彩塑瓦在注塑过程流变分析及其应用

摘要： 简单介绍了流变学，指出塑料加工流变学是注塑成型加工分析的理论基础，在注塑成型加工方面有重要的应用。通过对注射过程中各区段的流变分析，举例说明了流变学在注塑模浇注系统设计及常用热塑性塑料注射工艺条件控制方面的应用，对注塑生产有很大的实际意义。

关键词： 流变学；塑料加工流变学；注塑；浇注系统；工艺；

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复杂、尺寸精确或带有金属嵌件的质地密致的塑料制品，被祥龙管材管件广泛应用于国防、机电、汽车、交通运输、建材、包装、农业、文教卫生及人们日常生活各个领域。注塑件质量主要由以下因素决定：注塑机的技术性能、注塑工艺条件及模具结构，而研究这些因素都离不开流变学，本文就流变学在模具浇注系统设计及注塑工艺中的应用进行了分析和介绍。

2 塑料加工流变学介绍

流变学是研究材料的流动和变形的科学，也就是研究材料的流动和变形与造成材料流变的各种因素之间的关系的一门科学。它是介于力学、化学和工程科学之间的边缘科学。聚合物流变学是研究高分子材料的流动和变形的科学，现在已经成为流变学的重要分支。在高分子材料中，塑料约占 70 ％，塑料的大多数加工方法都以熔体加工为基础，比如注塑成型就是借助螺杆（或柱塞）的推力，将已经塑化好的塑料熔体射入闭和的模腔内，经冷却固化定型而得到塑料制品，材料所经受的加热和变形历程将影响塑料微观结构，因而影响制品的最终性能，可见，塑料的流变特性在塑料加工中起着决定性的作用。塑料加工流变学就是适应塑料加工发展的需要而提出的，它的主要任务是以彩塑瓦的塑料流体（主要是熔体）作为研究对象，应用流变学的基本原理，分析和处理塑料加工过程中的工艺和工程等问题，从而提高塑料制品的质量和生产效率。

3 注射过程的流变分析及其应用

螺杆式注射机的注射过程，从塑料加工流变学的角度看，可以分为三个区段。第一区段，是塑料在旋转螺杆与机筒之间进行输送、压缩、熔融塑化并将塑化好的熔体储存在机筒的端部。第二区段，是注射区段，储存在机筒端部的塑料熔体受螺杆的向前推压通过喷嘴、模具的主流道、分流道和浇口，开始射入模腔内。第三区段，是充摸区段，即塑料熔体经浇口射入模腔过程中的流动、相变以及固化。我们主要介绍注射区段和充模区段的流变分析及其应用 （ 1 ） 。

• 注射区段的流变分析及其应用

杨凤霞（ 1968 —），女，河南新乡人，工程师，主要从事注塑成型技术研究和化学教学工作。

祥龙管材管件的塑料熔体在注射区段的流变行为与在毛细管流变仪的流变行为十分相似。流变仪中的柱塞相当于注射螺杆，流变仪中的物料相当于料筒端部、喷嘴以及流道系统中的物料，流变仪中的毛细管相当于浇口。根据非牛顿型流体在毛细管中稳定流动时的幂律方程 τ = κγ n 和流体的速度分布可推导出剪切速率 γ 和流量 Q 间的关系为：

γ == （ 3n ＋ 1 ） Q ／ (n π R 3 n )

n ——非牛顿指数 γ——剪切速率

Q ——体积流率 R ——流道截面当量半径

3.1.1 注塑模普通浇注系统的设计

流变测试结果表明，除了 PC 、 PA 、 POM 等少数聚合物近似地服从牛顿流体特性外，其余大部分聚合物如 HDPE 、 LDPE 、 PVC 、 PP 、 ABS 、 PS 、 PMMA 等都远偏离牛顿流体，根据聚合物流变学原理设计的浇注系统可使熔体在浇道中的运动接近等温流动，且可以得到内应力最小、各向异性的力学性能最小的制品，克服经验设计的不足。 剪贴速率又称切变速率或者速度梯度。该值对熔体的流动过程影响甚大。实验表明， 大多数塑料在γ ==5 × 10 2 ~5 × 10 3 s － 1 范围内，粘弹性基本稳定，可使用下面的经验公式 （ 2 ） ，即

γ ==(3.3Q) ／ ( π R 3 n ) ①

利用上式可设计浇注系统，步骤如下：

• 计算体积流率 Q ：根据所选用注塑机技术规范及所成型制品的体积。按下式求出熔体的体积流率：

Q==Q p ／ t (cm 3 ／ s) ②

Q ——塑件体积，通常取（ 0.5~0.8 ） Q(cm 3 ) ；

Q ——注塑机公称注塑量（ cm 3 ）；

t ——注射时间（ s ），可由表 1 查询。

表 1 注塑机公称注射量与注射时间 t 的关系

2) 确定恰当的剪切速率γ

A. 对于主流道，取γ ==5 × 10 5 s － 1 ；

B. 对于分流道，取γ ==5 × 10 2 s － 1 ；

C. 对于点浇口，取γ ==1 × 10 5 s － 1 ；

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

3 ）求当量半径 R n ：由选定的浇注系统某环节中的γ，按方程②计算所得的 Q 值，结合方程①，即可求出 R n 。

4 ）在多点进浇的大型单腔模或多腔模中，若各分流道按平衡式布置，则各分流道及与之相连的浇口中熔体的体积流率，应为

Q R ==Q ／ m (cm 3 )

m ——分流道（或模腔、浇口）数目。

3.1.2 注塑工艺条件控制

当模具充不满时，除了增大注射量和注射速度，加大流道系统尺寸以便将此流量传送至浇口外，降低塑料熔体的表观粘度是一个有效办法。降低粘度的一个办法是升高温度。因为在切变速率恒定时，熔体的表观粘度随温度升高而降低。降低粘度的另一种办法是提高切变速率，因为大部分聚合物属于假塑性流体，粘度随切变速率的增加按指数方程下降，在高切变速率下可以采用低温充模。例如对一个要求在粘度 0.0488Pa.s 下充模的 PP 注塑制品可作如下分析 : 当剪切速率为 10 2 s － 1 时，欲达到上述粘度 , 熔体温度需要加热到 245.8 ℃ ，但如果剪切速率增大至 10 3 s － 1 时，则只需要加热到 204 ℃ 。若采用后一方案可使熔体温度降低 41.8 ℃ 。这样不仅缩短了生产周期，提高了生产效率，而且还减少了能耗。加大剪切速率可通过提高注射速率或减小浇口的办法来实现。但要注意，大多数聚合物一般在中剪切速率区才会产生剪切稀化，剪切速率再提高，γ≥ 10 6 s － 1 时，粘度可降低至最小，且难以维持恒定。如果剪切速率再提高，就会出现不稳定流动，产生 聚合物降解 熔体破裂。部分聚合物极限剪切速率和剪切应力的范围见表2 （ 3 ） 。

表 2 聚合物剪切速率和剪切应力范围表

有几点需要指出的是：

• 究竟是采用升温还是提高切变速率来降低粘度，这要根据聚合物熔体粘度对温度或切变速率的敏感性强弱而定。聚合物熔体粘度对γ和 T 的敏感性参见表3（ 4 ） 。从表 2 可以看出， PS 、 PP 等对γ较敏感， POM 、 PA 等对γ不敏感。因此，在塑料成型中，采用增大γ来降低流体粘度对前者会有较好的效果，而对后者则可通过调整 T 来达到降低粘度的目的。

表 3 聚合物熔体粘度对γ和 T 的敏感性数据

对成型来说，如果聚合物熔体在较宽的温度、压力及剪切速率范围内粘度变化都比较平稳，则这种聚合物的成型工艺性能就好。否则，在成型中上述任何一个因素的微小变化都会引起聚合物流体粘度的较大变动，从而引起产品质量的不稳定。这一点在选择和制定成型工艺条件时要特别引起注意。

• 剪切生热对粘度有影响。

• 压力对熔体剪切粘度的影响来自熔体的可压缩性，因为在加压时，聚合物的自由体积减小，熔体分子间的自由体积也减小，使分子间作用力增大，最后导致熔体剪切粘度增大。聚合物因其长链大分子形状复杂，分子链堆砌密度较低，受到压力作用时，体积变化较大。在 100kPa 的压力下，各种聚合物的压缩率不超过 1 ％，而当压力增至 700kPa 时，压缩率可高达 3~5 个数量级。表 4 列出了几种聚合物的压缩率。

表 4 几种聚合物的压缩率

升压相当于降低外界温度。聚合物熔体的粘度随所受压力的增大而增大的依赖关系可近似用下式表示 （ 5 ） ：

η p == η p0 e b(p － p0)

η p ——在压力 p 下的粘度

η p0 ——在压力下 p 0 的粘度

b ——压力系数， b==V ／ RT ，其值约为 2Pa 。

由于聚合物的压缩率不同，所以粘度对压力的敏感性也不同，压缩率大的敏感性大。粘度对压力的依赖性表明了单纯依靠增加压力来增加塑料的流量和流速是不恰当的，过高的压力会引起粘度的骤增，还有可能由于引起聚合物物理状态的变化，如促使发生玻璃化和结晶，还会造成过高的功率消耗和设备消耗。

压力和温度对粘度的影响具有等效性。实验证明，对许多聚合物，当压力增加到 1000kPa 时，熔体粘度的变化相当于降低 30~ 50 ℃ 温度的作用。

• 充模区段的流变分析

塑料熔体在模具型腔内的流动、传热过程是一个非常复杂的物理过程，非牛顿的塑料熔体在压力的驱动下通过流道、浇口向较低温度的型腔充填，熔体一方面由于模具传热而快速冷却，另一方面因高速剪切产生热量，同时伴随有熔体固化、体积收缩、分子取向和可能的结晶过程。此外，由于塑料熔体本构关系的非线性和型腔几何形状的复杂性，因此在对模具充填过程和冷却过程进行数值模拟时，需作适当简化，否则会使数值求解无法进行，或即使能进行但由于计算量太大，耗时过长，无法在工程实际中应用。

注射模 CAE （ Computer Aided Engineering ） 技术就是根据塑料加工流变学和传热学的基本理论，建立塑料熔体在模具型腔中的流动、传热的物理数学模型，利用数值计算理论构造其求解方法，利用计算机图形学技术在计算机屏幕上形象、直观地模拟出实际成型中熔体的动态充填、冷却过程，定量地给出成型过程的状态参数 ( 如压力、温度、速度等 ) 。 20 世纪 80 年代以来，在国际市场上出现了一些商品化的注射模 CAE 软件，如美国 AC Teclrnol ogy 公司的 C- MOLD 、澳大利亚 MF 公司的 1Vbl d FI ow 等，并用于指导实际生产，取得了显著的经济效益。国内是在 “ 八五 ” 期间才开始注射模 CAE 技术的研究、开发工作，近年来也陆续出现了一些具有自主版权的实用化注射模 CAE 软件，如郑州工业大学国家橡塑模具工程研究中心开发的 Z 一 MOLD 等 （ 6 ） 。 CAE 技术的应用带来的直接好处是省时省力，减少试模、修模次数和模具报废率，缩短模具设计制造周期，降低成本提高产品质量。

CAE 设计中 首先要输入合理的注射成型工艺参数，常用材料的成型温度见表 5 （仅供参考）。

表 5 常用材料的成型参考温度

• 结语

• 应用流变学可以进行浇注系统的设计，使熔体在浇道中的运动接近等温流动，避免经验设计的不足。

• 根据流变学的基本原理，结合恰当的数值方程，可以实现充模流动分析。

• 根据流变学原理，可以恰当控制工艺条件如温度、压力、注射速率等，保证熔体粘度合适，使聚合物的成型工艺性能处于良好状态。

参考文献：

1 ．周彦豪编．聚合物加工流变学基础 [M] ．西安：西安交通大学出版社， 1988 ： 433~454

2 ．冯伟东等． 应用流变学分析浇注系统 [J] ． 长春理工大学学报， 2003 ， 26 （ 2 ） ： 73~74

3 ．王兴天主编．注塑成型技术 [M] ．北京：化学工业出版社， 1989 . 12 （ 1999 . 10 重印） ：

4 ．王文俊编著．实用塑料成型工艺 [M] ．北京：国防工业出版社， 1999 . 8 ： 14