塑料注射成型过程中的融合缝

塑料注射成型过程中的融合缝

在塑料注射加工中，如果两个或两个以上的熔融料流之前存在均匀的分解，并在产品表面形成融合缝。融合缝是聚合物在加工过程中常见的缺陷,融合缝可导致聚合物制品的强度下降,影响制品的外观。1制品融合缝的微观组织结构在熔体充模过程中,熔体前沿流区存在所谓的喷泉流动。当观察者随熔体前沿运动时,看到熔体运动的流线象喷泉一样由中心流向模腔壁面,同时由于熔体中心的流动速率快,因而不断补充熔体前沿区。流向壁面的熔体在沿厚度方向受到拉伸而形成取向,当该熔体接触冷模壁时取向的分子链来不及解取向而凝固。2个相对运动熔体的流动前沿在双曲面的中心首先相遇受阻,使得后来的熔体以“拉伸流动”的方式向模壁方向继续流动,这种垂直于注射方向的流动直到模腔被充满为止,因而造成了大分子链沿融合缝方向取向排列。由2个流动前沿与模壁所围成密封空间中的气体被压缩到模壁处,在制品融合缝区形成了V形槽。融合缝在宏观上表现为一条熔接线,微观上是一个与主体不同的三维区域,该区域的微观形态结构与主体不同,且性能比整体材料要差。人们常用融合缝系数融合缝系数(FXL)来表示融合缝对塑件的损害程度。FXL值越小,融合缝对塑件的损伤越大。融合缝系数为含融合缝试样性能值/无融合缝试样性能值的比。融合缝对聚合物力学性能的影响程度有很大的区别,对于无定形聚合物和共混物,融合缝会导致制品性能有较大的损失,而对于结晶聚合物,其融合缝强度与聚合物本体强度接近。2不同子研究对共混体系融合缝强度的影响融合缝导致聚合物机械性能大幅下降是由于融合缝处形态结构与本体部分不同造成的。对于无定形聚合物的研究表明,导致融合缝强度下降的原因是由于其形态结构有以下几个特点:存在弱连接层、分子链沿融合缝方向取向及制品表面有V形槽。对于结晶聚合物,由于其融合缝的存在对其力学性能的影响较小。故对其融合缝形态结构的研究较少。已有的研究表明,结晶聚合物融合缝强度的降低可归因于其融合缝处的结构及结晶情况与本体部分存在差异。研究发现,对于聚丙烯(PP)而言,在融合缝处表层要比本体部分薄,并且在融合缝处没有β晶型,且其结晶度要低于本体部分,因此会造成融合缝强度下降。G.Titomanlio等研究了熔体温度及模具温度的变化对聚酰胺(PA)融合缝V型槽的影响,发现温度的下降会造成V型槽加深,V型槽的加深造成了融合缝强度的下降。Mielewski等人提出影响PP冷融合缝力学性能的原因为低相对分子质量的添加剂在融合缝处富集。对于共混体系,由于相对于单组分体系而言,共混体系引入了第二或更多组分,因而其融合缝的形态结构更为复杂,除了具有单组分体系融合缝的形态结构外,如两相之间的界面黏结力、两相之间的黏度比、两相之间的用量比的变化等因素都会影响融合缝的形态结构,因而影响融合缝力学性能的因素也会更多。近年来关于研究共混体系融合缝的研究主要集中在融合缝形态结构对其力学性能的影响,以及相容剂和两相黏度比对共混体系的融合缝形态结构及力学性能的影响等方面。通过研究共混物融合缝处的形态结构发现,当分散相的黏度大于连续相时,分散相粒子在融合缝处沿融合缝方向取向,可运用熔体在注射过程的流动方式解释该形态的成因。研究表明,加入相容剂可提高共混体系的融合缝强度。通过研究加入相容剂后融合缝处的形态结构发现,相容剂的加入改变了分散相在融合缝处的形态结构,使分散相在融合缝处的各向异性变为各向同性,促进分子链在融合缝处的相互扩散,从而有利于融合缝强度的提高。3其他方面的对策虽然可以通过调整注射过程中的加工参数(如提高熔体温度和模具温度等)来提高融合缝强度,但由于聚合物易降解,所以并不能无限制地提高熔体温度,并且过高的熔体温度及模具温度也使制品成型周期变长,特别是对于许多聚合物而言,调整加工参数并不能将融合缝强度提高至理想值。因而,研究人员从其他方面入手,来提高融合缝的强度或将融合缝的危害降至最低。1)运用数值模拟优化加工参数及注塑件几何形状尺寸,将融合缝的危害降至最低。2)在熔体形成融合缝过程中,引入机械振动,改变融合缝形态结构,提高融合缝强度。3)改变模具结构,改变熔体在融合缝处的流动,从而影响融合缝形态结构,提高融合缝强度。4)在融合缝形成过程中,施加超声振动,提高融合缝强度。现分别就以上各方面进行详细介绍。3.1压力传感模型在注射过程中,完全消除融合缝几乎不可能,但可以通过数值模拟法优化加工参数及塑件几何形状尺寸,使其对注塑件外观和性能的影响降至最低。申长雨将消除融合缝对产品质量影响方法归纳为以下几方面。成型工艺方面:(1)提高注射压力和速度;(2)提高熔体和模具温度;(3)尽可能使2股熔体前沿的温差小于10℃。模具设计方面:(1)增大浇口和流道尺寸;(2)在融合缝附近设置排气孔;(3)尽可能使融合缝在靠近浇口附近形成。制品设计方面:(1)适当增加壁厚,有利于压力传递;(2)保持较高熔体温度。Chung开发了一个可对注塑件各位置的纤维取向进行数值模拟的模型,该模型还可对应力张量、压力、速度和温度场进行数值模拟。S.J.Liu等采用Taguchi试验参数设计了一个试验矩阵,用注射加工中的6个参数(嵌件尺寸、注射压力、熔体温度、保压压力、模具温度和注射速度)的不同值,进行18种组合,对聚苯乙烯(PS)的注射过程进行试验。将试验得出各参数对性能影响的最优值组合到一个试验中进行验证,结果显示其融合缝强度高于其他试验值。可见,用优化的参数值可以提高融合缝强度。I.S.Dairranieh等用Moldflow软件对融合缝的形成及加工参数的变化对融合缝强度的影响进行了计算机模拟预测与试验验证。成功地预测了注射时间对融合缝强度的影响,即增加注射时间,融合缝强度增加。试验证明,注射时间增加16%,融合缝强度可增加4%。该软件还能正确预测材料性能对融合缝强度的影响。鲁晓梅提出了一个预测融合缝形成位置的数值计算方法,并用实例对该算法的可靠性进行了试验验证。结果表明算法的计算值与试验值较吻合,融合缝位置正确,形状较吻合。运用该方法,可以将产生融合缝的位置加厚,或通过设计让融合缝形成于承力较小或壁厚较厚的位置,来降低融合缝的危害。通过数值模拟法优化加工参数及塑件几何形状尺寸虽然可以在一定程度上降低融合缝对制品性能的危害,但改善程度有限。3.2保压栓塞和“推-拉”注塑在注射过程中施加机械振动来提高聚合物融合缝强度的方法主要有以下2种。(1)多点进料注射:该方法是在注塑机喷嘴和模具之间设置一个带有2个流道的附件,该附件的流道上设有2个可独立运动的保压活塞,且该附件的2个流道分别连接模具的2个浇口。在熔体充满型腔后,2保压活塞在独立的液压系统驱动下开始以同样的频率振动,但其相位差180度。(2)“推-拉”注塑:该方法由2个注射单元和1个双浇口模具组成。工作时,主注射单元推动熔体经过一个浇口,过度填满型腔,多余的熔体经过另一个浇口进入辅助注射单元,然后辅助单元将熔体压入主单元,如此反复进行。研究表明,多点动态进料保压可以大幅度提高玻纤增强体系以及液晶聚合物的融合缝强度,对于长玻纤和短玻纤增强PP,施加振动后,其融合缝强度接近本体部分,而液晶聚合物的融合缝强度也提高至本体部分的80%左右。3.3在模型试验中的应用S.Piccarolo等人通过改变模具两端浇口的尺寸来提高融合缝强度,如图1所示。模具两端浇口一个尺寸大,一个尺寸小。由于浇口尺寸不同,因而两端熔体的注射压力不同,当熔体相遇时,形成的融合缝不是平面,而是一端熔体嵌入另一端,这样形成的融合缝的长度要比浇口尺寸一样时大,有利于融合缝强度的提高。通过对玻璃纤维(GF)/PA体系进行试验,发现嵌入尺寸从0.8mm增加到1.7mm,熔合缝拉伸强度从96MPa提高到109MPa,冲击强度从13.21kJ/m2提高到21.73kJ/m2。BrianK.Pour在模具中形成融合缝的位置附近开一个孔,在孔内用一个弹簧顶住一个活塞来封住小孔,如图2所示。当熔体在充模阶段,由于型腔内压力很低,还不足以使弹簧回缩,当型腔内压力足够大时,弹簧受压力回缩,从而使融合缝处及附近的熔体流入小孔,使融合缝移动,延长了融合缝的长度,使融合缝强度得到提高。同时,还对该模具进一步改进,将小孔内的活塞及弹簧去掉。由于熔体进入型腔后黏度增加,特别是接触模壁的熔体,因而,在小孔上方会由于熔体的冷却而形成一层膜,当型腔内压力较低时,熔体不能流入型腔,当融合缝形成后,型腔内压力增大到一定程度时,熔体会流入小孔,使已经形成的融合缝移动,进而实现提高融合缝强度的目的。结果显示,该模具使液晶聚合物、玻纤增强PA、玻纤增强聚苯硫醚(PPS)等的融合缝强度有较大的提高。3.4超声接头的振动描述郭少云等通过在聚合物注射过程中施加超声振动来提高塑料注塑件的融合缝强度,如图3所示。超声振动引入型腔内熔体的过程可描叙如下:(1)超声探头在冷却介质中振动,产生空化效应,形成气泡;(2)运动至安装探头孔底部壁面的气泡破灭,产生瞬间高温、高压,形成冲击波,使壁底产生振动;(3)壁底的振动传递至型腔内壁,内壁将振动传递至熔体中。试验结果表明,对于高密度聚乙烯(HDPE)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA),PMMA/PS体系施加超声振动,可大幅提高融合缝的强度