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1、1,6.4.注射成型过程分析,2,聚合物的注射成型主要包括三个基本过程： 塑化熔融、注射充模、冷却定型. 这些过程与制品质量、生产效率、原料、工艺性能等因素有密切关系。/,机筒中的聚合物：,机筒加热和螺杆剪切的双重作用,固态熔融状态,冷却定型,制品,充模,螺杆以高压、高速推动,3,成型前的准备、 塑化过程、 注射充模过程、 增密与保压过程、 倒流与冷却定型过程、 制件的后处理。/,注射模塑工艺过程包括：,4,6.4.1 成型前的准备,6.4.1.1 原料的预处理 6.4.1.2 料筒的清洗 6.4.1.3 嵌件的预热 6.4.1.4 脱模剂的选用 /,5,料筒的清洗原则:,当欲换塑料的成型温度
2、远比料筒内存留塑料的温度高时， 应先将料筒和喷嘴温度升高到欲换塑料的最低加工温度， 然后加入欲换料并连续进行对空注射， 直至全部存料清洗完毕时再调整温度进行正常的生产。/,6,则应将料筒和喷嘴温度升高到料筒内塑料的最好流动温度后，切断电源，用欲换料在降温下进行清洗。 如欲换料的成型温度高，熔融粘度大，而料筒内的存留料又是热敏性的， 为预防塑料分解，应选用流动性好，热稳定性高的聚苯乙烯或高压聚乙烯塑料作过渡换料。/,如欲换塑料的成型温度远比料筒内塑料的温度低，,7,6.4.2、塑化过程,6.4.2.1物料在料筒内的塑化 塑化-指聚合物在料筒内经加热由固态转化为熔融的流动状态并具有良好的可塑性的过
3、程。 对于塑化过程的要求： 物料完全熔融，温度分布均匀，达到规定的成型温度，无过热分解发生。/,8,常用聚合物在塑化过程中的加热系数E来表征熔体温度的均一性。,差值TaT0与实际上所吸收的热量成正比， 差值TwT0与理论上可能获得的最大热量成正比， 实际吸收热量与理论上可能获得的最大限度的热量之比，称为加热系数E。/,平均温度:Ta 壁温:Tw 起始温度:T0,9,增加料筒长度和传热面积， 延长聚合物在料筒内的停留时间 增大聚合物的热扩散速率,加热系数可以表征聚合物获得的热量的水平， E值越高对塑炼越有利， 当TwTa0时，E值最大。,都可以提高Ta值，从而使E值增大。/,10,加热系数还反映
4、出料筒中物料的温度分布均匀性，E值越高对物料温度分布的均匀性越有利。 熔体的实际温度总是分布在TmTw之间， 温度分布（TmTw）越窄，最低熔体温度Tm就应越接近Tw，即平均温度Ta就越高。 因此，温差Ta-T0增大，加热系数E提高； 反之，Ta随温度分布变宽而降低， 所以（Ta-T0）较小，加热系数E降低。/,11,6.4.2.2螺杆强化了料筒内物料的塑化过程,由于螺杆转动，机械功转化为物料的剪切而生成热量， 其效果可能大于料筒外部热量的传入，致使物料熔体温度Ta上升，加热系数可大于1， 在聚合物的加工温度范围内，料筒温度越低，由于熔体粘度较高，能生成并吸收的摩擦热就越多，加热系数也就越大。
5、/,12,螺杆转动对聚合物塑化的强化作用， 可以用料筒内物料沿料筒轴向升温曲线表示出来，如图814所示。,13,14,螺槽中物料熔融后，由于剪切摩擦导致聚合物熔体温度升高，其值可近似计算为： （3一18） 式中c聚合物比热容 由式可见：当浅槽螺杆、转速很高时，可使温升大大提高，强烈的剪切可使熔体温度接近甚至高于料筒壁温度。/,15,背压提高时，螺杆旋转后退所受的阻力增大， 为克服增大的阻力，势必要增大驱动螺杆转动的功率，使更多的机械功转化为热量。/,螺杆对塑化的强化作用,螺杆转速,阻止螺杆后退的背压,对剪切摩擦热的产生也有影响。,16,为提高熔体温度，增加背压比提高螺杆转速更有效， 但在高背压
6、下塑化时，由于螺杆转动时的逆流和漏流流量增大，塑化时间延长。/,17,螺杆对聚合物塑化的作用，除了能提高熔体的温度外，还可以提高熔体温度的均匀性。 在一般情况下，采用高转速、低背压下工作，且注射量接近最大注射量时，螺杆头部熔体温度的均匀性就较差， 如果塑化效率不是生产中要考虑的主要因素时，采用较低的螺杆转速和较高的背压，延长聚合物在料简内的停留时间， 从而可能建立如同在挤出机工作时那样的更均匀和连续的塑化条件，则有利于提高熔体温度的均匀性。/,18,6.4.3 注射充模过程及熔体流动分析,注射充模过程-塑化良好的聚合物熔体，在柱塞或螺杆的压力作用下，由料筒经过喷嘴和模具的浇注系统进入并充满模腔
7、这一阶段称为注射充模过程。,这是一个非连续非等温的体系，要从理论上进行定量分析更为不易，人们更多的是通过实验测定来揭示这一过程的影响因素及其内在的规律性。 根据聚合物熔体注射的流动历程，对物料在料筒、喷嘴的流动，物料充模流动作一简要的分析。/,19,塑料熔体进入模腔内的流动情况可分为充模、保压、倒流和浇口冻结后的冷却四个阶段。,.保压阶段t2t3 .倒流阶段t3t4 .冻结后的冷却阶段t4t5,.充模阶段t0t2,空载期t0t1,充模期t1t2,20,6.4.3.1 物料通过料筒的压力损失,柱塞式注射机，柱塞向前运动时，先将未熔融的粒子压缩，然后将熔融料注入喷嘴和模腔内， 前者的阻力很大，引起
8、很大的压力降，甚至可达料筒总压力降的 80，并且还影响熔体的注射速度。 压紧粒料的压力降损失值Pg可用下式作近似计算：,注射时，熔融物料通过料筒的运动特性，对往模腔内供给熔体和传递压力都有重要影响.,柱塞式,21,当柱塞将熔体向喷嘴方向推动时，熔料经过料筒的压力损失值可借用圆管中牛顿流体的体积流率公式进行估算：,式中 qv熔体通过料筒的体积流量cm3/s R料筒内壁半径cm ， 牛顿流体的粘度 L2熔体流经料筒的长度cm 上式表明，高聚物熔体在料筒中的压力损失随料筒内熔体的长度、熔体的粘度和体积流率的增大而增加，随料筒半径的增大而减小。/,将上式移项，得熔体在料筒中流动的压力损失为：,22,这
9、样，柱塞式注射装置料筒中物料总的压力损失应为前二者之和：,螺杆式注射装置 由于螺杆在塑化时的旋转，把熔料推向螺杆前方，注射时，螺杆前移，将熔料推向喷嘴。 熔料在料筒内的压力损失主要来自熔体的摩擦阻力和喷嘴的阻力，压力损失较少，主要决定于熔体的粘度与流率qv。 熔体的流动速度应基本与螺杆平移速度同步进行。/,螺杆式,23,6.4.3.2 熔体在喷嘴中的运动,首先，熔体通过喷嘴孔时的压力损失值仍可用,进行近似计算。,由于喷嘴孔直径小，其注射压力损失值应增大，当体积流率qv一定时，通过喷嘴的剪切速率将增大，熔体通过喷嘴时定会发生明显的温升。 对于聚合物熔体，大多数属于假塑性流体，在高剪切与温升作用下
10、，其表观粘度必然下降，这可以使压力损失值下降。/,可预料：,24,由图看出，主要生热效应发生在喷嘴的入口处。 当喷嘴孔直径和注射压力一定时，熔体温升随注射速率增加而增加。 为什么热稳定性差的塑料不宜采用细孔喷嘴进行高速注射充模 ？/,图: PS在直径1mm长10mm的细孔喷嘴中温度分布 压力：a-73Mpa, b-77MPa，c-100MPa，d-ll5MPa 1-离开喷嘴后，2-在喷嘴细孔中，3-在喷嘴细孔入口附近， 49-沿喷嘴长度的不同点，10-料筒头部,25,6.4.3.3 熔体在模腔中的充模流动分析,熔体主浇道分浇道浇口模腔,这一历程很短，但热熔体在其内的流速、温度与压力都产生很复杂
11、的变化。 简要说明： 熔体充模时流动的一般特性 影响充模的各种因素。/,26,a熔体在模具浇注系统内的流动,正如流过喷嘴一样，熔体流过主浇道、分浇道和浇口时也有温度变化和压力损失，,浇注系统的加热状态、 熔体的流变性能、 浇注系统形状和尺寸.,影响,27,熔体流过冷浇道时，浇道温度远低于熔体温度，紧贴壁的熔体被迅速冷凝而形成不动壳层。 因而使熔体能通过的截面积减小，流动阻力增大，使熔体的压力损失增加，降低了充模的模腔压力。/,熔体流过热浇道时，温度保持在熔点以上，其温度变化和压力损失的影响因素与经过喷嘴的情况相似。,28,影响冷凝壳层厚度的因素： 熔体的冷凝速度、 聚合物的热物理性能、 熔体温
12、度、 熔体流动速度、 模具温度等。,易结晶的聚合物当温度低于熔点时会很快凝固，如尼龙6，降低熔体温度和模具温度都会使壳层加厚。/,29,浇口大小,压力损失、剪切速率,过大的剪切速率会使熔体出现不稳定流动现象,浇口越小压力损失增大剪切速率提高熔体温度迅速上升焦烧和降解现象， 当浇口尺寸已定时，提高熔体温度是防止不稳定流动的有效措施， 在熔体温度不允许有变化时，可适当降低注射压力以降低注射速度，从而避免不稳定流动发生。/,30,对大多数塑料熔体来说，增大浇口截面积提高熔体充模时的体积流率有一极限值，,当浇口截面积超过此值之后，反而会使体积流率下降。 在大多数情况下，截面积小的浇口更有利于熔体的快速
13、充模。/,31,大多数情况下，减小浇口的截面积，剪切速率因流速的提高而增大，同时高剪切速率下产生的摩擦热会使熔体温度提高， 这二者都使通过浇口的熔体粘度下降，而粘度下降又将会导致熔体的体积流率增大。/,塑料熔体大多具有假塑性流体的流变特性，其表观粘度与剪切速率之间存在a=Kn-1 (n1)的关系。,解释,32,b.熔体在模腔内的流动,熔体的充模过程-是从聚合物进入模腔开始到模腔被充满时为止。 熔体充模的流动应为层流流动，,图：充模时熔体前缘变化的各阶段， l-开始阶段 2-过渡阶段 3-主阶段,起始阶段，熔体流前缘呈圆弧形； 过渡阶段，前缘从圆弧形逐渐过渡到直线形； 主阶段，熔体主流，前缘呈直
14、线移动，直至充满模腔。/,33,熔体在典型模腔内的流动方式,34,图3-30 沿圆周方向的充模流动,如果对于浇口位于制品中心且轴线垂直于圆片制品的模腔进行充模时，熔体料流则以浇口为中心，用差不多相同的速度向周围方向铺展流动充模。/,图3-29 充填圆片状模腔时熔体前缘前后相继出现的位置,35,熔体遇到障碍物时的充模流动：,流动方向一般分为两股，绕过障碍物再汇合在一起，在汇合处常有熔接缝形成，有的形成一个无熔体存在的封闭三角区。 熔体流过不同断面形状障碍物时，速度变化与流动情况不同。 较好断面形状是圆柱形，绕过圆柱形障碍的熔体质点其运动速度是逐渐升高和下降的，而且升降幅度最小。无封闭三角区.,。
15、,图3-31 塑料熔体围绕不同形状的障碍物流动时速度V的变化 a）矩形 b）圆柱形 c）菱形,36,熔体在模腔内的流动类型,37,流速过小： 延长充模时间， 降温引起熔体粘度提高，流动性下降充模不全， 出现分层和结合不好的熔接痕。/,快速充模：湍流流动 易将空气带入成型物内 模内空气难于排出 制品存在较大的内应力。 慢速充模：层流流动 可避免以上的缺陷,38,C、熔体流动的运动机理,熔体在模腔内的运动，主要是料流中心高速运动的熔体不断追上并突破前缘膜，进而转向模壁，被迅速冷却。 这种进程交替进行着， 充模时的这种流动方式容易使制品表面出现波纹。/,39,注射制品表面有时出现小波纹的原因： 根据
16、熔体流动的运动机理，只有当熔体的冷却速率很高，而注射压力、注射速度和模具温度偏低时，才容易在制品表面上留下这种波纹。,只要适当调节注射成型工艺，使这种波纹在冷却定型之前被随后到来的熔体所传递的压力“熨平”，就不会在制品表面出现了。 较高的注射压力、注射速度、模具温度，有利于获得光洁平整表面的制品。/,40,6.4.4、保压过程及分析,熔体充满模腔时，模内压力还较低，图中t点的压力值， 为达到制品质量要求，柱塞或螺杆将继续前进，再注入一些熔体。使已充满的模腔压力迅速上升，达到了最大值， 图中的t2t3。在这期间柱塞或螺杆将慢慢地对模腔内进行补料，使由于体积收缩而出现的空间能得以继续充满， 熔体的这种流动称保压流动。这一过程就是保压过程。它持续到浇口凝封为止。/,41,当注射成型薄壁或浇口很小的制品时，由于浇口或模腔浇道很快凝封则保压过程不很明显。 对于成型厚壁且浇口较大制品时，必须有保压过程进行补料，才能获得形状完整而密实的制品。 保压的作用： 熔体紧密贴合模腔壁，精确取得模腔型样， 完成不同时间、不同流向熔体的相互融合， 使成型物增密， 补充因冷却而引起的体积收缩。/,
