蔣炳炎,侯文潭,邱慶軍,蔣豐澤

(中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院現(xiàn)代復(fù)雜裝備設(shè)計(jì)與極端制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南長(zhǎng)沙410083)

高密度聚乙烯薄壁件注射成型時(shí)的結(jié)晶特性研究

蔣炳炎,侯文潭,邱慶軍,蔣豐澤

(中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院現(xiàn)代復(fù)雜裝備設(shè)計(jì)與極端制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南長(zhǎng)沙410083)

用Moldflow MPI 5.0軟件的Flow 3D模塊仿真及同步熱分析儀分析的方法,研究了熔體溫度及注射速率對(duì)薄壁件注射成型時(shí)結(jié)晶特性的影響。結(jié)果表明,熔體溫度為175、195、215℃時(shí),在厚度為0.8 mm的高密度聚乙烯薄壁件的注射成型過(guò)程中,在流動(dòng)方向上,澆口附近的剪切速率和熔融熱焓遠(yuǎn)大于其他各處,且二者均隨著與澆口間距離的增加而迅速降低;從距澆口1.5 mm處到制品末端,剪切速率穩(wěn)定在2000～4000 s-1之間;從距澆口5 mm處至制品末端,熔融熱焓的變化不明顯;熔體溫度為215℃時(shí),制品的熔融熱焓最高;隨著注射速率的增加,澆口處的最大剪切速率亦增加。

薄壁注射成型;高密度聚乙烯;剪切速率;結(jié)晶;熔體溫度

0 前言

薄壁注射成型因具有可減輕產(chǎn)品質(zhì)量、減小產(chǎn)品外觀尺寸、節(jié)約材料和降低成本等優(yōu)點(diǎn)而成為塑料成型行業(yè)中新的研究熱點(diǎn)[1-3]。由于對(duì)該技術(shù)的研究還沒(méi)有形成基本的理論體系,而且國(guó)內(nèi)對(duì)這方面的研究非常少,所以本文旨在為研究薄壁注射成型的特性積累經(jīng)驗(yàn),并為深入開(kāi)展薄壁零件注射成型的可控制造的研究打下良好基礎(chǔ)。目前,部分研究學(xué)者在該領(lǐng)域的研究已積累了一定的經(jīng)驗(yàn)與成果,但基本上還是停留在定性研究的階段。Losch[4]、Mahishi[5]分別通過(guò)實(shí)驗(yàn)及C-Mold軟件仿真發(fā)現(xiàn),厚度越薄的制品需要越高的注射壓力與注射速度才能將型腔完全充填。Ma-loney[6]將聚碳酸酯(PC)和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)2種材料用Moldflow軟件模擬表明,高的注射速度可以提高剪應(yīng)變率,并可提高剪切熱以增加材料的流長(zhǎng)比。Tanktakom[7]用ABS和 PC進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明,成型材料主要受模具溫度與熔體溫度影響。Shen[8]用Moldflow軟件對(duì)加入不同比例玻璃纖維的聚丙烯(PP)進(jìn)行研究,結(jié)果表明,在薄壁注射成型中模具溫度是最重要的工藝參數(shù),且注射壓力、模具溫度和熔體溫度均高于常規(guī)注射成型。宋滿倉(cāng)等[9]通過(guò)實(shí)驗(yàn)和Moldflow軟件研究表明,注射量及注射速度在薄壁件注射成型的填充過(guò)程中起主導(dǎo)作用,適當(dāng)?shù)淖⑸淞考案咦⑸渌俣饶艽蠓岣咛畛渎?熔體溫度和注射壓力相對(duì)于注射量和注射速度而言只起次要作用。在結(jié)晶度檢測(cè)方面,鄭國(guó)強(qiáng)等[10]利用差示掃描量熱(DSC)法和密度法測(cè)定了PP注射成型薄壁制品的結(jié)晶度,結(jié)果表明,用DSC測(cè)量是一種比較實(shí)用的計(jì)算結(jié)晶度的方法。陶四平等[11]用DSC對(duì)高密度聚乙烯(PE-HD)的非等溫結(jié)晶動(dòng)力學(xué)及結(jié)晶行為進(jìn)行了探討,找到了能直接從非等溫結(jié)晶實(shí)驗(yàn)中獲取PE-HD的結(jié)晶動(dòng)力學(xué)參數(shù)的方法。本文從定量的角度出發(fā),探討薄壁注射成型的結(jié)晶特性,并根據(jù)薄壁件使用性能對(duì)結(jié)晶度的不同要求,探尋調(diào)整薄壁件注射成型時(shí)的熔體溫度和注射速率的規(guī)律及依據(jù),以控制成型后薄壁塑件的結(jié)晶度,從而實(shí)現(xiàn)薄壁塑件的可控制造。

1 仿真分析

在結(jié)晶型聚合物薄壁注射成型過(guò)程中,工藝條件可顯著影響充模過(guò)程中的剪切速率,而剪切速率的變化又會(huì)導(dǎo)致制品冷卻過(guò)程中的結(jié)晶形態(tài)發(fā)生變化,進(jìn)而影響制品的物理和力學(xué)性能[12-13]。本文主要研究熔體充模過(guò)程中剪切速率的分布,對(duì)熔體溫度和注射速率這兩個(gè)對(duì)剪切速率的分布影響較大的工藝參數(shù)采用單因素法進(jìn)行計(jì)算機(jī)的模擬分析,以得到制品的結(jié)晶度分布規(guī)律,為實(shí)現(xiàn)薄壁塑件注射成型的可控制造奠定理論基礎(chǔ)。本文采用模流分析專用軟件Moldflow Plastics Insight(MPI)的Flow 3D模塊對(duì)薄壁制品注射成型充填過(guò)程進(jìn)行了仿真計(jì)算,但由于MPI中劃分的3D網(wǎng)格品質(zhì)較差,故采用能夠大大的提高網(wǎng)格品質(zhì)的 Hypermesh軟件劃分網(wǎng)格,進(jìn)而提高分析結(jié)果的精度。

工藝參數(shù)設(shè)定為模具溫度80℃,注射時(shí)間0.4 s,保壓壓力95%,保壓時(shí)間2.4 s,最終設(shè)定熔體溫度分別為 215、195、175 ℃,注射速率為 1、2、3、4、5 cm3/s。實(shí)驗(yàn)樣品如圖1所示,規(guī)格為12 mm×5 mm×0.8 mm。

圖1 薄壁制件樣品Fig.1 Sample of the thin-wall part

在 Hypermesh中,直接將由 Pro/E設(shè)計(jì)的薄壁件實(shí)體模型讀入,采用四面體單元對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,利用Hypermesh軟件與MPI軟件的接口程序?qū)⑸傻?D網(wǎng)格導(dǎo)入MPI。最終生成的薄壁零件3D網(wǎng)格模型含節(jié)點(diǎn)15140個(gè),四面體單元75646個(gè)。從外觀和網(wǎng)格狀態(tài)來(lái)看,Hypermesh生成的網(wǎng)格品質(zhì)比較高,網(wǎng)格狀態(tài)統(tǒng)計(jì)圖如圖2所示。

圖2 Hypermesh劃分的3D網(wǎng)格Fig.2 3D mesh generated by Hypermesh

1.1 熔體溫度對(duì)剪切速率的影響

根據(jù)設(shè)定好的基本實(shí)驗(yàn)參數(shù),對(duì)注射速率為3 cm3/s,熔體溫度分別為215、195、175 ℃條件下的薄壁零件充填成型過(guò)程進(jìn)行仿真分析。由圖3可見(jiàn),在這3種溫度下,澆口附近的剪切速率遠(yuǎn)大于制品其他各處,并且剪切速率隨與澆口間距離的增加而迅速降低;從距澆口1.5 mm處到制品的末端,剪切速率的變化并不明顯,穩(wěn)定在2000～4000 s-1之間。主要原因在于熔體從澆口進(jìn)入模腔充模時(shí),流道截面積的突然增大使熔體出現(xiàn)不穩(wěn)定的射流流動(dòng),但是由于熔體前緣和空氣界面相接觸致使熔體溫度下降,從而黏度提高形成黏彈性的熔膜,使熔體各點(diǎn)速度趨于一致。由于澆口處剪切速率大,且澆口附近的溫度高、受熱時(shí)間長(zhǎng),故澆口處的結(jié)晶度高,而遠(yuǎn)離澆口處因冷卻快,故結(jié)晶度低一些。

1.2 注射速率對(duì)剪切速率的影響

從圖4中可以看出,隨著注射速率的增加,澆口處的最大剪切速率亦增加。故提高注射速率也可提高薄壁注塑件注射成型時(shí)熔體充模過(guò)程中的剪切速率。提高注射速率,可使鏈段在應(yīng)力作用下沿受力方向取向,形成有序區(qū),容易誘導(dǎo)岀晶胚,從而提高結(jié)晶度。

圖3 制品流動(dòng)方向的剪切速率分布Fig.3 Distribution of shear rates of product in flow orientation

圖4 注射速率對(duì)剪切速率的影響Fig.4 Effect of injection rate on shear rate

2 薄壁件注射成型結(jié)晶性能的檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

本文根據(jù)薄壁制品結(jié)晶性能檢測(cè)實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果,研究工藝條件對(duì)薄壁制品結(jié)晶度的影響并將其與仿真所得結(jié)果相比較,以得出工藝條件對(duì)薄壁制品結(jié)晶度的影響規(guī)律,進(jìn)而提出薄壁注塑件注射成型可控制造方法,以更好地指導(dǎo)薄壁注塑件的實(shí)際生產(chǎn)。

2.1 主要原料

PE-HD,8008,密度 0.946 g/cm3,熱傳導(dǎo)率為0.28 W/(m·℃),比熱2303 J/(kg·K),熔點(diǎn)135℃,蘭州化工集團(tuán)。

2.2 主要設(shè)備及儀器

注塑機(jī),SZ250/1200BⅡ,湖南省華云機(jī)器廠;

模具控溫機(jī),YBM-11H(油),晏邦電機(jī)工業(yè)有限公司;

同步熱分析儀,STA-449C,德國(guó)耐馳公司;

工業(yè)冷水機(jī),SIC-3A,東莞信易電熱機(jī)械有限公司;

薄壁件注射成型模具,自制,模具總體結(jié)構(gòu)如圖5所示,該模具1模4腔,針對(duì) PE-HD材料可以同時(shí)成型4 種不同壁厚(0.3、0.5、0.8、1.0 mm)的零件。本文選用龍記標(biāo)準(zhǔn)模架,規(guī)格為2525AⅠ,A板厚30 mm、B板厚30 mm,模厚225 mm。型腔布置在動(dòng)模側(cè),分型面選擇制品的一個(gè)側(cè)表面?？紤]到模具流道系統(tǒng)、型腔加工的工藝性,節(jié)省貴重材料及后續(xù)研究的綜合利用,型腔及流道系統(tǒng)分別設(shè)計(jì)在嵌入動(dòng)模板、定模板的兩塊85 mm×63 mm×15 mm尺寸規(guī)格的鑲塊上。流道采用 H型對(duì)稱分布,流道截面為圓型,按照傳統(tǒng)注射成型自然平衡流道系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式,確定主流道直徑為4 mm,分流道直徑3 mm,基于對(duì)比研究的需要(其他研究課題),澆口設(shè)計(jì)為扇形澆口和矩形澆口各一組。

圖5 薄壁注射成型模具的總體結(jié)構(gòu)Fig.5 CAD model of thin-wall injection mould

2.3 樣品制備

模具控溫機(jī)的溫度設(shè)定為80℃,注射成型工藝參數(shù)設(shè)定為:注射時(shí)間0.4 s,保壓壓力95%,保壓時(shí)間2.4 s。分別調(diào)節(jié)熔體溫度為175、195、215 ℃,分3組注射成型,每組20個(gè)。樣品成型后,利用鋒利刀片沿熔體流動(dòng)方向在制品上切取試驗(yàn)樣品,切片示意圖如圖6所示。

2.4 性能測(cè)試與結(jié)構(gòu)表征

DSC分析:Ar氣氣氛,流量為 140 mL/min,以10℃/min的速率升溫至260℃后恒溫5 min,然后以8℃/min的速率降溫,再以10℃/min的速率升溫。

圖6 流動(dòng)方向切片取樣位置示意圖Fig.6 Sketch map of the cut specimens in flow direction

2.5 結(jié)果與討論

對(duì)于高分子聚合物而言,在理想狀態(tài)下,完全結(jié)晶時(shí)所釋放的熱量與完全熔融時(shí)所吸收的熱量相等,其結(jié)晶過(guò)程與熔融過(guò)程互逆。在結(jié)晶相中,大分子聚集排列得緊密有序,直至熔融溫度才出現(xiàn)晶相熔融和分子活動(dòng)。結(jié)晶度、材料的模量及熔點(diǎn)溫度越高,熔融所需的熱量也越多,因此,熔融峰與結(jié)晶度密切相關(guān)[14-15],故本文采用了分析熔融熱焓的方法。

圖7為熔體溫度分別為175、195、215 ℃時(shí),模具溫度為80℃時(shí)制品在澆口處、制件中部、距澆口最遠(yuǎn)端的樣品的非等溫DSC熔融曲線。

圖7 樣品的DSC熔融曲線Fig.7 DSC melting curves for the specimens

利用同步熱分析儀配套的數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)圖7中的3條曲線進(jìn)行面積積分,可以計(jì)算岀相應(yīng)的熔融熱焓,如圖8所示。由于聚合物熔融吸熱,所以曲線的積分值應(yīng)為負(fù),圖8中只表示熔融熱焓的絕對(duì)值。從圖8可以看出,不管熔體溫度如何變化,澆口處的熔融熱焓明顯要高于其他位置;沿著熔體流動(dòng)方向,熔融熱焓隨著與澆口距離的增大而減小,在5 mm處至制品末端,其變化不明顯;熔體溫度為215℃時(shí),制品的熔融熱焓最高;熔體溫度從175℃升到195℃時(shí),制品的結(jié)晶性能變化不明顯,而當(dāng)熔體溫度從195℃升到215℃時(shí),制品的結(jié)晶性能有明顯提高。

圖8 薄壁制品流動(dòng)方向熔融熱焓的分布Fig.8 The melting enthalpy of thin-wall parts in flow direction

3 結(jié)論

(1)澆口附近的剪切速率遠(yuǎn)大于制品其他各處,并且剪切速率隨與澆口間距離的增加而迅速降低。從距澆口1.5 mm處到制品的末端,剪切速率的變化并不明顯,穩(wěn)定在2000～4000 s-1之間;

(2)提高注射速率可提高薄壁注塑件注射成型時(shí)熔體充模過(guò)程中的剪切速率,從而提高制品的結(jié)晶度;

(3)不管熔體溫度如何變化,澆口處的熔融熱焓明顯要高于其他位置上的;沿著熔體流動(dòng)方向,熔融熱焓隨著與澆口距離的增大而減小,在5 mm處至制品末端,其變化不明顯。

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Crystallization Properties of Injection Molded PE-HD Thin-wall Parts

J IAN G Bingyan,HOU Wentan,QIU Qingjun,J IAN G Fengze
(Key Laboratory of Modern Complex Equipment Design and Extreme Manufacturing,Ministry of Education,School of Mechanical and Electrical Engineering,Central South University,Changsha 410083,China)

By simulation analysis utilizing Flow/3D module in Moldflow MPI 5.0 and simultaneous thermal analysis,the effects of melt temperature and injection rate on the distribution of shear rate and melting enthalpy in thin-wall injection molding were studied.Three melt temperatures,175℃,195℃,and 215℃were selected.Results of the injection moulding experiments of the thin-wall PE-HD parts with a thickness of 0.8 mm showed that in the flow direction,the shear rate and the melting enthalpy of the melt close to the gate were much higher than those at other positions and decreased with increasing distance from the gate.For the melt at a distance between 1.5 mm from the gate and the end of part,the shear rate stayed somewhere between 2000～4000 s-1and no significant change in the melting enthalpy was observed when the distance was longer than about 5 mm.The melting enthalpy reached its peak value at the melt temperature of 215℃;the shear rate at the gate increased with increasing injection speed.

thin-wall injection molding;high-density polyethylene;shear rate;crystallization;melt temperature

TQ320.66+2

B

1001-9278(2010)08-0055-05

2010-05-12

國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目(2007AA04Z351)

聯(lián)系人,jby@mail.csu.edu.cn