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1、高聚物注射理论与设备,（硕士研究生非学位课程）,第二章 注塑过程原理,1 概论 2 塑化计量过程 3 注射充模过程 4 增密与保压过程 5 倒流与冷却定型过程,1 概论,1.1 预塑计量过程 高聚物在料筒中进行塑化的过程： 把固体粒料或粉料经过加热、压实、混合， 从玻璃态转化成均化的粘流态。 均化：聚合物熔体温度均化、粘度均化、密度均化 和组份均化。 重要特征：聚合物的热机性能，影响预塑过程的重要 因素是热能输入和转化条件。 三种输入方式： 1）外加热 2）内加热（剪切热和摩擦热） 3）前两种加热方式的组合 预塑时的能量平衡条件：Q总热=Q对流+Q传导+Q剪切+Q摩擦,1 概论,1.1 预塑计
2、量过程 预塑时影响聚合物熔体塑化质量的因素： 1）工艺参数（T机筒、S螺杆、n螺杆、p背压、s计量） 2）聚合物热物理性能和流变性能有关的参数 3）螺杆、机筒的几何构形及制造质量 塑化过程追求的主要指标是： 1)塑化质量 2)计量精度 3)塑化能力,1 概论,1.1 预塑计量过程,1 概论,1.2 注射充模 注射充模过程：把计量室中预塑好的熔体注入到模具型腔中。 两个阶段： 注射阶段与保压阶段。 1.3 冷却定型及过程 冷却定型过程：从浇口“冻封”开始至制品脱模为止。 特点：温度表现是主要的。 研究注塑过程的目的： 1）根据物料和制品调整好注塑工艺参数； 2）控制好注塑制品质量。,1 概论,2
3、 塑化过程,一、柱塞式塑化：过程与特点,柱塞式塑化装置 1-料斗 2-料筒 3-分流梭 4-柱塞,油马达或,二、螺杆式塑化： 1.特点：第一阶段：1)短暂的挤出过程 2)螺杆旋转运动后退直线运动 第二阶段：螺杆静止,螺杆式塑化装置,2 塑化过程,2 塑化过程,二、螺杆式塑化： 2.物料在螺槽中的变化 与挤出机类似：聚合物在料筒中从后部（入料口） 到前部（喷嘴处）由于热历程不同，也有三种状态。 后部是玻璃态，前部是粘流态，中间是高弹态。 与之对应的标准螺杆也分为三段： 各段螺槽中物料状态不同。 1）固体输送段（加料段） 2）压缩段（熔融段） 3）均化段（计量段）,2 塑化过程,螺槽展开模型,O1
4、O2a1a2: 固体料区（区）,b1b2-C1C2: 粘流态区（ 区）,a1a2b1b2: 高弹态过渡区（ 区）,2 塑化过程,2 塑化过程,3、物料在螺槽中的吸热过程 影响因素： 1）固体料区（o1o2a1a2）: （1）传热过程：聚合物的导热性、热容量、密度、筒壁与物料之间的温差、料筒温度（起重要作用）。 （2）剪切与摩擦过程：螺杆旋转时部分机械能转化为热能（粘度对剪切速率或温度敏感性以及固体料对筒壁的摩擦系数），螺杆转速起重要作用。 2）熔体料区（b1b2c1c2）：温升主要靠剪切功。,-剪应力，-剪切速率 -表观粘度,D-螺杆直径，h-槽深，n-螺杆转 速。,2 塑化过程,3）熔融区：
5、 由于注射螺杆预塑过 程的间歇性和复合运动， 使压缩段的熔融机理与连 续旋转下的挤出机熔融机 理有很大区别，主要表现 在固体床的物理模型上。,2 塑化过程,4）注射螺杆的一个螺槽与挤出螺杆的区别： 挤出螺杆：工艺条件稳定，固体床的状态稳定； 注射螺杆：流场、温度场、密度场、应力场比挤出有更大 的不稳定性。,2 塑化过程,5）注射螺杆塑化时产生较大轴向温差（工作不连续并有轴向移动）： 实验曲线表明：螺杆预塑时，熔体的轴向温差与螺杆行程、螺杆转速有关。,轴向熔体温度与螺杆行程关系图,2 塑化过程,2 塑化过程,4、固体输送过程： 1）固体输送段的压力分布 假设加料段的螺槽内被固体料充满形成 均衡而
6、密实的弹性固体塞，取一段固体塞 做分离体，作用在这个固体塞上的外有： 螺棱推力面的法向反力（P1） 料筒壁沿切线方向作用的摩擦（P2） 两螺棱侧面作用的摩擦力（P3） 在螺棱推力面法向分力引起的摩擦力（P4） 螺杆底面作用的摩擦力（P5） 阻止固体塞运动的反压力（P6）,PsP3P4P5 , Pz P2 , Pn P1 , Pp P6,Pz P2,2 塑化过程,根据平衡条件: Pz+Pn+Ps+Pp=0 微分形式： dPz+dPn+dPs+dPp=0 固体输送段的轴向压力分布函数：,4、固体输送过程： 1）固体输送段的压力分布,2 塑化过程,4、固体输送过程： 1）固体输送段的压力分布,2 塑
7、化过程,4、固体输送过程： 2）固体输送段的输送能力（从固体料塞在螺槽的运 动分析中得到）,*合成速度：,*轴向合成速度：,*固体输送段的输送能力：,*轴向合成速度：,=时，GL1=0，Vs=0； 最大输送效率时，螺旋角 和输送角应满足下式：,2 塑化过程,4、固体输送过程： 2）固体输送段的输送能力,2 塑化过程,4、固体输送过程： 2）固体输送段的输送能力,5、熔体的输送过程 1）速度分布： NavierStokes运动方程可简化为： 上式进行2次积分并对y采用边界条件后得Vz:,2 塑化过程,2 塑化过程,5、熔体的输送过程,2 塑化过程,5、熔体的输送过程 Vzd与Vzp 沿z方向的速
8、度分布： 当Vzd/Vzp=a不同时，速度分布不同。,2) 输送能力：当不考虑螺棱漏流时，计量段的熔体输送率GL3由正向流Gs和反向压力流决定，即：,2 塑化过程,2 塑化过程,计量段熔体的总流率为： 计量段最高输送能力要比固体输送段的最高输送能力低50左右。 最大输送能力与最大背压之比：,计量段槽深对输送率和背压的影响： （1）Pb0，Gsfs(h)； （2）Pb=fb(1/h2); （3）Gp=fp(h3),2 塑化过程,3 注射充模过程,一、注射充模周期 三个阶段： 特点： （1）注射充模流动阶段； 压力随时间变化的非线性函数 （2）保压补缩流动阶段； （3）保压切换倒流阶段。,3 注射
9、充模过程,二、熔体在喷嘴中的流动： 1、喷嘴流道形式 2、喷嘴压力温度关系,3 注射充模过程,*喷嘴直径、注射压力与温度关系表：,*不同剪切速率下的压力-温度：,3 注射充模过程,*压力温度关系,3 注射充模过程,*喷嘴压力分布 熔体在喷嘴的进口处要产生很大的压力降： P =Pe+Pc+Pw 式中： Pe 进口压力降 Pc 粘性效应压力降 Pw 剩余压力,3 注射充模过程,*HDPE在不同剪切速率下喷嘴进口处的压力：,3 注射充模过程,*锥形流道喷嘴入口角与速度分布：,*压力降：,3 注射充模过程,*直孔喷嘴：D1=D2=D P1 P2 = Pzl L,3 注射充模过程,*喷嘴流率及速度分布：
10、 由于v、f 、P影响， 提高料温，降低粘度； 提高速度，减少温降； 补缩效果及质量。,3 注射充模过程,三、熔体在模腔中的流动 1、充模机理 充模时间：tAtC； 充模过程：,3 注射充模过程,充模过程中的扩展流与射流,3 注射充模过程,熔体充模中的速度分布：,3 注射充模过程,充模时大分子的转向和拉伸取向：,3 注射充模过程,2、熔体在典型模腔中的流动 1）在圆形模腔中的流动 充模时的压力损失：,3 注射充模过程,2）在扁形模腔的流动 充模时的压力损失：,3 注射充模过程,3）在矩形模腔中流动 流率表达式：,3 注射充模过程,4）在圆盘形模腔中的流动 熔体沿径向压力损失： 式中：H 模腔深
11、度； p压力损失系数； 平均剪切应力； Pr径向压力损失,3 注射充模过程,4、熔体实际流动长度的表示 1）在矩形模腔中的流动长度 2）在圆柱形模腔的流动长度 3）在圆盘形模腔的流动长度,3 注射充模过程,流动长度实验： 实验条件： 模腔宽度20mm 厚度1、2、3mm 模具温度80,3 注射充模过程,3 注射充模过程,4 增密与保压过程,一、增密过程（压实过程） B点C点， 压实最大压力：,压实至保压切换：,4 增密与保压过程,二、保压过程 C点D点： 压力起主导作用， 流动起次要作用。 保压阶段对模腔压力的影响因素： 1）保压压力及时间对模腔压力的影响； 2）模腔压力与熔体温度之间的关系；
12、 3）模腔压力与模腔温度之间的关系； 4）模腔压力与聚合物结果之间的关系； 5）模腔压力与浇道系统之间的关系。,4 增密与保压过程,1）保压压力及时间对模腔压力的影响 C点D点：,4 增密与保压过程,保压时间对模腔压力的影响：,4 增密与保压过程,2）模腔压力与熔体温度之间的关系：,4 增密与保压过程,3）模腔压力与模腔温度之间的关系：,4 增密与保压过程,4）模腔压力与聚合物结果之间的关系：,4 增密与保压过程,5）模腔压力与浇道系统之间的关系 （1）浇口形式与位置对模腔压力的影响：,4 增密与保压过程,（2）浇道长度对模腔压力的影响：,4 增密与保压过程,（3）浇口面积对模腔压力的影响：,
13、4 增密与保压过程,（4）浇口长度对模腔压力的影响：,4 增密与保压过程,5）模腔压力与熔体预压缩间的关系,4 增密与保压过程,5 倒流与冷却定型过程,一、熔体的倒流 保压结束，螺杆后退，模腔中的熔体要发生倒流（tDtE）。 倒流过程压力曲线由倒流时间tDtE决定的。封断点位置与 保压切换点D1D5有关：保压切换越早，封断点压力越低。,二、熔体的冷却定型 1、冷却时的模腔压力 * 流道入口被封冻后，进入冷却阶段tEtF。 * 开模后制品中保持残余压力P5。 模腔压力温度循环曲线：,5 倒流与冷却定型过程,2、熔体在模腔的冷却速度凝固层温度按直线变化： 凝固层凝固速度： 凝固层厚度：,5 倒流与冷却定型过程,三、脱模过程 在模腔压力-温度曲线上，F点即为脱模点，这时保留 的模腔压力PF（剩余压力），对应的脱模温度为Ts。 理想状况：模腔压力为0的状态下脱模。,5 倒流与冷却定型过程,对模腔压力的影响： 1）注塑机方面：pi、vi、ti、Si、Ti 等参数，又与油路系统密切相关； 2）模具方面：Tm、浇道系统、模腔 形状及尺寸和材料； 3）聚合物方面：分子结构、性质、 及流变性能。,5 倒流与冷却定型过程,模腔压力与制品质量之间关系：,结论：通过模腔压力可以控制注塑制品的质量,