劉旭輝 (長江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,湖北荊州434023)

熔體充模流動(dòng)是高溫熔體向溫度相對(duì)較低的模腔運(yùn)動(dòng)的過程,是決定聚合物微觀結(jié)構(gòu)的階段,對(duì)制品品質(zhì)有直接影響。對(duì)熔體充模流動(dòng)的研究 (尤其是試驗(yàn)研究)一直是聚合物成型研究者關(guān)注的課題。研究熔體充模流動(dòng)可以為模具設(shè)計(jì)和數(shù)值模擬提供理論基礎(chǔ)。在20世紀(jì)40年代末和50年代初,Gilmore和Spencer首先采用示蹤技術(shù)和可視化技術(shù)對(duì)普通注塑的熔體充模流動(dòng)進(jìn)行了研究,給熔體充模流動(dòng)的研究奠定了基礎(chǔ),為以后的研究者提供了可供借鑒的基本方法[1,2],國內(nèi)外學(xué)者由此進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究。筆者對(duì)聚合物熔體充模流動(dòng)的試驗(yàn)研究方法進(jìn)行詳細(xì)綜述,為深入研究普通注塑、共注塑、氣輔助注塑和微注塑等過程中熔體充模流動(dòng)提供參考。

1 基于示蹤技術(shù)的充模流動(dòng)研究

White[3]把改進(jìn)的Instron流變儀作為注射裝置,將紅、綠、橙、藍(lán)等色料作為示蹤劑,研究恒溫和非恒溫條件下的熔體充模流動(dòng),試驗(yàn)裝置如圖1所示。試驗(yàn)過程如下:①把聚合物 (PS和PE)棒材放入流變儀機(jī)筒之前,在棒材上沿徑向等間距鉆出多個(gè)孔,再把長度與棒材直徑相等的已染色的線材放入孔中;②通過流變儀的柱塞把已加熱的棒材注入到可視化模具中,用攝影機(jī)拍攝熔體在不同形狀模腔中的流痕。根據(jù)對(duì)熔體流動(dòng)的觀察,研究熔體前緣的形狀和熔體高速噴射的現(xiàn)象,并對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行分析。Schmidt[4]對(duì)上述試驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn),即放入PBT棒材的線材長度只有棒材直徑的三分之一,這樣可以將示蹤劑在機(jī)筒和模具中的變形區(qū)別出來,從而提高試驗(yàn)精度。通過圖像分析,對(duì)熔體流動(dòng)的速度場(chǎng)進(jìn)行了研究,分析了拉伸和剪切流動(dòng)。White和Schmidt的研究成果揭示了普通注塑中熔體充模流動(dòng)的一些基本現(xiàn)象,其研究成果被國內(nèi)外教材廣泛引用。

Coyle等[5]把水溶性聚磺酸 (假塑性流體)、硅油 (牛頓流體)等試驗(yàn)材料放入可上下移動(dòng)的有機(jī)玻璃模具中,以碳黑為示蹤劑,用注射器通過模具側(cè)面的孔將示蹤劑注入到液體中成一條水平跡線,用電機(jī)帶動(dòng)模具運(yùn)動(dòng),觀察噴泉流現(xiàn)象。試驗(yàn)裝置如圖2所示。該試驗(yàn)方法的獨(dú)特之處在于借助模具運(yùn)動(dòng)而柱塞靜止的方法,實(shí)現(xiàn)了攝像機(jī)跟蹤示蹤劑的 “動(dòng)態(tài)”拍攝的效果,從而通過窄縫觀察噴泉流來完整詳細(xì)地觀察流體運(yùn)動(dòng)。

Cheng等[6]用共注塑注塑機(jī),把透明的PS作為表層,添加綠色示蹤劑的PS作為芯層材料,觀察熔體在注射、保壓和冷卻過程中的流動(dòng)行為,研究噴泉流現(xiàn)象、保壓壓力對(duì)熔體流動(dòng)的影響,并將模擬結(jié)果與試驗(yàn)對(duì)比,提出了改進(jìn)模擬精度的方法。

圖1 White試驗(yàn)裝置示意圖

Haagh等[7]采用黑色和黃色示蹤劑,用PS材料研究在恒溫和非恒溫條件下氣體輔助注射時(shí)熔體流動(dòng)的軌跡。將染有不同示蹤劑的圓片交替放入柱狀模腔,通過油加熱使材料熔融,注氣后冷卻、取樣、鋸開,觀察熔體流痕。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),剪切變稀會(huì)使壁厚減小 (與Poslinski的研究結(jié)論吻合),氣體的穿透作用使壁厚增大。通過將制品壁厚和流跡與模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)恒溫條件的模擬結(jié)果與試驗(yàn)相符。

Nian等[8]采用柱塞式注塑機(jī),在機(jī)筒里將染有黑色的PS材料作為示蹤劑放在無色的PS之后,柱塞推動(dòng)加熱后的熔體流入螺線形模腔的可視化模具,以此來觀察和了解微注塑過程中熔體的充模流動(dòng)過程。研究發(fā)現(xiàn),溫度較高的黑色熔體會(huì)沿芯層尋早最短的路徑、快速地穿透透明熔體在前沿形成噴泉流;在填充較靠后的模腔時(shí),出現(xiàn)沖擊填充階段和壓力填充階段。

圖2 “噴泉流”試驗(yàn)裝置示意圖

2 基于可視化技術(shù)的充模流動(dòng)研究

Zheng[9]利用氣體輔助注塑可視化試驗(yàn)裝置,觀察到氣體前緣的形狀受材料、壓力、短射量、延遲時(shí)間和溫度的影響。試驗(yàn)裝置如圖3所示。試驗(yàn)表明,注氣壓力低,在初始階段氣體穿透加速度小,到了模腔末端速度很快,氣體前緣曲率半徑變小;注氣壓力高,氣體穿透加速度大,氣體前緣曲率半徑變大。

Yang等[10]應(yīng)用可視化技術(shù)研究了氣體輔助注塑中氣體在PS熔體中的穿透行為,所用模具如圖4所示。制品包括無肋、有交叉肋、單肋和對(duì)稱肋的板類等。研究結(jié)果表明:①氣體輔助注塑可分為3個(gè)階段,即普通充模、氣體輔助充模和氣體輔助保壓和冷卻;②氣體輔助充模比普通充模速度快,氣體輔助充模過程中速度與時(shí)間的關(guān)系近似于指數(shù)函數(shù),肋的幾何形狀對(duì)氣體和熔體的速度影響顯著;③氣體穿透對(duì)稱肋板時(shí),穿透長度很難對(duì)稱。

圖3 氣體輔助注塑可視化系統(tǒng)

圖4 氣體輔助注塑可視化模具

Poslinski等[11]用粘彈性材料硅酮研究了氣體穿透對(duì)壁厚形成的影響。試驗(yàn)裝置如圖5所示。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),氣體穿透速度決定壁厚的厚度;穿透速度低,氣體會(huì)推動(dòng)更多液體的移動(dòng)導(dǎo)致壁厚更薄;穿透速度高,壁厚不均勻,壁厚與管徑比接近0.35;隨著氣體前緣的液體減少,氣體穿透的加速度更高。Poslinski等基于上述試驗(yàn)建立了描述氣體輔助注塑過程的氣液動(dòng)力學(xué)模型。

Koelling等[12]用PB(聚丁烯)、PIB(聚異丁烯)等材料研究氣體穿透牛頓流體和粘彈性流體時(shí)氣體前緣液體的運(yùn)動(dòng)機(jī)理。采用粒子跟蹤速度測(cè)量儀、激光等裝置 (見圖6)觀察液體流場(chǎng),根據(jù)粒子在流場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)研究剪切速率和拉伸速率,并將試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果進(jìn)行比較,該試驗(yàn)為提高模擬精度提供了幫助。

圖5 Poslinski的可視化試驗(yàn)設(shè)備示意圖

圖6 Koelling的可視化試驗(yàn)示意圖

Kamisli等[13]采用透明的塑料和玻璃管,通過改變壓力差觀察氣液界面的移動(dòng)規(guī)律,研究氣體在牛頓流體、非牛頓流體和粘彈性流體中的界面移動(dòng)速度和壁厚形成。試驗(yàn)表明,壁厚厚度主要取決于氣體的穿透速度,增加氣壓和模腔半徑、減小流體粘度,可以減小流阻、增大氣體運(yùn)動(dòng)速度和壁厚。

? zdemir等[14]將可視化技術(shù)與CAE模擬技術(shù)結(jié)合,研究HDPE和PP熔體在 “凹”字形模腔的充模流動(dòng)。為了了解注射壓力和注射速率對(duì)熔體前沿運(yùn)動(dòng)的影響,分別考察了5個(gè)注射壓力、6個(gè)注射速率下的熔體充模,并且按照試驗(yàn)條件運(yùn)用數(shù)值模擬軟件Moldflow進(jìn)行了仿真,在試驗(yàn)中采用短射方法研究熔體前沿運(yùn)動(dòng)。研究發(fā)現(xiàn),數(shù)值模擬的熔體前沿運(yùn)動(dòng)與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合,但是完成充模的時(shí)間不一致。注射壓力較低的條件下,試驗(yàn)與模擬結(jié)果差異大,在試驗(yàn)中熔體沒有完成充模,模擬中熔體完成了充模。

Yokio等[15～17]在改進(jìn)注塑可視化技術(shù)方面做了許多工作,如為能夠獲得清晰的熔體前緣流動(dòng)圖像,采用攝像機(jī)跟蹤熔體界面技術(shù);為實(shí)現(xiàn)觀察高注射壓力下的熔體流動(dòng),采用梯形剖面的玻璃作為可視化模具觀察視窗來提高玻璃的承載能力。在此基礎(chǔ)上,對(duì)PP制品中銀紋和氣泡等缺陷的產(chǎn)生過程、GF增強(qiáng)GPPS和PP復(fù)合材料的噴泉流動(dòng)、V形槽的成型過程、熔體在Y形和十字形流道的充模流動(dòng)機(jī)理進(jìn)行了研究。研究發(fā)現(xiàn),PP復(fù)合材料在高注射率工況下,噴泉流一直是對(duì)稱的,而且沒有流痕出現(xiàn);提高模具溫度,在熔體前沿流過V形槽口的瞬間,熔體填充V形槽的速率提高;減小V形槽斜度會(huì)延遲熔體填充V形槽,填充速率降低。

楊衛(wèi)民等[18～20]借助注射成型可視化試驗(yàn)裝置,利用多型腔H型流道系統(tǒng)對(duì)注射成型多模腔充填不平衡現(xiàn)象的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了研究,觀察到注射成型過程中縮痕、短射、銀紋、氣泡等幾種典型缺陷的產(chǎn)生過程,分析了上述缺陷的產(chǎn)生機(jī)理。對(duì)于多型腔H型流道系統(tǒng),熔體流動(dòng)剪切生熱引起的熔體溫度分布變化和流經(jīng)分岔后的不對(duì)稱,最終導(dǎo)致型腔不均衡充填。提高注射速率,熔體截面溫度分布出現(xiàn)波峰狀。在尖角的影響下,制品芯層熔體的冷卻收縮產(chǎn)生凹痕;注射速度過高、熔體溫度較低造成短射;材料潮濕、模腔表面不潔凈,在澆口位置附近產(chǎn)生銀紋;制品壁厚較大、低分子揮發(fā)物的混入導(dǎo)致不同類型氣泡出現(xiàn)。

3 基于示蹤技術(shù)和可視化技術(shù)的水輔助熔體充模流動(dòng)研究

劉旭輝等[21]通過著色劑與PP復(fù)合材料的共混制備分別含有紅色和綠色示蹤劑的圓片,利用水輔助注塑仿真裝置 (見圖7)在不同工藝條件下進(jìn)行水輔助注射成型,通過制品軸向剖面上示蹤劑的分布,對(duì)熔體的流痕進(jìn)行考察,研究了水輔助熔體充模流動(dòng)的規(guī)律。利用可視化模具 (見圖8)分別對(duì)不同工藝條件下的水輔助充模過程進(jìn)行拍攝,通過水輔助充模過程的錄像和圖片分析和研究水與熔體的相互作用,根據(jù)能量守恒等定理對(duì)水/熔體界面的變化和速度分布進(jìn)行了研究。通過示蹤技術(shù)發(fā)現(xiàn),在一次穿透過程中,隨著延遲時(shí)間的增加,回流區(qū)域呈向水道邊靠近的趨勢(shì),回流過程有所改變;注水壓力低時(shí),靠近水道的熔體受到的剪切作用大;填充量減少,跡線的延伸長度增加。通過可視化技術(shù)發(fā)現(xiàn),水從噴嘴射出時(shí),穿透高粘度熔體區(qū)的行為為射流穿透;水穿透其前緣熔體的方式有3種,即側(cè)穿透、中間小截面穿透和完整穿透;水的穿透速度是波動(dòng)的,呈上升趨勢(shì)。

圖7 水輔助熔體充模試驗(yàn)裝置

圖8 水輔助注塑可視化模具

4 結(jié) 語

在對(duì)一種材料的流體流動(dòng)行為的研究過程中,將示蹤技術(shù)和可視化技術(shù)結(jié)合使用可獲得不同位置流體流動(dòng)的動(dòng)態(tài)軌跡,因而示蹤技術(shù)和可視化技術(shù)一直是研究熔體充模流動(dòng)行為的重要方法。在研究材料性質(zhì)差異較大的2種流體 (如氣體和水)輔助注射成型過程中熔體在流體作用下的動(dòng)態(tài)流動(dòng)蹤跡時(shí),將示蹤技術(shù)和可視化技術(shù)相結(jié)合的技術(shù)難度較大 (聚合物的加熱和流體的導(dǎo)入不易同時(shí)實(shí)現(xiàn)),因而目前在對(duì)氣體和水輔助熔體充模過程的研究中將示蹤技術(shù)和可視化技術(shù)分開使用,由于涉及2種技術(shù)的試驗(yàn)成果是相輔相成的,因此,利用示蹤技術(shù)和可視化技術(shù)對(duì)流體/熔體界面移動(dòng)和熔體流動(dòng)等問題進(jìn)行深入研究非常有幫助。

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