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1、第一章绪论1 1 共注射成型、气体辅助注射成型1 1 1 共注射成型共注射成型( C o I n j e c t i o nM o l d i n g ) 是同时或顺序将不同的聚合物熔体注入模腔，并以多相分层流动充模成型，最终熔体固化成多层复合注射成型件。该工艺首先由I C I 公司的O x l e y 和G a r n e r 在2 0 世纪7 0 年代初发明并获得专利【l ，。在1 9 7 1 年G a r n e r 获得第一个美国专利【jJ 。该工艺被称为I C I 工艺，属单流道共注射成型技术。该技术采用一种特种控制阀，可实现不同聚合物熔体的顺序注射，但在注射机切换的过程中有一显著的
2、压力降低和流动停滞，导致表面出现“切换痕”。H a n n i n g 在1 9 7 3 年提出了同时共注射成型f 4 】，该工艺中壳层和芯层熔体可由二台注射成型机同时注射成型，两种熔体通过特制的环形分流系统，实现不同聚合物熔体的同时共注。该工艺消除了“切换痕”现象。1 9 7 7 年，B a t t e n f e l d 公司采用双流道和三流道技术H 1 发明了相应的共注射成型机。共注射成型技术直到问世1 5 年以后，才逐渐被人们所认识。这并不是由于其本身的适应性差造成的，相反，共注射成型的适应性很好，并有诸多优点。未能尽快广泛应用是由于其塑化和喷嘴系统结构都比较复杂，设备及模具费用也比较
3、昂贵，设备投资大【6 】。现在，随着人们环保意识的增强、对注射成型制品性能要求的提高、注射成型机械工业和自动控制技术水平的发展，以及共注射成型工艺所特有的优点，共注射工艺日益受到人们的重视，应用也越来越广泛。共注射成型根据其工艺可以分为顺序注射成型和同时注射成型【”。在顺序注射成型中，将第一种塑料注射入模具型腔，当这些塑料与模具成型表面接触的部分开始固化，而内部仍处于熔融状态时，再将第二种塑料注射入型腔，后注入的塑料不断地把前一种塑料朝着模具成型表面推压，而自己占据型腔的中间部分，冷却定型后，就可以得到先注入的塑料为皮层、后注入的塑料为芯层的包覆塑料制件1 7 ，。同时注射成型中，两种不同粘度
4、的聚台物熔体分层同时通过浇口、流道注入到模腔中，由于粘度的不同，低粘度熔体逐渐包围高粘度熔体，最终得到皮芯层结构的复合制件F ，9 1 总的说来，共注射成型具有以下其它塑料成型技术所不具有的特殊功能和优点：1 ) 可部分解决废旧塑料回收利用问题，实现可持续发展1 1 0 - 1 2 ；2 ) 可生产高表面性能的低成本塑料制品【1 0 川：3 ) 可满足对塑料制品功能多样化的要求 1 0 - 1 8 1 ；4 ) 可以减少制件重量、注射压力、残余应力、翘曲等I 】2 0 o 共注射成型主要是为了生产一些有特殊性能要求( 如耐候性、化学稳定性、气体阻隔性、导电性、屏蔽电磁波性等) 的塑料制品而开发
5、的。产品覆盖汽车、电子、包装、机械、建材、轻工、家具、化工和医疗器械等行业。随着该项技术的日益推广，还会出现更多的应用领域1 1 。，1 3 , “J 。气体辅助共注射成型充填粘弹模拟与实验研究1 I 2 气体辅助注射成型气体辅助注射成型( 以下简称气辅注射成型) 技术，是基于传统注射成型技术和结构发泡成型技术发展起来的一种新型注射成型工艺。它被认为是从往复式螺杆注射成型机问世以来注射成型技术最重要的发展之一。该工艺1 9 7 1 年起源于美国，1 9 8 3 年成熟于英国，2 0世纪9 0 年代作为一项成功技术开始进入实用阶段。迄今为止，美、英、德、荷、意等发达国家的十余家公司拥有气辅设备和
6、工艺的多项专利。气辅注射成型技术的产生和发展，使传统的注射成型工艺发生了根本的变革”“。气辅注射成型的核心思想就是引入高压气体，驱动熔体充填，并充当保压压力。由于气体的引入，使得气辅注射成型技术同传统注射成型技术相比具有一系列明显的优势，具体如下“：1 ) 所需注射压力小，降低锁模力，从而降低设备费用；2 ) 降低制品内应力，从而减少翘曲、变形；3 ) 提高表面质量，避免或减少凹坑、表面缩痕；4 ) 可以用于成型壁厚差异较大的制品，制品设计自由度较大；5 ) 节省用料量，降低制件重量，提高强度重量比；6 ) 增强结构性能，实现制件的轻型化；7 ) 缩短成型周期，提高生产效率。气辅注射成型技术可
7、应用于各种塑料产品上，如电视机或音箱外壳、汽车塑料产品、家具、浴室、厨具、家庭电器和日常用品、各类型塑胶盒和玩具等等，应用范围涵盖了原传统注射成型7 0 领域。主要体现为以下几大类阻“2 7 , 2 9 】：管状和棒状零件，大型平板类零件，形状复杂、薄厚不均、采用传统注射技术会产生缩痕和污点等缺陷的复杂零件等。1 2 气体辅助共注射成型工艺1 2 1 工艺的提出气体辅助共注射成型( 以下简称气辅共注射成型) 工艺是在共注射成型工艺和气辅注射成型工艺的基础上发展起来的一种新型注射成型工艺。该工艺是南昌大学周国发教授和柳和生教授在对气体辅助成型和共注射成型研究的基础上于2 0 0 1 年提出来的”
8、，同期台湾富强鑫公司也提出了该工艺C G a s A s s is t e dS a n d w i c hC o i n j e c t i o nI n t e g r a lM o l d i n g ) ”。相对共注射成型工艺而言，气辅共注射成型工艺多了一个注气过程，即利用高压气体在共注射成型的芯层熔体内部产生中空截面，并致完全充填的过程；相对气辅注射成型工艺而言，气辅共注射成型工艺的注射成型阶段是多种材料顺次或同时注入模腔形成多层结构的过程。因此，气辅共注射成型工艺实际上是共注射成型工艺和气辅注射成型工艺的相结合的产物。图卜1 为气辅共注射成型充模流动示意图。该工艺将气辅技术应用于甚
9、注射成型，因而既保留了共注射成型工艺的优点，叉因气辅技术的应用带来了一系列的优点。因此，气辅共注射成型工艺必将在塑料加工行业得到广泛地使用。21 2 2 工艺过程气辅共注射成型的工艺过程可以分为三个阶段：第一阶段为共注射阶段，这一阶段和常规共注射成型基本相同，不同的是熔体不充满型腔，即“欠料注射”i 第二阶段为气辅注射阶段，这一阶段和常规气辅注射成型基本相同，不同的是气体推动芯层熔体，芯层熔体又推动壳层熔体，直至充满型腔；第三阶段为保压冷却、再卸压脱模，在冷却过程中，制件内层在内部气压的作用下 将表层往外压，使表层紧贴模壁，并釜过高图1 1 气辅共注成型流动示意图压气体的二次穿透从内部补充因表
10、内层熔体冷却带来的体积收缩。1 2 3 工艺的优点气辅共注射成型兼有具有共注射成型和气辅注射成型工艺的优点，具体如下：1 ) 可部分解决废旧塑料回收利用问题，实现可持续发展：该技术可将废旧塑料作为内层材料，将原生塑料作为表层材料。这样在满足性能要求的前提下，既降低了产品成本，又解决了环境污染问题；2 ) 可生产性能价格比较高的塑料制品：工程上往往需要塑料制品具有高强度、耐热、耐腐和耐磨等优良的物理化学性能，或表面装饰美观和软接触的感观性能。而满足这些性能的工程树脂其材料价格高。若用传统的单相注射成型技术，其产品价格昂贵，使其应用受到限制。而该技术可将具有高表面性能的工程树脂作表层材料，用普通聚
11、合物作内层材料这样就可生产高表面性能的低成本注射成型件，从而拓宽普通塑料的应用范围；3 ) 可满足对塑料制品功能多样化的要求：该技术综合各层材料的独特性能，生产具有多种功能的复合注射成型件，而这是单相注射成型技术和气辅注射成型技术所不能实现的；4 ) 可快速生产轻质高强的塑料制件：由于制件中空，不仅缩短了冷却时间从而缩短了整个生产周期，还减轻了制件质量、节省了原材料。此外，还因改变了制件截面的材料分布从而提高了制件的刚度和强度；5 ) 可生产高表面质量的壁厚尺寸差异较大的大而复杂的制件：由于采用高压气体完全充填过程并保压，不仅有效消除了制件表面缩痕、减小了制件的内应力和翘曲变形、使制件尺寸稳定
12、，还能成型壁厚尺寸差异较大的大而复杂的制件，同时也提高了制件设计的自由度；6 ) 可降低设备投资与维护成本：制件设计简化了，相应的模具的设计也得以简化，从而降低了模具开发成本；由于采用高压气体保压，降低模具损耗、提高模具寿命；也降低了锁模力，从而降低了注射成型机的投资成本。气体辅助共注射成型充填粘弹模拟与实验研究1 2 4 应用范围与现状气辅共注射成型的应用一方面得益于该技术能够生产具有某些复合使用性能、井具有较高尺寸精度和质量要求的制件，而由传统注射成型和气辅注射成型则无法生产这种具有复合功能的制件，由共注射成型技术则不能保证尺寸精度和高的表面质量要求或难以成型；另一方面得益于该工艺能将空心
13、结构、低成本的内层材料与较昂贵的表层材料有机地结台到一个制件上来，降低了产品的生产成本。从塑料产品发展的趋势来看，家电、汽车、化工，仪器仪表、医疗器械等行业将广泛应用气辅共注射技术，以从质量和价格两方面来提高其产品在市场中的竞争力。气辅共注射成型技术主要用来生产一些有多种性能要求( 如耐候性、化学稳定性、气体阻隔性、导电性、屏蔽电磁波性等) 的多功能中空塑件和以高性能( 耐腐、耐热、耐磨、装饰美观和软接触等) 材料为表层、普通材料为内层或原生材料为表层、废旧材料为内层的满足使用要求的低成本中空塑件。由此可见气辅共注射成型为塑料加工成型开辟了一个崭新的应用领域。台湾富强鑫股份有限公司将气辅共注射
14、成型工艺的应用范围列如表I I ”：表I - 1气辅共注射工艺的应用范围编号功能目的产品应用发展1降低成本回收科再利用容器柄、扶手等具潜力，环保具有高级或柔软表汽车内饰件、家2质感与强度具、工具、小用具、产品设计、材料界面研究面，而内部很硬 手提电脑电子产品、通信产3E M I 、E S D电磁屏蔽、静电耗散品、信息产品、半撮具市场潜力，能降低材导体、家电料成本4液体，气体防护防氧化和防潮药品、食物包装具市场潜力舍纤维芯层和纯塑电子、信息、家居解决产品浮织问题，提升 5外观 料皮层与家电质量信息、家电、机械、具市场潜力，可解决技术 6减震和消音减震、隔音音响和运动器材瓶颈卫生、家具、医疗、极具
15、市场潜力，可提高生 7抗菌、舫霉健康、生活通信、家具、家居活质量1 3 相关研究概况根据文献查阅情况看，除本课题组发表的一些论文外f ”3 2 - 3 7 ，尚未见有关气辅共注射成型的理论和实验研究报道。在此只对气辅注射成型和麸注射成型的相关研究概况进行综述，这些相关研究成果为本研究奠定了基础。41 3 1 充填模拟研究概况注射成型充填流动数值模拟研究经历了从一维到二维，最后到三维这样一个发展过程。一、一维流动分析传统注射成型的维充模模拟始于2 0 世纪6 0 年代。K a r n a l 和K e m n g 等人1 3 8 】研究了中心浇I S l 的圆盘一维发散充模流动。L o r d
16、和W i l l i a m 3 9 1 等人用一维模型分析了矩形模腔内的充模流动。N u n m 和F e n n e r l 4 。1 考虑了圆管内的一维流动。H i e b e r 等人4 1 1 给出了等温条件下，非圆形管内流动的简单近似。共注射成型充模流动数值模拟始于1 9 7 5 年。D o n o v a n 等人1 首先进行了共注射成型充模流动的维数值模拟。S c N a n e r 和V i n c e n t 等人【4 2 1 对在圆管内幂律流体的顺序共注射成型流动进行了一维模拟，结果表明：界面位置主要取决于两种聚合物的流变参数，通过与没进行运动学假设的二维模型比较，发现采用润滑近似的一维模型在一定的粘度比范围内能够较精确地预测熔体界面、压力场和温度场。L e e 等人”采用有限差分法，基于幂律模型对非等温条件下的一维同时共注射进行了模拟和实验研究。一维流动分析可以采用有限差分法求解，从而可得到熔体的压力、温度分布以及所需要的注射压力。一维流动分析计算速度快、
