（材料加工工程专业论文）透明注塑件残余应力与光学性能的研究.pdf

摘要 摘要 透明注塑件因其优异的性价比得到越来越广泛的应用，但是残余应力的存在 严重的影响了它的使用性能，特别是机械性能和光学性能。本文重点研究了透明 注塑制品的残余应力和光学性能。 在注塑过程中，复杂的热力过程形成了残余应力，通常认为残余应力包括热 应力与流动应力两部分。但目前对残余应力的产生、发展及相互作用仍未完全明 晰，通常是将残余流动应力与残余热应力分开处理，然后简单进行线性叠加。本 文尝试用实验方法并结合数值模拟技术研究残余应力的分布和量化方法，以期对 工程实践和理论研究有所贡献。 光弹实验法是无损伤测量无定型材料残余应力的有效方法。本文用光弹法测 量了一系列从薄到厚的聚碳酸酯p c 平板注塑件，发现随着产品厚度的增加，残余 应力的分布形态呈现出规律性的变化： 1 当平板厚度小于某一数值时，残余应力沿熔体充填方向排布发展： 2 当厚度大于某一数值时，残余应力环绕产品形状排布发展： 3 当厚度介于两个临界值之间时，残余应力的分布同时存在上述两种趋势； 4 残余应力分布形态发生变化时的厚度临界值与注塑材料有关，即残余应力 的分布形态和构成是由产品的材料和厚度决定的。 采用数值模拟方法探讨了产生此实验现象的原因，并提出如下假定：对于薄 壁制品，主要为流动残余应力；对于厚壁制品，主要为热残余应力。 另外，论文还考察了两种模拟软件与实验结果的吻合程度以及成型条件对不 同材料的制品残余应力大小的影响。 透光率和雾度是表征透明产品光学性能的常用指标。本文研究了成型条件对 光学性能的影响，发现了光学性能和残余应力的关系。 通过测量聚碳酸酯p c 和聚苯乙烯p s 平板不同成型条件下，制品上靠近浇口、 产品中部和充填末端三个典型位置的透光率和雾度，发现： 1 透光率基本上是材料固有的性能，与成型条件和产品上的位置关系不大。 三种常用透明塑料透光率的大小顺序：p 咖a p s p c 2 雾度受到成型条件和位置的显著影响，但透明注塑件光学性能的大小随成 型条件的变化对于产品是整体的，各位置一致。 摘要 3 研究表明：同一制品残余应力的分布与光学性能的关系密切，光学性能受 到残余应力很大的影响。残余应力大的位置则光学性能差，反之亦然。 4 归纳出成型条件对不同材料注塑件光学性能的影响。对于p c 平板，光学 性能敏感的工艺参数依次为模具温度、注射压力、冷却时问、熔体温度、 保压压力、注射时间、保压时间。对于p s 平板，实验考虑的三个因素熔 体温度、保压压力和注射速率都对光学性能有较大的影响。 5 基于实验结果，提出光学制品注塑工艺的设置要点。对于p c 平板，在保 证熔体充填顺利的前提下，尽可能降低模具温度和熔体温度，降低注射压 力，缩短注射时问，都是改善产品光学性能的有效途径。而保压时间、保 压压力和冷却时间对光学性能的影响趋势都不是单调的，所以需要根据实 际选择合适的值。 关键词：注塑件；光弹实验；残余应力：透光率；雾度 i i 英文摘要 a b s t r a c t t r a n s p a r e n ti n j e c t i o nm o l d e dp a r t sh a v eb e e nu s e d 浦d e l ym o r ea 1 1 dm o r ef o ri t s o u t s t a n 曲1 9c o s tp e r f o 珊a n c e h o w e v e r ，r e s i d u a lg t r e s s e sd i 】血n i s hi t sm i l i t y _ p m p e r t i e s b a d l y ，e s p e c i a l l yi nm em e c h a n i c a la 1 1 do 面c a ip e r f o 姗a 1 1 c e t h ep r e s e ms t u d yp a y s c l o s ea t t e i m o nt o 血er e s i d l l a ls 订e s s e sa n do p t i c a lp e r f o r 玎1 a 1 1 c eo ft h et r a n s p a r e m i n j e c t i o nm o i d e dp a r t s i nt h ei 坷e c t i o np r o c e s s ，r e s i d u a ls 廿e s s e sa r ec a u s e db yc o m p i e xt 1 1 e m a la i l d m e c h a l l i c a lh i s t o r y i ti su s u a l l yr e g a r d e dt h a tr e s i d u a ls t r e s s e si n c l u d et 1 1 e m a l 一i n d u c e d s 仃e s sa n dn o w 一抽d u c e ds t r e s s ，b u ta tp r e s e n tt 王l eg e n e r a t i o nc a u s e ，d e v e l o p m e n ta n d i n t e r a c t i v i t ya r en o tc o 巾1 e t e l y c l e a ry e t s o 也e 订n a l i n d u c e dr e s i d u a ls t r e s sa n d n o w - i n d u c e dr e s i d u a ls t r e s sa r es t i l lc a l c u l a t e ds 印a r a t e l ya 1 1 dt 1 1 e nm a d eas i m p l e1 i n e a r s u p e r p o s m o nt oo b t a i nt o t a lr e s i d u a ls 扛e s s e s t h es t u d ya t t e 瑚【p t st or e s e a r c ht h e r c s i d u a ls 订e s sd i s t r i b m i o na n dq u a i l d 丘c a t i o nm e t l l o dc o m b i n e de x p e r i m e n t s 趾d n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，i nm eh o p eo fm 出n gs o m ec o n t r i b u t i o nt ot h ee n g i n e e r i n g p m c t i c ea 1 1 dt l e o r e t i c a ls t u d y p h o t 0 一e l a s t i ce x p 谢m e mi sak i n do fe f 诧c t i v em e t l l o dw i t l l o u td a m a g ef o r 也e r e s i d u a ls t r e s sm e a s u r e m e n to f 锄o r p h o u sm a t e r i a i s t h er e s i 山l a ls t r e s sd i s t r i b u t i o n so f as e r i e so fp 0 1 y c a r b o n a t e e c 廿o nm o l d e dp l a t e s ，丘o mt l l i nt o 幽i c k ，a r eg a i n e db y p h o t 0 一e l a s t i ce x p e r i m e n t n sd i s c a v e r e d 也砒w h e nm ep a r t st h i c k n e s si n c r e a s e s ，t h e r e s i d u a ls t r e s sd i s t r i b u t i o ns h o w sr e g u l a rc l l a n g e s ： 1 w h e nm et l l i c k n e s si sl e s st l l a nac e r t a i nv a l u c m er e s i d u a is t r e s s e sd i s t r i b u t e a n dd e v e l o pa l o n gm en o w d i r e c t i o n ； 2 w h e nt h et h i c l 【i l c s s i si n o r e 廿1 a 1 1 趾0 t 1 1 e rc e r t a i nv a l u e t h er e s i d u a ls t r e s s e s d i s t r i b u t ea 1 1 dd e v e l o ps u n 伽n d i n gi i l s i d et h ep a r ts h a p e ； 3 w h e nm et h i c k n e s si sb e t w e e nm ea b o v e 伯，ot h 陀s h o l dl i m i tv a l u e s t h e f o r e g o i n gt w ot r e n d se x i s tt o g e t h e r ； 4 t h et h i c k n e s st h r e s h o l dl i m “v a l u e sa r er e l a t e dt om ei n j e c t i o np o l y m e r m a t e r i a l s ，a 1 1 dt l l e n 也er e s i d u a lg t r e s sd i s 仕i b u t i o ns h 印ei sd e t e n 】1 i n e db yt 1 1 e p o l y m e ra n dt h i c k n e s so f _ 【l l ep a r t s i i i 英文摘要 n 哪商c a ls i m m 撕o n 啪m o di s a d o p t e df o rv 硝f i c a t i o na n de x p l 8 1 1 甜i o no f e x p e 瘫n e n tp h e n o m e n a b a s e do n 如er e s e a r c hr e s l l i t s ，a i la 8 s l l m p 6 0 ni 8s u p p o s e d ：a sf 甜 t h et h l mi 内e c n o nm o l d e dp a n s ，壬l o w 一讯d u c e dr e s i d 嘲s 缸e s s e sp l a yap r e d o m i n a i i tr 0 1 e ， a n df 研n l cm i c kp r o d u c t s ，m e r m a l i n d u c e dr e s i d u a ls t r e s s e sm a k eu pal e a d i n gr 0 1 e 工na d d i n o n ，t h er e s u l 乜a ；嗽m e n td e g r e e so f “v on u m e r i c a ls o f h a r ew i t l lm e e ) 币e r i m e n t sa r ei n v e s t i g a t e d ，l ep r o c e s s i n gc o n d i t i o n se 任和t so n 也er e s i d l l a ls n s s e s o fd i 珏b r e n tm a t e f i a l sp a r t sa r ee x p l o r e d l u m 曲o l l s 扫a n s m i t t a n c ea n dh a z ea r eo 矗b nu s e dt or e p r e s e n tt h ep a r t so p t i c a l p e r f o r m a i i c e p r o c e s s i n gc o n d i n o n se 毛c t so no p 6 c a lp m p e m e sa r ep r o b e di n t o ，m e r e l a t i o n s h j po f o p t i c a lp e 商n a l l c ea 1 1 dr e s i d u a ls 订e s s e si sd i s c u s s e d l u m i n o u s 台锄s m i 仕a n c ea n dh a z ei nm r e et y p i c a l1 0 c 8 t i o n s ( c 王o s et og a t e ，m i d d l e o f p m ，f i n i n ge n d ) a r em e a s u r e di nv a r o u sp r o c e s s i n gc o n d i t i o n so f p o i y c a r b o n 丑土ea n d p o l y s t f e n ep l a t e s t b ef o l l o w i n g s 甜et h ec o n c i u s i o n so f o 面c a lf e a t u r e s ： 1 l 啪m u st r a n s m i _ 亡七a i l c ei sn l em 砒e r l a li n m n s i cp r o p e r t yb a s i c 柏1 y ，、椭m1 l m e r e l a t i o nt ot l l ep r o c e s s i n gc o n d m o n sa n dl o c a t i o n si nm ep a r t t h el 1 肛n i t l o u s 佻m i t t 蜘c ev a l u e so ft 1 1 l _ e ec o m m o nt r a n s p a r e n tp l a g t i c sa r es o n e da s ： p m m a p s p c 2 h a z ei si n n u e n c e do b v i o u s l yb yp r o c e s s i n gc o n d 俯o n sa n dl o c 撕衄si nt h e p a r t t h eo p 廿c a lp e b r m 明c eo fm et r a l l s p a r e n tp l a s t i c sc h a i l g e sw i mt h e p r o c e s s i n g c o n d i t i o n sa saw b o l e ，w b e r ee a c hs e l e c t e d i o c a t i o nk e e p s u n a n i i i l o u s 3 t h es t l 】d yi n d i c a t e st h a to p 廿c a lp e f f o r m a n c eh a sac l o s e 聪l a t i o nt om er e s i d u a l s 仃e s s e sd i g 晡b u t i o na 1 ) di sa f f e c t e dg f e a t l yb yi t t h el o c a d o n 谢t 1 1al a r g e r e s i d u a ls e s sh a sab a do p t i c a lp r o p e r t y ，m eo p p o s i t ei sa l s ot n l e 4 p r o c e s s h l ge f f e c t s0 no p t i c a lp e r f o r r n a n c eo fd i 符跏n t 埘e c t i o op 0 1 y r n e r sa r e s u m m a r i z e d a sf b rp o l y c a r b o 玎a t ep l a t e s ，p m c e s s i n gp a r 眦e t e r sa r ep u ti n o r d e ra c c o r d i n gt 0 p r i o r i t yo fo p t i c a lp e d b n n a n c es e n s i t i v i t y ，w h i c h a r e r a n k e da sm o l d 位m p e r a t u r e ，i n j e c t i o np r e s s l l r e ，c o o i i n gt i m e ，m e l tt e m p e r a “鹏， p a c k i n gp r e s s l i r e ，i n j e c n o n 廿m e ，a l l dp a c k i n gt i l n e a sf o r t h ep o l y s 母t e n e p l a t c s ，t h r e ef a c t o r st & k e ni n t oa c c o u n ti ne x p 谢m e n t si n c l u d i n gm e l t t v 英文摘要 t e i n p e r a t u r e ，p a c 虹n gp r e s s u r e 锄d 删e c t i o nv e i o c i t y “1h a v ec o n s i d e r a b i e e f f c c t so no p t i c a lp c r f 0 姗a n c e 5 0 n 吐l eb a s i so ft h ee x p e r i m e n tr e s u i t s ，p r o c e s s i n gc o n d 越o n ss e m n ge s s e n t i a l s a r eg i v e n a sl o n ga s 也ei r l e l tf i l l ss m o o m l y ，r e d u c i n gm o l dt e m p e r a t u r ea n d m e ht e m p e m t i l r e 船l o wa sp o s s i b l e ，d i m i n i s h j n gi n j e c t i o np r e s s u r e ，s h o r t e i l i n g i n j e c t i o nt i m ea r ea 1 1e 矗醣t i v ew 岱t 0o p 亡i i i l i z eo p t i c a ip e r f 0 姗a 1 1 c ea 1 1 dt o i n c r e a s ep m d u c t i v i t y s i n c em ee f f e c t 廿e r l d so fp a c k i n gp r e s s u f e ，p a c k i l l gt i m e a n dc o o l i n gt i m ea r en o tm o n o t o n o u s ，t oc h o o s e印p r o p r i a t ev a l u e si s n e c e s s a r y k e yw o r d s ：i n j e c t i o nm o l d e dp a n s ，p h o t o e l 捌ce x p c r i m e n t ，r e s i d u a ls 骶s s ， 1 啪i n o u st r a n s m i t t a n c e h a z e v 郑重声明 本人的学位论文是在导师的指导下独立撰写并完成的，学位论文没有剽窃、 抄袭等违反学术道德、学术规范的侵权行为，否则，本人愿意承担由此产生的一 切法律责任和法律后果，特此郑重声明。 学位论文作者( 签名) ：碟文莉 2 0 0 6 年t 月矿日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 注塑成型是高分子材料加工的最主要方式之一，几乎所有的热塑性塑料及多 种热固性塑料都可以注塑成型。由于其可成型各种形状、尺寸、精度的塑料制品， 并且易于实现自动化，产品已经广泛用于各行各业，注塑产品的质量已经成为一 个国家制造业水平高低的标志“3 。尽管如此，由于不合适的产品或模具设计和不恰 当的成型参数控制等各种原因，注塑件中或多或少的存在着残余应力，致使其经 常在使用过程中产生收缩、变形、翘曲或裂纹，不仅影响制品的表面形状、力学、 光学性能、物理性能，而且在很大程度上决定着制品的尺寸稳定性”3 。因此，残余 应力产生的机理、分布以及大小一直是学者和业界关注的重点。 随着科学技术的发展，透明材料的使用范围越来越广，人们对其性能的要求 也越来越高。轻质、高强、高韧性，易加工已经成为材料发展的新趋势，高分子 透明材料刚好能满足这些要求，但是它们也存在表面硬度低、吸水率大，耐热性 差等缺点。2 0 0 2 年的资料显示全世界对透明塑料的消费量已超过7 万吨。但据 2 0 0 3 年5 月份的调查，国际市场对透明塑料的平均需求量将增加5 6 以上，其中玩 具制作消费的透明塑料将占总量的6 0 ，电子、光学、电器、i t 产业今后将会逐 渐扩大透明塑料产品的需求量。目前全球透明塑料的产能分布是：日本生产能力 为8 万吨，韩国2 万吨，德国和中国台湾地区各不足l 万吨。3 。经过半个世纪的迅速 发展，透明高分孑材料的种类已有数百种。其中以聚碳酸酯( p c ) 、聚苯乙烯( p s ) 以及聚甲基丙烯酸甲酯( p m m a ) 为最通用的高分子透明材料“1 。 透明注塑件由于其特殊的用途，首先需要考虑其透光率、雾度等光学性能， 其次要有一定的强度和耐磨性，能抗冲击。而残余应力对于制品的强度和光学性 能都有显著的影响，因此，透明注塑件的残余应力、光学性能以及它们之间的关 系成为本文关注的重点。平面光弹实验方便快捷，不破坏试样，是测量无定型材 料残余应力的有效方法。透光率和雾度是常用的表征光学性能的指标。 1 2 注塑件残余应力的研究现状 1 ，2 1 残余应力的产生和影响因素 郑州大学硕士学位论文 残余应力是材料及其制品内部存在的一种内应力，它是指产生应力的各种因素 不存在时，由于不均匀的塑性变形、不均匀的体积变化和不均匀的相变的影响， 在物体内部依然存在并自身保持平衡的应力”1 。对注塑制品，残余应力具体是指出 模后未松弛而残余在制品中的各种应力之和，一般根据残余应力的来源，将注塑 制品残余应力分为流动残余应力和热残余应力。 流动残余应力 在注塑成型的充填、保压过程中，塑料熔体在模腔中做非等温流动形成的剪 切应力和法向应力，由于冷却过程中温度的迅速下降而不能完全松弛，当温度降 到玻璃化温度以下时，来不及松弛的应力被“冻结”在固体中，这部分应力称为 流动残余应力。一般认为，冻结的分子取向是流动残余应力产生的主要原因。聚 合物熔融状态下，在没有外力作用时，内部达到平衡状态，即分子链、链段呈自 由的蜷曲或伸展状态。在注塑过程中，熔体以很高的速率和压力充满模腔，因此 必然引起分子链、链段在流动方向上的重新取向，由于快速的冷却过程，熔体在 模腔壁附近的分子取向来不及重新达到平衡状态而被“冻结”，模腔内部由于冷 却较慢，流动方向的分子取向可以部分的达到平衡，因此产生了剪切应力，导致 制品脱模后残余应力的存在。图1 1 所示为熔体充填和保压阶段由于冻结的分子取 向引起的流动残余应力的发展过程”3 。 图1 1 分子取向引起流动残余应力示意图 ( 1 ) 为高冷却、高剪切速率下的分子取向区 ( 2 ) 为低冷却、低剪切速率下的分子取向区 f 培1 1s c h e m a 矗cd j a 舯mo f f l o w i n d u c e dr e s l d u a lm e s sc a u s e db ym o l e c u l a ro r i e m a t i o n ( 1 ) m o l e c u l a ro r i e n 诅t i o nd i 蚋c to f h i g hc o o l i n h i 出s h e a r 胁 ( 2 ) m o l e c u l a ro r i e n t a t i o nd i s 仃i c to f i o wc o o l i n g ，l o ws h e a rr a t e 第一章绪论 & 热残余应力 制品在快速冷却过程中内部温度分布不均匀，冷却层由模腔表面向内部逐渐推 进，制品中各点在不同时间从较高温度降到玻璃化转变温度以下，所经历的收缩 变形不一样，从而产生应力，这部分应力称为热应力。由于聚合物材料的热粘弹 性，制品在模腔内以及脱模之后热应力发生部分松弛，未松弛的热应力称为热残 余应力。在开始冷却阶段，由于模壁温度比熔体温度低的多，靠近模壁的熔体最 先冷却并固化收缩，在固化层内部产生压应力，而远离模壁的熔体仍处于熔融态。 随着冷却层由外向内逐渐推进，内部熔体的冷却收缩逐渐受到外面固化层的限制 而产生拉应力。因此，冷却过程的最终结果导致制品外层受压而内层受拉的应力 状态。这种应力状态固化在制品中影响了制品的使用性能。图1 2 所示为自由退火 试样内部热应力的产生过程”3 。 图1 2 自由退火引起热残余应力示意图 f 睡1 2s c h e m a t i cd i a 舯mo f t l i e 衄a i i n d u c e dr e s i d u a ls 仃e s sp m d u c e di n 舵ea n n e a i i n g 在模腔内熔体的冷却过程中，熔体各部分不同的冷却速率也会引起试样内部 的热应力，在脱模后这种残余的热应力容易引起制品的翘曲变形。图1 3 所示为 模腔中一边有冷却管道，边为自然冷却的非平衡冷却过程，由此产生的非平衡 分布的热应力在脱模后导致制件的变形。同样的道理，如果制件的形状比较复杂， 模腔各部分的厚度变化比较大，非平衡的冷却过程容易引起制件内的热残余应力， 导致制件在脱模后的变形或破裂。1 。 郑州大学硕士学位论文 图1 3 非平衡冷却引起的热残余应力导致试件弯曲变形 f 迫1 - 3w a r p a g e r e s u l ti nm e h n a l m d u c e dr e s i d u a ls t r e s sc a u s e db yu n b a l 龃c e dc o o l i n g 在保压冷却过程中，熔体各部分由于不同的保压历史和冷却速率引起制件各 部分的密度不同，密度不同引起的体积变化也会导致制件内部残余应力的产生。 图1 4 表明了体积变化的产生过程。左边的图形曲线表明试样在厚度方向上各部分 的冷却固化温度，为了说明问题，现沿厚度方向将试样等分为八层，分别用时间 常数t 。，t ：，t 。表示，由于冷却层是从模腔表面向中问逐渐推进，模腔中间熔体的 固化温度要高于模壁附近的熔体固化温度。中间图形描述了不同层的固化压力。 在熔体充填过程中，模腔压力逐渐升高，在保压过程的初期，模腔压力达到最大 值，随着模壁的冷却和浇口停止熔体的射入，模腔压力开始下降。由于在充填阶 段模壁附近的熔体固化已经开始，冷却层由模壁向中问推进，根据模腔压力的变 化过程，最终形成试样外层的固化压力低而内层的固化压力高的情况，正如中间 图形的曲线表示。由于不同的固化压力，引起不同的固化体积和固化密度，右边 的p v t 曲线表明了试样各个层面的压力和体积不同。 第一章绪论 图1 4 注塑件内部密度变化产生的示意图 f i g 1 4s c h e m a 廿cd i a g r 锄o f d e n g 竹v a r i 撕o np r o d u c t i o ni ni n j e c t i o nm o l d e dp a n s 假如试样各层之间的体积变化彼此互不影响，则如图1 5 的中间图形所示。实 际上，由于材料内部各组份的均匀一致，分层只是为了研究的方便，各层均相互 作用在一起，外层和中间层受压力而处于外层和中心之间的部分受拉应力的状态， 最终引起试样的变形。1 。 图1 5 体积变化产生的残余应力引起试样的变形 f 蟾1 5p a r t sd e f o m a t i o n p r o d u c e d b y 廿1 e m a l - r e d u c e dr e s j d u a ls s s b e c a u s eo f v o l u m ev a r i a t i o n c 残余应力的影响因素 从残余应力的来源可以发现影响残余应力的因素，同时也为工程中尽量减少 制品的残余应力提供指导。 从流动残余应力的产生过程可知，如果熔体在被“冻结”分子取向之前，由 于流动引起的分子取向能够达到新的平衡状态，就不会产生流动应力，因此，对 于注塑成型工艺而言，熔体温度、模壁温度、注塑时间、注塑速度和压力，保压 5 郑州大学硕士学位论文 压力以及流道的长短都会对流动应力产生影响。 从热残余应力的产生过程可知，模腔内注塑件各部分如果能够达到均匀的冷 却过程，则就不会产生热应力。在实际注塑成型加工过程中，由于制品的形状复 杂性，模具设计制造中的工艺限制，完全避免热应力的产生是不可能的。科学合 理的设计保压压力和保压时间，冷却管道的布置尽量使制件表面各部分以均匀的 冷却速率固化，模腔厚度均匀，避免出现大的变化，这些对于减小热残余应力都 是一些有效的措施。 1 2 2 残余应力的数值模拟进展 在注塑过程中，流动应力与热应力一起构成非常复杂的应力分布。目前对残 余应力的产生、发展及相互作用的精确物理图景还不清楚，也没有一个本构模型 能够完全描述聚合物注塑充模、保压及冷却过程的全部行为。通常是将残余流动 应力与残余热应力分开处理，然后简单叠加“。 a 流动残余应力的数值模拟进展 流动残余应力的计算关键在于模型的建立，由连续性方程和动量方程确定流 场，由能量守恒方程确定温度分布，再与描述聚合物材料性质的本构方程一起联 立求解。控制方程多为偏微分方程，求解的一般步骤是首先把方程在求解域内进 行离散化，得到由离散点组成的方程组，引入特定的边界条件和初始条件，通过 解方程组得到离散点的值，再用插值法就可以得到整个求解域内的近似解，不同 的离散化方法形成不同的数值方法，其中最重要的是有限差分法和有限元法“。 总结前人所作的工作，流动残余应力的数值计算方法可分为3 类：第一类是用粘性 流体充模结束时的应力分布作为初值计算冷却过程的应力松弛：第二类是用粘性 流体假设计算充模、保压过程的运动场， 计算应力；第三类是将粘弹性本构模型、 立耦合求解“。 然后将运动量代入粘弹性本构方程模型 质量守恒、动量守恒和能量守恒方程联 与热残余应力相比，流动残余应力的研究要少得多。d i e t z 等“”提出了一个可 以预测取向建立和松弛的半经验模型，用等温幂律模型计算剪切应力，第一法向 应力差由法向应力与剪切应力之间的经验关系确定，用线性粘弹性m a x w e l l 模型描 述冷却阶段的应力松弛。g r e e n e r 和p e a r s o n “”根据上述模型利用m a n l c c i 粘弹模型描 述充模结束后的非等温应力松弛。y u 等“”基于充模过程为粘性熔体的等温完全发 第一章绪论 展流动假设，利用k - b k z 本构模型计算了简单剪切流动停止后冷却过程中剪应力 和第一法向应力差的非等温松弛。b a 锄e n s “”先用广义牛顿流体模型计算出模腔内 的运动学参数，然后将其代入可压缩的l e o n o v 本构模型，分析了充模和保压过程 的流动残余应力。i 阻y e v 等“用l e o n o v 本构模型研究了充模过程应力的建立和冷却 过程应力的松弛，未考虑熔体的可压缩性。k w o n 等”用不可压缩l e o n o v 本构模型 计算了中心浇口圆盘注塑和注塑压缩过程中的流动残余应力。申长雨“4 等建立了 可压缩粘弹性聚合物熔体在薄壁型腔中充模保压过程中非等温、非稳态流动的数 学模型，用数值方法实现了注塑成型过程中流动应力和取向建立及松弛过程的模 拟，取得了与实验相符的结果。 b 热残余应力的数值模拟进展 无机玻璃淬火条件下热应力研究在过去几十年间有了很大发展，i s a y e v ”3 对此进 行了很好的综述，聚合物注塑残余热应力的理论计算及实验参照了上述研究成果。 由于制品冷却收缩不均会产生热应力，热应力的发展包括在模具内和出模之后。 热应力之所以显著，是因为聚合物在温度降到t g 之下，模量提高几个数量级。脱 模后，残余应力引起制品的翘曲变形。同淬火相比，注塑热应力情况更加复杂，一 方面受到热机历史( 如充模、保压) 的影响，另一方面边界条件( 如闭模，开模) 也 在不断改变。s n l l i k 【”1 将注塑制品内应力分为三部分，分别由分子取向、材料老化 和快速冷却引起。n 哪m 和r a i l k 甜”考虑了残余热应力的非线性问题，理论计算 结果与实验进行了比较。y u 与w a 趴e r 等“”用积分型k b k z 本构方程分析注塑冷却过 程，计算了一些制品结构参数，包括双折射、残余应力和密度分布。l i o u 和s u h “” 通过优化加工过程的受热历史，提出了减小残余热应力的方法。s a l l t h a n 锄等。“”1 在计算残余热应力时使用了三个辅助模量，分析了一个环状制品的翘曲和变形， 但塑料的膨胀行为被假定为弹性。d e n i z a n 等人1 计算了p p 及p s 注塑圆盘的残余热 应力，发现p p 的翘曲比p s 严重，翘曲随熔体温度增加而增加，随保压压力增加而 减小。b a i l o u t 等“”用弹性模型计算了制品的残余热应力，考虑了模具形变对热应 力的影响。b u s l l k o 和s t o k e s 0 5 2 6 1 较深入地分析了残余热应力的变化过程，对简化 的两维无限大平板间熔体，提出了一个新的模型，该模型能预测保压压力对制品 收缩及残余应力的影响，但未考虑体积松弛效应。 郑州大学硕士学位论文 1 + 2 3 残余应力的测量 注塑件残余应力的测试方法分为无破坏性和破坏性两类。典型的测量方法包 括双折射法、剥层法、应力松弛法和钻孔法，它们具有不同的测试机理及其优缺 点，其中双折射法不破坏试样，而剥层法、应力松弛法和钻孔法对样品具有破坏 性。在这些方法中，双折射法与剥层法得到了广泛的应用1 。 a 双折射法( 光弹实验法) 当材料在光学上是各向异性，即各方向的折射率不同，就产生双折射现象。 分子取向引起制品力学、热学和光学的各向异性，并影响制品最终的尺寸稳定性。 双折射是测量无定型聚合物分子取向和残余应力的有效方法。需要注意的是，流 动应力和热应力对双折射都有影响。i s a y e v l 。7 1 同时测量了自由淬火和注塑无定型聚 合物的各个双折射分量，发现虽然热应力比流动应力大一个数量级，但淬火试样 的双折射比注塑试样的双折射小一个数量级，也就是说，流动应力对分子取向的 贡献占主导因素。双折射法测量注塑件残余应力的优点是方法简单，不损坏试样， 直观性强，经济省时有效。此法适用于透明高分子制品的测量，对于非透明材料， 则不适用。当然，双折射方法测量残余应力也有一些不足之处：首先，对条纹的 解释不能为大众所掌握；其次，光测弹性仪和实验技术等方面还存在着一些不理 想的地方。有待提高，比如仪器自动化，条纹记录和数据计算自动化都是将来发 展的方向。 b 剥层法 剥层法因能得到平板试样厚度方向的应力分布而得到广泛应用。8 。这种方法 是建立在以下假设基础之上：( 1 ) 剥层操作本身不能改变试样的应力状态；( 2 ) 在 平板试样的平面方向应力分布是均匀的； ( 3 ) 材料本身为各向同性，并只表现出 纯弹性。剥层法测定既能反映注塑制品内的热残余应力，又能反映流动残余应力。 不同材料的注塑制品，对于剥层厚度、剥层方向、剥层面积大小都有不同的要求， 由于剥层厚度很薄，一般只有几个毫米，所以对剥层设备、剥层技术要求较高1 。 1 3 透明注塑件光学性能的研究现状 1 3 1 常用的表征注塑件光学性能指标 衡量一种材料的透明性好坏，有许多性能指标都需要考虑。常用的指标有：透 第一章绪论 光率、雾度、折光指数、双折射及色散等。在上述指标中，透光率和雾度两个指标 主要表征材料的透光性，而折光指数、双折射及色散三个指标主要用于表征材料的 透光质量。一种好的透明性材料，要求上述性能指标优异且均衡“。 透光率是透射光与入射光之比，通常所报道的值为透过光的百分率。例如p m m a 透过垂直入射光的9 2 。对于垂直的入射光来说，在聚合物一空气界面上，大约 反射掉4 。 雾度是表征透明试样其内部或表面发生光散射而引起的云雾状外貌。雾度的 定义是当投射光通过试样时，由于前锋散射而偏离入射线方向的透光百分率。一 般雾度是由于材料表面缺陷、密度变化或产生散射的杂质引起的。雾度的单位是 百分率。 透光率和雾度都是衡量材料透明性的重要指标，两者的关系如下：一般说来， 透光率与雾度之间成反比关系，即透光率高的材料，其雾度低；反之亦然。但两者的 关系并不总是如此，有时也有相反的结果。如毛玻璃的透光率较高，但其雾度也比 较大。所以说透光率和雾度是既相互独立又相互联系的两个光学指标。 折射即入射光与透过光两者方向之差。衡量材料折射的大小，可用折光指数表 征。折光指数越大，材料的折射越大。作为透镜而使用的树脂，希望其折光指数大 一点。折光指数越大，其厚度可相应减小。 双折射即材料的平行方向与垂直方向折光指数的差值。双折射越大，越容易造 成图像产生歪影等现象。所以说双折射降低了光学材料的透光质量，应尽力减少材 料的双折射。材料之所以产生双折射现象，主要是由于树脂的分子结构和分子的取 向两方面决定的。 材料的色散可用阿贝数表示，阿贝数圪可用下式计算： 圪= ( ”d 1 ) ( 捍f n c ) 其中、行f 、分别为入射光光波长5 8 9 3 ”m 、4 8 6 1 胛及6 5 6 3 州时材料的 折光指数。从式中可以看出，材料的阿贝数与材料折光指数有关。一般材料的折光 指数越大，阿贝数越小，色散越强。 综合上述五种性能，一个良好透明材料的条件为：高透光率、低雾度、高折光 指数、小双折射及小色散。“。 郑州大学硕士学位论文 1 3 2 注塑件光学性能的研究进展 本论文选取的光学性能指标是透光率和雾度。 国内在改善透明塑料件透明性方面的研究集中在材料改性，着眼于成型过程 影响的文献查到的比较少。台湾的陈夏宗。”研究了成型条件、材料对注塑成型的 导光板光学性能的影响，并且把实验结果和数值结果进行了比较，给出了很好的 改善产品光学性能的建议，探讨了实验结果与数值结果存在差异的原因所在。景 丽荣从制样方法、试样划伤、污染、厚度等方面对l d p e 薄膜透光率和雾度的影 响因素进行了探讨。 1 4 论文的主要工作 随着透明注塑件的广泛使用，人们对其使用性能提出了越来越高的要求，特 别是力学性能和光学性能。而透明注塑件很容易产生残余应力，不仅影响了产品 的机械强度还影响了其光学性能。另外，塑料光学制品有高的附加值，是玻璃制 品的良好替代品，因此本文以透明塑料制品的残余应力和光学性能为研究对象。 在制品残余应力方面，首先阅读国内外的文献，了解研究现状，归纳已有的 研究结论，总结了当前成果的研究特点：注塑件的残余应力可以分为两部分 流动引入和热引入的残余应力，而且一般认为热残余应力比流动残余应力大一个 数量级。但是两者之间的相互作用以及在产品中的存在状态还尚未明晰。在此基 础上，本文明确了相应的研究方向：尝试讨论流动和热应力对最终残余应力的贡 献，二者之间的量化关系，以及工艺参数对制品残余应力的影响。 其次，通过考察已有的实验方法和实验条件，针对所关注的透明注塑件，本 文选择光弹实验法观察制品残余应力的分布形态，并对实验结果提出了观测假设 即薄壁残余应力分布和流动波前类似，以流动应力为主；厚壁制品应力分布与制 品的外轮廓相似，以热应力为主。基于实验的观察结果，用数值模拟方法剥离流 动残余应力和热残余应力，进一步验证实验结论，探讨现象产生的原因。同时， 比较了残余应力数值模拟和实验量化的结果，讨论了数值和实验的吻合程度。 最后，根据实验结果，考察了成型工艺参数对残余应力的影响，按影响程度 的大小进行排序。 对于透明塑料光学性能的研究，选用透光率和雾度表征制品光学性能。而且 第一章绪论 一般透明注塑件，透光率和雾度也是生产厂家和消费者判断产品是否台格的依据。 通过透光率和雾度测试仪研究了p c 、p m m a 、p s 不同材料、不同工艺参数下的制品 性能，揭示了光学性能和残余应力之间的关系，合适的工艺参数对提高光学产品 质量有关键的作用。 上述工作，体现在如下的论文章节中： 第一章介绍了残余应力的产生原因、影响因素和测量方法，数值方法预测残 余应力的进展以及表征产品光学性能的指标和对透明塑料光学性能的研究现状。 明确本文的研究对象。 第二章介绍了数值模拟残余应力的基本理论，表明数值方法剥离热流动应力 的可行性；光弹实验法的原理以及获取相关数据的方法，说明光弹实验测量残余应 力的合理性以及实验结果的准确性；最后介绍了光学性能的表征指标以及透光率 和雾度的测量原理，说明了研究光学性能所采用实验方法的合理性和实验结果的 准确性。选择