)尺寸大,一個(gè)尺寸小。由于澆口尺寸不同,因而兩端熔體的注射壓力不同,當(dāng)熔體相遇時(shí),形成的融合縫不是平面,而是一端熔體嵌入另一端,這樣形成的融合縫的長(zhǎng)度要比澆口尺寸一樣時(shí)大,有利于融合縫強(qiáng)度的提高。通過對(duì)玻璃纖維(GF)/PA體系進(jìn)行試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)嵌入尺寸從0.8mm增加到1.7mm,熔合縫拉伸強(qiáng)度從96MPa提高到109MPa,沖擊強(qiáng)度從13.21kJ/m2提高到21.73kJ/m2。BrianK.Pour在模具中形成融合縫的位置附近開一個(gè)孔,在孔內(nèi)用一個(gè)彈簧頂住一個(gè)活塞來封住小孔,如圖2所示。當(dāng)熔體在充模階段,由于型腔內(nèi)壓力很低,還不足以使彈簧回縮,當(dāng)型腔內(nèi)壓力足夠大時(shí),彈簧受壓力回縮,從而使融合縫處及附近的熔體流入小孔,使融合縫移動(dòng),延長(zhǎng)了融合縫的長(zhǎng)度,使融合縫強(qiáng)度得到提高。同時(shí),還對(duì)該模具進(jìn)一步改進(jìn),將小孔內(nèi)的活塞及彈簧去掉。由于熔體進(jìn)入型腔后黏度增加,特別是接觸模壁的熔體,因而,在小孔上方會(huì)由于熔體的冷卻而形成一層膜,當(dāng)型腔內(nèi)壓力較低時(shí),熔體不能流入型腔,當(dāng)融合縫形成后,型腔內(nèi)壓力增大到一定程度時(shí),熔體會(huì)流入小孔,使已經(jīng)形成的融合縫移動(dòng),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)提高融合縫強(qiáng)度的目的。結(jié)果顯示,該模具使液晶聚合物、玻纖增強(qiáng)PA、玻纖增強(qiáng)聚苯硫醚(PPS)等的融合縫強(qiáng)度有較大的提高。3.4超聲接頭的振動(dòng)描述郭少云等通過在聚合物注射過程中施加超聲振動(dòng)來提高塑料注塑件的融合縫強(qiáng)度,如圖3所示。超聲振動(dòng)引入型腔內(nèi)熔體的過程可描敘如下:(1)超聲探頭在冷卻介質(zhì)中振動(dòng),產(chǎn)生空化效應(yīng),形成氣泡;(2)運(yùn)動(dòng)至安裝探頭孔底部壁面的氣泡破滅,產(chǎn)生瞬間高溫、高壓,形成沖擊波,使壁底產(chǎn)生振動(dòng);(3)壁底的振動(dòng)傳遞至型腔內(nèi)壁,內(nèi)壁將振動(dòng)傳遞至熔體中。試驗(yàn)結(jié)果表明,對(duì)于高密度聚乙烯(HDPE)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA),PMMA/PS體系施加超聲振動(dòng),可大幅提高融合縫的強(qiáng)度