浇口尺寸对聚丙烯和高密度聚乙烯微注塑熔接线强度的影响

1、浇口尺寸对聚丙烯和高密度聚乙烯微注塑熔接痕强度的影响Lei Xie 、 Gerhard Ziegmann摘要：熔接痕作为微注塑成型的一种缺陷，对微塑件表面质量和机械性能都有重要影响。因此，研究熔接痕形成过程，提高微塑件质量具有重要意义。本文以微型拉伸试件为研究对象，设计并制造了一模四腔微注塑模具，每个型腔对应不同的浇口尺寸，分别被记为浇口 Nr.1（1.50.10.5mm,宽深长），Nr.2（1.00.10.5mm,宽深长）,Nr.3（1.00.050.5mm,宽深长）和Nr.4(0.50.10.5mm,宽深长)。通过成型拉伸实验，研究了不同工艺参数下模具浇口尺寸对熔接痕机械性能的影响。结果显

2、示，随着注射压力和模具温度的变化，浇口Nr.3所对应的聚丙烯塑件熔接痕强度最高，但它们之间的差异并不明显。而对于高密度聚乙烯，浇口Nr.1所对应的型腔不能被完全填充，基于模流分析表明，这是由棒状材料和杂物的阻塞所致。所以，本文仅研究了另外三个浇口尺寸对微塑件熔接痕强度的影响。结果显示，浇口Nr.3在任何工艺参数下都能获得最好的熔接痕质量，其次是浇口Nr.4，然后是浇口Nr.2。最佳成型工艺参数为：注射压力为80MPa，注射速度为90,熔体温度为200,模具温度为130。关键词：微注塑，熔接痕，浇口尺寸，拉伸试验1 引言微注塑成型作为一种大批量生产微型零件和微型部件的关键技术之一，具有高效率、低

3、成本等特点。该技术始于20世纪80年代，是由传统注塑工艺发展而来。因此，同普通注塑成型工艺一样，微注塑成型也存在一些缺陷，如充填不满、翘曲、缩水、流痕、气阱和熔接痕等。 关于熔接痕缺陷，根据已有的普通注塑成型的研究结果，其形成原因主要是融合不完全和两个流动前锋连接不充分。它严重影响塑件表面质量和机械性能。对于大多数聚合物及其混合物而言，熔接痕将严重降低其强度。在微注塑工艺中，影响熔接痕机械性能的因素有很多，但是研究工作紧限于这一个方面。之前已经研究了微注塑成型中工艺参数、流道截面形状与熔接痕强度之间的关系，并通过可视化实验模具和数值模拟方法分析了微注塑成型中熔接痕形成的过程。Wu等研究了几何形

4、状与尺寸对微注塑零件机械性能的影响。H.Klein等针对微型拉伸试件，开发了微型拉伸试验仪。但是，仍然还有许多其他影响因素，如模具设计、浇口类型和尺寸等。因此，本文主要探究了不同工艺条件下，浇口尺寸对微注塑熔接痕强度的影响。2 试验2.1 成型材料和注塑机聚丙烯(PP;PPH 734-52 RNA)，DOW Eourope GmbH公司生产；高密度聚乙烯(HDPE; LUPOLEN5031L)，Basell GmbH公司生产。表1列出了PP和HDPE的常规特性。为了了解工艺能力并进行模流分析，利用旋转流变仪和高压毛细管流变仪测试了PP和HDPE的流变学特性。结果如图1所示。Arburg 320

5、C型水平注塑机，如图2所示，螺杆直径30mm，最大夹紧力600KN，注射压力250Mpa，注射速率112。2.2 试验模具及设备浇口类型和尺寸是影响聚合物分子取向，颗粒、纤维填充，以及塑件机械性能和物理特性的重要因素。表1 PP和HDPE的常规特性 、 图1 a：温度为200时PP(PPH 734-52 RNA) b：温度为200时HDPE（LUPOLEN5031L)黏度与剪切速率的关系 黏度与剪切速率的关系表2 模具浇口尺寸 图2 Arburg 320C注塑机 浇口的种类有很多，如梯型浇口、薄片浇口以及侧浇口等。考虑到本研究中所用的微型拉伸试样的几何形状与尺寸（如图3所示），浇口类型选择侧浇

6、口，示意图如图4所示。设计并制造了双浇口四型腔模具，如图5所示。其中各浇口长度相同，但宽度和横截面积相同，如表2所列。四个微型腔几何形状与尺寸相同，如图3所示。结合前人的研究成果，同时为成型一模四件，模具采用变模温系统，如图6所示。加热方式采用电热棒热块，冷却介质采用19的冷水。2.3 拉伸试验利用多功能机械测试仪(Zwick)测得微型拉伸试件的熔接痕强度。单元负荷200N，塑件两端夹持距离13.8mm，拉伸速度1mm/min。拉断强度由Testxpert软件自动记录。为使实验偏差最小，每个工艺条件下重复五次，最终拉伸测试结果取五次试验的平均值。 图3 微拉伸试件的几何形状和尺寸（mm） 图4

7、 侧浇口示意图 a示意图 b塑件的3D模型 c微型模具型腔的实物图图5 不同尺寸浇口的多型腔模具图6 微注塑成型工艺中所用的变模温系统3 结果与讨论3.1 试验方案依照表3和表4中所列的PP和HDPE的试验方案进行微注塑成型实验。各工艺参数（熔体温度，模具温度，注射速率和注射压力）不同，保压压力为注射压力值的80%，保压时间5秒。顶出温度60。表3 聚丙烯试验方案表4 高密度聚乙烯试验方案3.2 模流分析为了获悉并观察型腔填充过程，对PP和HDPE进行模流分析。结果如图7所示。从这些模拟结果中可以得出，各型腔充满的顺序依次为浇口1、浇口2，然后是浇口4；浇口3在PP和 HDPE两组试验中填充速

8、度最慢。由流变学测试和熔体流动速率值可知，HDPE黏度高于PP，故其填充时间要长于PP。3.3 试验结果通过微注塑成型制得带有熔接痕的微型拉伸试样，如图8所示。然而，对于HDPE而言，不论如何设置工艺参数，与浇口1相对应的型腔都填充不满。从模流分析结果来看，四个浇口中浇口1体积最大，与其对应的型腔总是最先被填满，因此可假设浇口1的型腔被棒料或型腔内的杂质所阻塞，这些杂质由于型腔太小而没有被完全清除干净，所以会在制备HDPE样品时残留在型腔内。按之前所述的拉伸试验步骤，测得不同浇口尺寸所对应的微塑件熔接痕强度。PP的实验结果如图9、10、11和12所示。HDPE的实验结果如图13、14、15和1

9、6所示。3.4 聚丙烯由聚丙烯的实验结果可知，浇口尺寸与熔接痕强度之间存在非线性关系。从图9中可以得出，随着注射压力的变化（除了注射压力为100MPa的情况）浇口Nr.3所对应的熔接痕强度最高，其次是浇口Nr.2，强度最小，但是对熔接痕强度的影响并不显著。模具温度对熔接痕强度的影响，如图12所示。所对应的熔接痕强度基本相同。当注射速度与熔体温度变化时，图10和图11显示，浇口Nr.2所对应的熔接痕强度最高，其次是浇口Nr.3，而对的影响水平相当所对应的熔接痕强度最高；当浇口宽度在改变注射压力和模具温度的情况下，浇口深度越小（浇口Nr.3）熔接痕强度越高；相反地，在改变注射速率和熔体温度的情况下

10、，浇口深度越大（浇口Nr.2）熔接痕强度越高。此外，图8、9、10和11所示的工艺参数与熔接痕强度之间的相互关系与作者之前研究的结果相一致。3.5 高密度聚乙烯HDPE熔接痕强度的实验结果如图13所示，与PP的结果相同，在不同的注射压力下，浇口Nr.3所对应的熔接痕强度最高，浇口Nr.4次之。对于不同的注射速率、模具温度和熔体温度，浇口尺寸和熔接痕强度之间的关系与不同注射压力下所变现出来的关系相一致。当浇口宽度相同时，浇口深度越小，熔接痕强度越高。当浇口深度相同时，浇口宽度越小，熔接痕机械性能越好。图7 a 聚丙烯整体零件的填充过程；b 高密度聚乙烯整体零件的填充过程图8 单个试件 （a）聚丙

11、烯（b）高密度聚乙烯图9 聚丙烯材料在注射压力分别为80、100和120MPa时，不同的浇口尺寸所对应的熔接痕强度，熔体温度220，模具温度135，注射速率70图10 聚丙烯材料在注射速度分别为70、90和110时，不同的浇口尺寸所对应的熔接痕强度，熔体温度220，模具温度135，注射压力100MPa图11 聚丙烯材料在熔体温度分别为210、220和240时，不同的浇口尺寸所对应的熔接痕强度，模具温度135，注射速率110，注射压力100MPa图 12 聚丙烯材料在模具温度分别为135和140时，不同的浇口尺寸所对应的熔接痕强度，熔体温度220，注射速率110，注射压力100MPa图13 高密

12、度聚乙烯在注射压力分别为80、100和120MPa时，不同的浇口尺寸所对应的熔接痕强度，熔体温度220，模具温度130，注射速度90图 14 高密度聚乙烯在注射速率分别为70、90和110时，不同的浇口尺寸所对应的熔接痕强度，熔体温度200，模具温度130，注射压力100MPa图 15 高密度聚乙烯在熔化温度分别为190、200和210时，不同的浇口尺寸所对应的熔接痕强度，模具温度130，注射速率90，注射压力100MPa图 16 高密度聚乙烯在模具温度分别为125、130和135时，不同的浇口尺寸所对应的熔接痕强度，熔体温度200，注射速率70，注射压力100MPa此外，图13、14、15和

13、16也包含了微注塑工艺参数对HDPE熔接痕强度的影响。如图13所示，当注塑压力为80Mpa时，有利于熔接痕强度的提高，这意味着注射压力对熔接痕强度的影响是非线性的。在图14、15和16也得到了相似的结果。最佳成型工艺参数为：注射速率为90,熔体温度为200,模具温度为130。较高或较低的参数水平都不能使HDPE在微注塑成型中获得最好的机械性能。3.6 结果讨论与分析由上述结果可得：对于两种不同材料的熔接痕强度，浇口宽度有着相同时，不论工艺参数如何变化，浇口Nr.2所对应的熔接痕强度最高，对于HDPE而言，浇口Nr.4所对应的熔接痕强度最高；但是浇口深度却并非总是对熔接痕强度有着积极影响（熔接痕

14、强度最高时所对应的浇口与成型参数不同），并且大尺寸浇口所对应的熔接痕强度并非一直最好，这与普通注塑成型的结果不同。当浇口横截面积相等（0.05表明，在微注塑成型中，浇口（浇口Nr.3）宽度越大，深度越小，所形成的熔接痕强度越高。侧浇口深度的耦合效应对熔接痕强度的影响比宽度的耦合效应影响大，范围与微型拉伸试件的厚度（0.1mm）有相同的数量级，所以会显著影响聚合物熔体厚度方向上的流动行为。相反，浇口宽度变化的影响较小。如图7所示，浇口宽度的变化会影响熔体流动前沿的状态。图17熔体流动前沿形状模拟图，该图显示了浇口深度对熔体流动前沿的影响。通过对比模拟结果可以得出，浇口深度变化对熔体流动前沿形状的

15、影响比宽度变化的影响更为显著。图18所示为熔体流动前沿形状对熔接纹强度的影响机理。图 17 不同浇口深度（）下，熔体流动前沿形状模拟图图 18 熔体流动前沿形状影响V型缺口尺寸的原理图（V型缺口是决定熔接痕强度的主要因素）图 19 a 样示微切割试意图；b 偏光显微镜下厚度方向上的形态浇口深度对微注塑件形态结构也有显著影响，这与熔接痕强度密切相关。利用偏光显微镜所观察试件厚度方向上的形态，结果如图19所示。只有表层和剪切层，没有像常规塑件那样的核心层（常规塑件中，核心层占据了材料微观结构的主要部分）。微注塑的这种形态结构更易受到与流动特性相关的工艺条件的影响。例如，表层厚度与温度条件密切相关，

16、剪切层与注射速率及注射压力密切相关。因此，不管是PP还是HDPE，熔接痕强度对浇口深度和工艺参数的耦合作用都很敏感。根据熔接痕强度、浇口尺寸和工艺参数之间相互关系，绘制了如图20所示的曲线，图中工艺参数和熔接痕强度之间的关系呈现“多S波形”曲线，这表明工艺参数的最优点不唯一；侧浇口深度与熔接痕强度的关系呈现抛物线状曲线。不过，该研究需要进一步验证。图 20 工艺参数a、浇口尺寸b与熔接痕强度之间的关系曲线4 结论通过以上关于微注塑成型中浇口尺寸对熔接痕强度的影响的研究，可以得出以下结论：1. 在微注塑成型中，浇口尺寸是影响熔接痕强度的因素之一，并且该影响与工艺条件有关。2. 所对应的熔接痕强度最高）时，随着注射压力和模具温度的改变，浇口（浇口Nr.3）深度越小，熔