注塑填充階段的流變和熱分析

1、Szucs and Belina eXPRESS Polymer Letters Vol.6, No.8 (2012) 672679Rheological and thermal analysis of the filling stage ofinjection moulding注塑填充階段的流變和熱分析A. Szucs*, K. Belina山邊之虹譯高分子及橡膠技術(shù)系，機(jī)械工程及自動化，凱奇凱梅特學(xué)院學(xué)院Izsákiút旁10，H-6000凱奇凱梅特，匈牙利初稿收于2011年10月14日;修訂于2012年3月7日接受發(fā)表摘要：注射機(jī)模腔內(nèi)流體的流動條件不同于實(shí)驗(yàn)室毛細(xì)管

2、流變儀中的流動條件。注射成型縫模流變儀（流變模具）的模具設(shè)計了一系列狹縫和孔。四個壓力傳感器安放在模具的固定側(cè)，因此可以在四個不同的的地方測量壓力。可變縫模設(shè)計在移動端。剪切應(yīng)力和剪切速率可以從壓力梯度和從熔體的流動速率分別計算得出。低密度聚乙烯的流量曲線可以使用巴格利，Rabinowitsch和穆尼方法做出修正。通過Göttfert和哈克毛細(xì)血管設(shè)備測量結(jié)果進(jìn)行比較來確定該流量曲線。人們發(fā)現(xiàn)，這些方法之間的一致性是非常好的。關(guān)鍵詞：流變學(xué)，注塑成型，模腔壓力，模具填充1. 簡介對熔融聚合物流變學(xué)特性的測定屬于聚合物物理學(xué)的研究范疇。在注射成型過程中熔體聚合物的真實(shí)粘度知識是極其重要

3、的。聚合物的流動是一個復(fù)雜的過程，比如塑料的粘度，除了溫和壓力以為，還取決于分子質(zhì)量、分子質(zhì)量分布和變形率。這些因素使得塑料加工變得更加困難。在流經(jīng)澆口，流道系統(tǒng)和注塑模具薄壁空腔時流體的剪切和拉伸過程是不斷變化的，其變形率通常較高。許多實(shí)驗(yàn)儀器可以在市場上買到但是只有少數(shù)的儀器適和在過程環(huán)境中測量聚合物的流動特性。在線擠出測試有很多儀器，但注射成型機(jī)幾乎不用于流變測試1-6我們研究的主要目的是開發(fā)一種在高的變形率的條件下可以測量流變性能的專用注射模具。在研究的第一階段兩個壓力傳感器放置在標(biāo)準(zhǔn)注射模具中。用它來進(jìn)行基本的測量和計算。后來設(shè)計了螺旋注射模具，并取得了一些成功之后，把它升級為可變的

4、縫模系統(tǒng)。最后，多數(shù)重要的參數(shù)是可控的。7,8結(jié)果的重要性是為了取得可靠的數(shù)據(jù)用于注射成型過程的模擬。填充模擬可靠性主要取決于以下四個因素7：輸入數(shù)據(jù)，處理參數(shù)，軟件應(yīng)用程序和數(shù)值模型。特別是，其中的處理參數(shù)，流變聚合物熔體的特征對填充仿真的影響最大。2. 理論背景和計算對于一個流變學(xué)復(fù)雜的流體有兩種方法來描述流動行為：連續(xù)力學(xué)和分子生物學(xué)方法。分子方法是相當(dāng)復(fù)雜的，如分子結(jié)構(gòu)和分子運(yùn)動被認(rèn)為是描述其中的關(guān)系。考慮到材料的連續(xù)體，應(yīng)力 - 應(yīng)變關(guān)系，可以通過基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的理論數(shù)學(xué)方程計算得出。原則上， 必須指定六個獨(dú)立的應(yīng)力分量以完整地描述的應(yīng)力的狀態(tài)。然而，在簡單的穩(wěn)態(tài)剪切流中，數(shù)量少應(yīng)

5、力成分是必要的。例如，應(yīng)力成分在一個立方體流道中示于圖1，并相應(yīng)的應(yīng)力和變形率張量示于公式（1）和公式（2），分別為： （1） （2）其中， 是剪切應(yīng)力張量， 是剪切速率張量中，x，y和z表示的方向。 是指作用在垂直于z軸和沿z方向上組成平面上的剪切應(yīng)力?？梢允褂貌煌N類的測量系統(tǒng)進(jìn)行流變測量。大多是簡單的剪切流發(fā)生在毛細(xì)管或狹縫模頭之中。在穩(wěn)態(tài)剪切流動中，有不少于3個的獨(dú)立的材料指標(biāo)用來計算剪切速率相關(guān)的流變意義應(yīng)力量。這些粘度函數(shù)由等式（3-5）：其中 $（·）， 和 被稱為材料的功能系數(shù)。定義剪切依賴性粘度， 了第一法向應(yīng)力的功能， 定義第二正常應(yīng)力函數(shù)9。在通過毛細(xì)管流變儀的

6、測量中，所述流速（剪切速度）被控制，壓力降（剪切應(yīng)力）得以測定。表觀值可以從主數(shù)據(jù)中計算得出，但為了得到真正有效的功能必須為作出些更正。在計算中，表觀值被使用。如果縫模用于由式（6-8）表示，該表觀剪切速率，切應(yīng)力和粘度可以被計算。式（6-8）：其中Q是體積流量，h是高度模具，w為模的寬度，l是流長度， 是壓力降 是剪應(yīng)力， 是剪切速率。為了獲得準(zhǔn)確的試驗(yàn)結(jié)果，該高度與寬度的狹縫模具的比（h/ w）的應(yīng)接近零（當(dāng)w>> h時），因?yàn)楝F(xiàn)有的理論公式轉(zhuǎn)換Q和 / l至剪切速率和剪應(yīng)力，分別基于這樣的假設(shè)該速度不依賴于橫向位置。接近W / H比為零時，邊緣對壓力的影響可以忽略。在這種區(qū)分

7、經(jīng)校正的剪切速率和剪切應(yīng)力可以由公式（9-11）計算出。10其中，h是高度和w為模的寬度。是壓力降，l是所測量的流長度（等式（10）：其中Q是體積速率，A，B，f為修正因子，n是冪指數(shù)（式（11）：一些材料可能打滑模具的壁。圖2示出了如果其是光滑狀態(tài)下的熔融速度分布。使用不同的縫模截面，但相同流動長度，壁滑移的速度可以來確定11?？傮w積流速（QT）可以由方程（12）計算：體積滑移流速（Qslip）可以由式（13）計算出：其中，vslip是滑移速度。表觀剪切速率可以被繪制成函數(shù)的1 / h并且壁的滑動速度可以由在等式中描述的曲線的斜率（14）計算出：根據(jù)公式（7），壓力梯度是流動長度的線性函數(shù)。

8、如果它是無效的，則巴格利修法正應(yīng)適用與此。在模制或擠壓工藝中熔化聚合物的粘度非常高，基本上是10.10.000帕·注塑秒之間。由于高粘度，耗散熱量和壓力的影響是不可忽略的。平均氣溫上升（）可以由等式（15）來計算：圖2熔體流速剖面其中 是壓力降， 及是密度，cp是材料的比熱。式（15）假設(shè)材料與所述模具（壁的模具）之間無交換。在現(xiàn)實(shí)情況下，在模具和聚合物熔體之間有一些熱傳遞。這個轉(zhuǎn)移依賴于溫度差，因此，改變模具溫度有可能影響的熱交換率。無量綱數(shù)（格雷茨-Nahme-布林克曼值）被用來表征熔融聚合物的熱流動的條件。格雷茨數(shù)（GZ，等式（16）12相比較在垂直于流動方向上的的傳熱：其中

9、是材料的密度，CP的具體熱容量， 是熱傳導(dǎo)系數(shù)。如果GZ>> 1，在計算中材料溫度和進(jìn)料溫度是相同的13。Nahme數(shù)（Na，式（17）對比與通過耗散熱量的溫度的升溫影響粘度。其中 是粘度的溫度系數(shù)。如果Na>1，則耗散熱量對粘度有顯著的影響。布林克曼數(shù)（BR，等式（18）對比于垂直于傳熱方向的耗散熱量：其中， 是進(jìn)料溫度，Twall是空腔的壁的溫度。如果Br>1，則功耗是主要的過程，因此該材料的溫降可忽略不計。如果模具溫度和材料溫度是相同的，所述布林克曼-number為無窮。據(jù)Laun研究13-14，真正的壓力降（允許耗散熱量和壓力的影響）可以通過等式來計算（19）：

10、（19）在這里 表示無壓力的壓力損失和溫度的影響，是粘度的壓力系數(shù)， 是可測量的壓力差（）。公式（20）代表耗散系數(shù)熱（ ）（ 代表熔體的傳熱系數(shù)結(jié)合所有類型的熱損失）。該絕熱情況下（絕緣墻）是通過設(shè)置=0得到的， 表示的質(zhì)量流率， 是熔體密度13。3. 實(shí)驗(yàn)3.1. 物料TIPOLEN FA2210（蒂薩河化工集團(tuán)PLC，蒂紹于伊韋羅斯，匈牙利）低密度聚乙烯材料被用于測量。這種材料被推薦用于吹塑成型技術(shù)，這樣的材料的粘度可以測量剪切力和引起的變形容易期間伸長率。 PE的特征總結(jié)在表1中。材料表1.主要性能參數(shù)值MFI (190°C; 2,16 kg)0.3 g/10 min密度（2

11、3）0.922 g/cm3最大粘度（190）90 000 Pa·s流動表觀活化能31.5 kJ/mol3.2. 測量系統(tǒng)試驗(yàn)中使用了一個阿博格全能270350-70標(biāo)準(zhǔn)注塑機(jī)。最重要的機(jī)器參數(shù)表2中列出。有一些儀器化注塑模具1-5但一個我們自己開發(fā)模具與他們的是根本不同的。表2.最重要的機(jī)器參數(shù)參數(shù)值注射速度（Q）590 cm3注射壓力（pinjection）1500 bar料溫（Tmat）180220°C模具溫度（Tmould）30220°C螺桿旋轉(zhuǎn)速度（n）150 mm/s背壓（pback）20 bar切換點(diǎn)（sswitch）1 cm3包裝時間（tpack）0

12、 s圖3.活動板和該系統(tǒng)的附件材料進(jìn)入模具的中心線從澆口套流進(jìn)分型面。在活動板側(cè)有可快速更換縫模的系統(tǒng)。熔融的材料從縫模的開端流入從底部流出。三個壓力傳感器（奇石6157BD）和一個P-T組合傳感器（奇石6190A）內(nèi)置于固定側(cè)。模具的溫度由冷卻水和加熱器共同控制在90。模具的效果圖如圖3。圖4示出了傳感器的位置。該金屬模具的尺寸列在了表3中。模具的寬度是15毫米。數(shù)據(jù)處理由LabVIEW編寫的程序進(jìn)行處理。程序在Windows XP操作系統(tǒng)中運(yùn)行，它可以處理測量出來的壓力信號得到流變數(shù)值。測量采樣率為1ms。對于研究熔體破裂效果，高的采樣率是必要的。該電子系統(tǒng)如圖5所示。圖4.縫模表3.模具

13、的幾何尺寸縫模編號123456高（h/mm）234222長（l/mm）808080456580寬（w/mm）151515151515圖5.信號傳感器系統(tǒng)測得的四個壓力曲線和壓力差被繪制成與時間的函數(shù)曲線，如圖6所示?？梢钥闯鲈撃Ｇ坏奶畛溆袃蓚€不同的階段?？涨坏膬?nèi)部的物質(zhì)流在第一階段。壓力不斷增加直到熔體前沿到達(dá)出口點(diǎn)才停止增加。圖6.測量壓力曲線這個時候熔融聚合物流出自由地并且測得的壓力是大致恒定的。這些恒定的壓力用于計算中?？拷膒3和p4的壓力下降小于前者的壓降。這是因?yàn)槭艿搅丝p模端部的影響。設(shè)定每次最少注射3次，如果標(biāo)準(zhǔn)偏差小于5%壓力曲線會被記錄。平均偏差小于1%。4.結(jié)果與討論4.1

14、流動的研究測量范圍為500-9000 1/s。三種不同溫度進(jìn)行了研究。計算出的表觀流動曲線示于圖7。這些曲線對應(yīng)于模擬的曲線塑膠原料：增加剪切速率時熔體的粘度減小。橫截面的校正表明，表觀剪切速率升高（Rabinowitsch校正），和表觀剪切應(yīng)力降低（圖8）。圖7.橫截面的校正的影響圖8.計算得出的無壁影響的流量曲效果圖9.門尼圖門尼校正計算基于模具1,2,3號的測量。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在門尼線的斜率是負(fù)的因此壁板上無滑差（圖9）。巴格校正計算基于第4、5和6號的測量（圖10）?？梢钥闯?，最小的L / H比為15。這是與假設(shè)的l/ h值相差甚遠(yuǎn)（假設(shè)接近0），但是線的回歸系數(shù)在0.98以上。計算出的值

15、匯總于表4。圖10.巴格利圖(Tmat = 180°C)表4.巴格利圖的常量 1/sec巴格利圖的斜率 外推壓降線性回歸R250026517524156990.9878100029071630465520.9877200031800038097220.9874300033500043274690.9873500035700050652460.9870800037800058385930.98681000038900062407610.98661500040800070346500.9864表觀值進(jìn)行校正和實(shí)際粘度曲線示于圖11。為了進(jìn)行比較，該材料是由其它兩種儀器進(jìn)行測試。使用哈克e

16、xtrusiometer（米什科爾茨大學(xué)）和GöttfertRHEOGRAPH25并關(guān)聯(lián)不同儀器的結(jié)果是更加具有說服力的。圖11.真實(shí)的粘度曲線表5粘度曲線的常數(shù)儀器 nHaake297060.250Göttfert303490.246Rheo-mould290910.270方程（21）是適合于所計算出的實(shí)際粘度曲線，其中1是沒有真正的一個常數(shù)物理意義。等式的常數(shù)是表5（式（21）中列出。 （21）4.2.通過無量綱量考察熱狀態(tài)計算是由無量綱量做的使用最小的數(shù)據(jù)（方程16-18）和最大流率。模具與材料溫度和縫模的橫截面也被改變了。結(jié)果總結(jié)在表6和表7中。表6.無量綱量（TM

17、 =180）表7.無量綱量（TM =220°C）由此可以看出，該格雷茨數(shù)量每次大于100。作為計算Nahme數(shù)比1大得多，橫熱流比軸向熱流小得多。然而，它應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào)的是在腔體壁中的冷凍聚合物層的開發(fā)影響流動的有效截面。該厚度與壓降成正比，壓降越大凝固層越厚。根據(jù)測量值和計算值（表6，表7），增加模具空腔的高度溫度對壓力的影響越小則冷凍層對流量的影響越小。由于這種凍層，所述流動橫截面必須小，并且它對壓降和散熱產(chǎn)生影響。施加最薄模具（h= 2毫米）和冷卻模具的溫度，壓力降是最高的。布林克曼數(shù)大于1的每設(shè)置（除兩次測量與模具3 220）。這意味著，耗散熱量對粘度的影響比對垂直熱傳遞的影響大。

18、兩個傳感器之間的測量的壓降（），平均溫度上升耗散熱（），真正的粘度（），由熱耗散的粘度降低（），由壓力（）和粘度降低校正壓力降（）總結(jié)在表8中。壓力和溫度（ ）的影響的計算采用Laun。 和 有很好的相關(guān)性。平均差值小于6。這種良好的相關(guān)性意味著耗散熱量平衡壓力對熔體粘度的影響。表8.耗散對熔體壓力和熱量的影響5.結(jié)論設(shè)計和制造了一種新型流變測量系統(tǒng)。特殊的注模具可以用來確定流在注射成型過程中的熔融聚合物的曲線。如果模具被加熱至處理溫度，流量條件是接近絕熱的，特別是較高的流速時更為明顯。我們發(fā)現(xiàn)：如果橫截面大于2 mm，模具溫度對流動條件是影響較小。6.參考文獻(xiàn)1 Clavería

19、I., Javierre C., Ponz L.: Method for generation of rheological model to characterize non-conventional injection molding by means of spiral mold. Journal of Materials Processing Technology, 162163,477483 (2005).DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2005.02.0652 Chen S. C., Tsai R. I., Chein R. D., Lin T. K.: Pre

20、liminary study of polymer melt rheological behavior flowing through micro-channels. International Communications in Heat and Mass Transfer, 32, 501510 (2005).DOI: 10.1016/j.icheatmasstransfer.2004.07.0043 Chen C-S., Chen S-C., Liaw W-L., Chien R-D.: Rheological behavior of POM polymer melt flowing t

21、hrough micro-channels. European Polymer Journal, 44, 18911898 (2008). DOI: 10.1016/j.eurpolymj.2008.03.0074 Benhadou M., Haddout A., Villoutreix G.: Injection of polypropylene reinforced with short glass fibers: Rheological behavior. Journal of Reinforced Plastics and Composites, 26, 13571366 (2007)

22、. DOI: 10.1177/07316844070797355 Bariani P. F., Salvador M., Lucchetta G.: Development of a test method for the rheological characterization of polymers under the injection molding process conditions.Journal of Materials Processing Technology, 191,119122 (2007).DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2007.03.0896

23、 Haddout A., Villoutreix G.: Polymer melt rheology at high shear rates. International Polymer Processing,2000, 291296 (2000).7 Sz%cs A.: Study of non-isothermal mould filling. inProceedings of International Doctoral Seminar, Smolenice,Slovakia, 467474 (2010).8 Belina K., Sz%cs A.: Investigation of polymer flow during filling stage. in Proceedings of PPS2006 conference,Pretoria, South Africa p.4 (2006).9 Chang D. H.: Rheology in polymer processing. AcademicPress, New York (1976).10 Son Y.: Determination of shear viscosity and shear rate from pressure drop a