（材料加工工程专业论文）等规聚丙烯微注塑制品结晶形态与制品收缩的研究.pdf

学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研 究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者： 智津午 学位论文使用授权声明 本人在导师指导下完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属郑州大学。 根据郑州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权郑州 大学可以将本学位论文的全部或部分编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或者其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学 位论文或与该学位论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为郑 州大学。保密论文在解密后应遵守此规定。 黜姗：智乞辑 嗍础年厂月多日 摘要 摘要 随着科学技术的发展，微机电系统和微系统技术已成功应用于多个领域， 微注塑成型技术是生产微细结构，高精密制品的最重要加工技术之一。微注塑 制品在高精尖领域的应用，对制品的性能质量有了更高的要求，而制品的形态 结构对性能有重要的影响，因此研究微注塑成型条件下的形态演化有重要的意 义。 本文采用等规聚丙烯( i p p ) 为原料，基于厚度为5 0 0 9 m 和1 0 r a m 薄壁微制 品的微注塑成型实验，研究工艺参数对不同厚度微制品形态结构及收缩的影响。 主要工作包括： 1 、尺度效应对微注塑制品的形态影响研究。针对两种尺度微注塑制品，利 用偏光显微镜( p l m ) 和广角x 射线衍射仪( w a x d ) 研究微注塑制品的形态结构 演化。实验结果表明：厚度为1 0 m m 和0 5 r a m 两种微制品都呈现出一种相似的 皮芯结构，但不同于传统注塑制品四层或五层结构，只有皮层，剪切层和芯层 三层结构，在厚度方向上剪切层的比例相对更大，芯层比例相对更小，随着尺 度的减小，微制品的形态层数也在减少；两种尺度下微制品不同位置处并没有 明显的b 晶生成，不同位置处的结晶度各不相同，但总体变化不大； 厚度为 0 5 m m 微制品的取向度比厚度为1 0 m m 制品的取向度偏大。 2 ，注射速度对微注塑制品形态演化的影响研究。针对两种尺度微注塑制 品，利用偏光显微镜( p l m ) 和广角x 射线衍射仪( w a x d ) 研究注射速度对微注 塑制品的形态结构演化的影响。实验结果表明：在低速注射下，随着注射速度 从1 0 m m s 增大到3 5 m m s ，两种尺度的微制品都呈现出相似的三层皮芯结构， 在厚度方向上剪切层的比例很大，芯层比例很小，且随着注射速度的增大，剪 切层的比例变化不大。在高速注射条件下，随着注射速度从8 0 m m s 提高到 4 0 0 m m s ，两种尺度都呈现出相似的三层皮芯结构，在厚度方向上剪切层的比例 很大，芯层比例很小，且随着注射速度的增大，剪切层比例逐渐增大，当注射 速度超过一定值后，呈现无芯层结构；两种尺度的微制品都没有明显的p 晶生 成；随着注射速度的增大，厚度为1 0 m m 微制品的结晶度整体小幅下降， 厚度 为0 5 m m 微制品的结晶度先增大后降低，变化不是很大；厚度为1 0 m m 的微制 品最大取向度的值整体上逐渐减小，取向度数值波动范围不大；厚度为o 5 m m 摘要 的微制品最大取向度先增大后减小又增大，取向度数值波动较大。 3 、熔体温度对微注塑制品形态演化的影响研究。针对两种尺度微注塑制 品，利用偏光显微镜( p l m ) 和广角x 射线衍射仪( w a x d ) 研究熔体温度对微注 塑制品形态结构演化的影响。实验结果表明：随着熔体温度从2 2 0 提高到 2 8 0 ，厚度为0 5 m m 微制品呈现出无芯层结构，在厚度方向上形态变化不大， 这是由于在熔体温度的影响实验中，注射速度比较大的缘故；厚度为1 0 m m 微 制品随着熔体温度的升高，均呈现三层皮芯结构，在厚度方向上剪切层和芯层 比例变化不大；两种尺度的微制品都没有明显的1 3 晶生成；厚度为1 0 m m 微制 品结晶度先升高再降低，厚度为0 5 m m 微制品结晶度也是先升高再降低；厚度 为1 0 m m 和0 5 m m 微制品的取向度都逐渐减小。 4 、工艺参数对微制品收缩的影响。以微制品厚度，宽度和径向方向的收缩 率为评价指标，研究注射速度、熔体温度，保压压力、保压时间和模具温度对 微制品收缩的影响。实验结果表明：在本实验选择的工艺范围之内，对于厚度 为1 0 m m 的微制品，影响厚度、宽度和径向方向的收缩最大因素都是注射速度， 而对于厚度为0 5 m m 的微制品，影响厚度方向的最大因素也是注射速度；总体 上，注射速度对两种尺度的微制品影响最大，且远大于其他各因素；其次是保 压压力和模具温度，对收缩率有一些影响；而保压时间和熔体温度的影响作用 并不明显。 关键词：微注塑成型，等规聚丙烯，注射速度，熔体温度，形态演化，收缩率 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , m i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a l s y s t e m s ( m e m s ) a n dm i c r o s y s t e m st e c h n o l o g y ( m s t ) h a v eb e e ns u c c e s s i v e l y a p p l i e dt om a n yf i e l d s m i c r o - i n j e c t i o nm o l d i n g ( m i m ) i so n eo ft h em o s ti m p o r t a n t p r o c e s s e sf o rr e p l i c a t i n gm i c r o s t r u c t u r e dp a r t sa n dm i c r o p a r t sw i t hh i g hp r e c i s i o n b e c a u s eo ft h ea p p l i c a t i o ni n h i g h g r a d e ，p r e c i s i o na n da d v a n c e df i e l d so fm i c r o i n j e c t i o nm o l d e dp a r t s ，t h eh i g h e rp r o p e r t yo ft h ep a r t si sd e m a n d t h em o r p h o l o g yo f s t r u c t u r ep l a y sam a j o rr o l ei nm a s t e r i n gt h ef i n a lp r o p e r t i e so ft h ep r o d u c t s ，t h e r e f o r e ， i n v e s t i g a t i o no fm o r p h o l o g yo ft h em i c r op a r t sh a si m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e i nt h i sw o r k ，t h ei p pm i c r o p a r t sw i t ht w od i f f e r e n tt h i c k n e s sw e r ec h o s e ni nt h e s t u d y t h ei n f l u e n c eo fp r o c e s s i n gp a r a m e t e r so nm o r p h o l o g ya n ds h r i n k a g eo ft w o k i n d so f m i c r o p a r t s w a s i n v e s t i g a t e d b a s e do nt h e m i c r o i n j e c t i o nm o l d i n g e x p e r i m e n t s 。t h ew o r ki n c l u d e s ： 1 t h ei n f l u e n c eo fs c a l ee f f e c to nm o r p h o l o g yo ft h em i c r o p a r t s b ym e a n so f p o l a r i z e dl i g h tm i c r o s c o p y ( p l m ) a n dw i d ea n g l ex r a yd i f f r a c t i o n ( w a x d ) ，t h e m o r p h o l o g ye v o l u t i o no fm i c r op a r t sw a si n v e s t i g a t e d p l mo b s e r v a t i o n si n d i c a t e d t h a tm o r p h o l o g ya l o n gt h et h i c k n e s sd i r e c t i o no fm i c r o p a r t se x h i b i t e das i m i l a r s k i n c o r es t r u c t u r ea sm o r p h o l o g yo ft h et r a d i t i o n a li n j e c t i o np a r t s t h e r ea r et h r e e s t r u c t u r e si nt h em i c r o p a r t si n c l u d i n gs k i nf r o z e nl a y e r , s h e a rl a y e ra n dc o r el a y e r , a n ds h e a rl a y e rp r e s e n t e dal a r g ef r a c t i o no ft h et h i c k n e s si nm i c r oi n j e c t i o nm o l d e d p a r t s t h ec o r el a y e ri nt h et r a d i t i o n a li n j e c t i o np a r t sp r e s e n t e dal a r g ef r a c t i o n t h e r e sh a r d l ya n y1 3 - c r y s t a li nt w ok i n d so fm i c r o p a r t s t h ed e g r e eo fc r y s t a l l i n i t yo f t h em i c r o p a r t si sd i f f e r e n ta td i f f e r e n tl o c a t i o n t h ed e g r e eo fo r i e n t a t i o ni nm i c r op a r t w i t ht h i c k n e s so f0 5 m mi sh i g h e rt h a tm i c r op a r t sw i t ht h i c k n e s so f1 0 m m 2 t h ei n f l u e n c eo fi n j e c t i o ns p e e do nm o r p h o l o g yo fm i c r o p a r t s b ym e a n so f p o l a r i z e dl i g h tm i c r o s c o p y ( p l m ) a n dw i d ea n g l ex - r a yd i f f r a c t i o n ( w a x d ) ，t h e i n f l u e n c eo ft h ei n j e c t i o n s p e e do nm o r p h o l o g ye v o l u t i o no fm i c r o p a r t sw a s i n v e s t i g a t e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt w ok i n d so fm i c r o p a r t se x h i b i t e dt h es i m i l a r s k i n c o r es t r u c t u r ea tl o wi n j e c t i o ns p e e d w i t ht h ei n j e c t i o ns p e e di n c r e a s i n g ，t h e i i i a b s t r a c t f r a c t i o no fs h e a rl a y e rh a sl i t t l ec h a n g e t h em i c r op a r t se x h i b i tas p e c i f i cc o r e f r e e m o r p h o l o g ya th i g hi n j e c t i o ns p e e d a n dt h e r e sh a r d l ya n y1 3 - c r y s t a li nt w ok i n d so f m i c r o p a r t sw i t ht h ei n j e c t i o ns p e e d i n c r e a s i n g t h ed e g r e eo fc r y s t a l l i n i t ya n d o r i e n t a t i o na r ed i f f e r e n ti nt h et w ok i n d so fm i c r op a r t s 3 t h ei n f l u e n c eo fm e l tt e m p e r a t u r eo nm o r p h o l o g yo ft h em i c r o p a r t s b y m e a n so fp o l a r i z e d l i g h tm i c r o s c o p y ( p l m ) a n dw i d ca n g l ex r a yd i f f r a c t i o n ( w a x d ) ，t h ei n f l u e n c eo fm e l tt e m p e r a t u r eo nm o r p h o l o g ye v o l u t i o no fm i c r op a r t s w a si n v e s t i g a t e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h r e e s k i n - c o r e l a y e rs t r u c t u r e i nt h e m i c r o p a r t si n c l u d i n gs k i nf r o z e nl a y e r , s h e a rl a y e ra n dc o r el a y e t h em i c r op a r t s w i t ht h i c k n e s so f0 5 m me x h i b i tas p e c i f i cc o r e - f r e em o r p h o l o g y t h ef r a c t i o no f s h e a rl a y e ri nt h em i c r op a r t sm o l d e du n d e rd i f f e r e n tm e l tt e m p e r a t u r ew i t ht h i c k n e s s o f1 0 r a mh a sl i t t l ec h a n g e t h e r e sh a r d l ya n y1 3 - c r y s t a li nb o t ht w ok i n d so ft h e m i c r o p a r t s t h ed e g r e eo fc r y s t a l l i n i t ya n do r i e n t a t i o na r ed i f f e r e n ti nt h et w ok i n d s o f m i c r o p a r t s 4 t h ei n f l u e n c eo fp r o c e s s i n gp a r a m e t e r so ns h r i n k a g eo ft h em i c r o p a r t s t h e s h r i n k a g er a t i o i nt h i c k n e s s ，w i d t ha n dr a d i a ld i r e c t i o no ft h e m i c r o p a r t sw e r e c a l c u l a t e d t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a ti n j e c t i o ns p e e di st h em o s ti n f l u e n t i a lf a c t o ro n t h es h r i n k a g er a t i oi nt h i c k n e s s ，w i d t ha n dr a d i a ld i r e c t i o no ft h em i c r o p a r tw i t ht h e t h i c k n e s so f1 0 m m ，i t ss a m et ot h em i c r o p a r tw i t ht h et h i c k n e s so fo 5 r n m g e n e r a l l y , t h ei n j e c t i o ns p e e di st h em o s ti n f l u e n t i a lf a c t o ro ft h es h r i n k a g er a t i o ，f o l l o w e db y p a c k i n gp r e s s u r ea n dm o l dt e m p e r a t u r e ，a n dt h ei n f l u e n c eo fp a c k i n gt i m ea n dm e l t t e m p e r a t u r ew a su n o b v i o u s k e yw o r d s ：m i c r o i n j e c t i o n ，i s o t a c t i cp o l y p r o p y l e n e ( i p p ) ，i n j e c t i o ns p e e d ，m e l t t e m p e r a t u r e ，m o r p h o l o g y , s h r i n k a g er a t i o i v 目录 目录 摘要。i a b s t r a c t 第1 章绪论1 1 1 微注塑成型技术的含义及应用1 1 2 微注塑成型技术的国内外研究现状2 1 2 1 微注塑成型机2 1 2 2 微注塑成型模具设计与制造技术3 1 2 3 微注塑成型材料4 1 2 4 微注塑成型工艺4 1 2 5 微注塑成型数值模拟7 1 3 聚丙烯注塑形态结构演化与微结构研究进展8 1 3 1 传统注塑聚丙烯聚集态与形态结构8 1 3 2 微注塑形态演化研究1 1 1 4 收缩13 1 5 本文主要工作1 4 第2 章样品的制备与表征方法1 6 2 1 实验材料及技术指标16 2 2 微注塑成型实验一1 6 2 2 1 微注塑机16 2 2 2 模温机一17 2 2 3 微注塑模具制造18 2 3 微注塑加工工艺2 l 2 4 微注塑形态结构表征和收缩的测量2 3 v 目录 2 4 1 取样方式及过程2 3 2 4 2 偏光显微镜( p l m ) 观察实验2 4 2 4 3 广角x 射线仪( w a x d ) 衍射2 5 2 4 4 千分尺( m i c r o m e t e r ) 测量2 6 第3 章微注塑制品尺寸对形态结构的影响研究2 7 3 1 微注塑制品尺寸对形态的影响研究2 7 3 2 微注塑制品流动方向上不同位置形态结构的研究2 9 3 2 1 微制品厚度方向的取向及分布3 0 3 2 2 微制品厚度方向晶型分布3 0 3 2 3 微制品厚度方向结晶度结果分析一3 3 3 2 4 微制品厚度方向取向度结果分析3 5 3 3 本章小结3 7 第4 章注射速度对微注塑制品形态演化的影响3 8 4 1 实验方法3 9 4 2 实验结果与分析3 9 4 2 1 注射速度对微制品皮芯结构的影响3 9 4 2 2 注射速度对微制品晶型的影响4 3 4 2 3 注射速度对微制品结晶度的影响4 5 4 2 4 注射速度对微制品取向度的影响4 6 4 3 本章小结4 7 第5 章熔体温度对微注塑制品形态演化的影响4 8 5 1 实验方法4 8 5 2 实验结果与分析4 9 5 2 1 熔体温度对微制品皮芯结构的影响4 9 5 2 。2 熔体温度对微制品晶型的影响。5 l 5 2 3 熔体温度对微制品结晶度的影响5 3 5 2 4 熔体温度对微制品取向度的影响5 4 v t 一 目录 5 3 本章小结5 5 第6 章工艺参数对微注塑制品收缩的影响正交实验分析5 6 6 1 正交实验方法5 6 6 2 实验结果与分析5 6 6 3 本章小结5 9 第7 章总结与展望6 1 7 1 论文的主要工作及结论6 1 7 2 展望6 2 参考文献6 3 致 射6 8 附录6 9 v i i 第1 章绪论 随着科学技术的进步，特别是微机电系统( m e m s ) 的发展，微注塑成型技 术逐渐成熟。微注塑以其低成本制造，大规模生产，多材料适用性和良好的耐 受性等特点，已成为一种极有前途的技术。许多微制品或含有微细结构的产品， 如微样品盒、微热交换器，微水泵、生物芯片、光学光栅元件等都是使用微注 塑成型技术。 1 1 微注塑成型技术的含义及应用 微注塑成型研究已有几十年的历史，可对于微注塑成型技术的科学统一定 义还未形成。多数学者都是以尺寸为微米级或质量为毫克级的塑件为研究对象。 k u k l ac 等以微型塑件的质量和尺寸大小为出发点，定义了微注塑成型技术，即 微注塑成型是一种注塑件质量以毫克( m g ) 为计量单位，制品几何尺寸以微米 ( 岬) 为度量单位的成型方法【l 】。微注塑成型技术成型以下类型的塑件( 如图 1 1 所示) 。 微注塑制件的相关应用如下： ( 1 ) 塑件的几何尺寸全达到微米级，质量从几微克到几分之一克的微注塑制 件。例如微齿轮，微结构件，微型人造器官； ( 2 ) 塑件的整体尺寸较大，但其表面具有微米级的结构特征。例如带有数据 点隙的光盘、具有微特征的透镜； ( 3 ) 塑件的精度达到微米级，即微精密塑件。例如光纤器件、微型芯片等。 一一 ! 堑笙 ( a ) m i c r o g e a r( b ) m i c r o - c l i pu s e di na u t o m o b i l e ( c ) s e mi m a g eo fao 0 0 8 9m i c r o g e a rw h e e l 图1 1 微注塑成型制品f 2 】 f i g 1 1m i c r o i n j e c t i o nc o m p o n e n t s 1 2 微注塑成型技术的国内外研究现状 微注塑成型技术包括微注塑成型机、微注塑成型模具设计与制造、微注塑 成型材料、微注塑成型工艺和微注塑成型数值模拟技术等方面。 1 2 1 微注塑成型机 微注塑成型的机理与传统注塑成型有很多不同，微注塑机的结构特点和性 2 塑、塑化装置，快速反 应能力、模温控制系统以及其他相关设备等这几个方面。 生产微型注塑机的制造商有德国的b a t t e n f e l d 、d r b o y 、e t t l i n g e r 、f e r r o m a t i c m i l a c r o n 公司，日本的日精树脂工业株式会社、树研工业、东芝、s o d i c k 公司， 美国的l a w t o n 公司，西班牙的c r o n o p l a s t 公司，英国的m c p 公司等多家公司【4 1 。 如图1 2 是b a t t e n f e l d 公司制造的m i c r o s y s t e m 5 0 微型注塑机。 图1 2b a t t e n f e l d5 0 微注塑成型机示意图【5 】 f i g 1 2 b a t t e n f e l d5 0s y s t e mo fm i c r oi n j e c t i o nm a c h i n e 1 2 2 微注塑成型模具设计与制造技术 微注塑成型模具除尺寸明显小于传统模具尺寸外，还具有以下特点：因尺 寸微小，使用型腔数目减小，这有利于改善模具的平衡性，提高产品外观尺寸 精确性。 微注塑成型模具的加工可以采用传统的加工方法，如各种机械加工方法和 电火花加工( e d m ) ，但随着模具嵌件和模腔尺寸的减小，传统的方法很快达到 加工的极限。最近几年新兴的微注塑制造技术主要有l i g a 技术，i t e d m 、e c m 、激光加工技术等。 3 1 绪论 1 2 3 微注塑成型材料 目前应用较多的微注塑成型聚合物材料包括聚丙烯( p p ) ，聚甲基丙烯酸 甲酯( p m m a ) ，聚甲醛( p o m ) ，尼龙( p a ) ，聚碳酸酯( p c ) ，聚醚醚酮 ( p e e k ) ，液晶聚合物( l c p ) 和硅橡胶等。 jz h a o 等【6 】分别用纯p c 和加入2 的l c p 的p c 作为微齿轮的填充材料， 实验结果发现加入2 l c p 的p c 熔体粘度减少到8 0 ，且此共混物在同样的加 工条件下充填型腔比纯p c 的注射量要少，此外共混物所要求的注射压力比纯 p c 低。 c h i n w a nl u o 等【7 】在研究微型透镜阵列时发现p m m a 的成型性比p c 的要 好。 1 2 4 微注塑成型工艺 目前对于微注塑成型工艺的研究主要集中在成型工艺参数( 注射速度，模 具温度，熔体温度，保压压力、冷却时间和保压时间等) ，型腔的填充率、微 制品的表面质量等方面。 c h i n w a nl u o 等【7 】在研究微型透镜阵列时发现模具温度是影响微透镜阵列焦 距和凹陷深度最重要的加工因素；同样的，s h ic h a n gt s e n g 等【8 】研究含有直径为 1 0 1 岬通孔的薄膜的可成型性时，也得出模具温度是最重要的因素，并且指出 设置的模具温度必须比聚合物的玻璃化温度要高l 1 5 ；ck h u a n g 等【9 】在注 塑一模四腔不同的微制品时发现高的压力和适当的模具温度能成型高质量的微 制品。 u s a m am a t t i a ，j e f f r e yra l c o c k 1 0 】成型带有微结构的注塑制品时，实验发现 在五个加工因素中，保压压力是最重要的加工因素，并且制品的几何外形也是 个重要的因素，对于更复杂的制品，注射速度和模具温度也更加重要；l e il i 等 【i l 】采用实验与模拟结合的方法研究含有微米以及纳米结构的制品，探讨熔体温 度，注射速度、保压压力与保压时间四个加工因素对制品质量的影响，实验与 模拟结果显示保压压力与保压时间有重要的影响，其次是熔体温度；scs h e n 等【1 2 】在注塑1 0 0 9 m 厚度的喷嘴板时发现只有在高的注射速度、注塑压力和模具 温度下才能生产出质量好的塑件；y u c h u a ns u 等【i3 】研究含有微结构的注塑制品 4 时，使用实验和模拟相结合的方法探讨加工因素的影响，得出温度是重要的因 素，低的注塑压力能减少残余应力，并且加真空能避免微型腔内的气泡；b y t a y 等【1 4 】分别加工含有直径为1 0 0 9 m 和2 0 0 9 m 的微结构塑件时，发现更高的熔体温 度和模具温度才能成型没有缺角和变形的微制品，而保压压力没有那么显著的 影响；bs h a 等【l5 】通过不同的几何外形，三种不同的聚合物和不同的加工因素 ( 滚筒温度，模具温度、注射速度和微结构之间的距离) 来研究相互之间的影 响，结果表明增加滚筒温度，模具温度和注射速度数值能改善熔体在微型腔内 的填充。 b a i c h u a ns h a 等【l6 】设计了含有不同长径比的微结构注塑制品，探讨五种加工 因素( 料筒温度、模具温度、注射速度、保压压力和空气的排泄) 对长径比的 影响，结果表明当注塑p p 和a b s 时料筒温度与注射速度是影响微结构长径比 的关键因素；在注塑p o m 时除了以上两个因素，模具温度也对长径比有重要影 响。 u s a m ama t r i a 等【1 7 】全面分析了关于聚合物微注塑的微流体器件制造相关文 献，内容涉及器件的设计，机器功能，模具制造，材料选择和加工因素的影响， 整理适合注塑微流体的无定形聚合物有：p m m a 、p c 、p s u 、p s 、c o c 、c o p ，p p e 、p e i 、p a i 、m a b s 、s a n ，s b s 、a b s 等，而结晶型的聚合物有：l c p 、p p ，p e ，p o m ，p o m c ，p b t ，p a 6 、p a l 2 ，p f a ，p e e k 等；文中其他文献 有：a u f i e r o t 埔】用p s 和p c 注塑圆形微制品发现注射速度和保压压力是最重要 的因素；t o s e l l o t ”】研究微制品熔接线的形成，以p s 为注塑材料，发现注射速度 和模具温度是影响熔接线位置和取向的主要影响；j u n g 掣2 0 懈释微注塑的流动 长度时，得出熔体温度和注塑压力是最重要的因素；l e e 等【2 1 】研究填充的微型过 滤器，认为流动速率是最重要的加工因素。 c a ny a n g 等【2 2 】采用p p 和p m m a 为注塑材料，研究料筒温度、模具温度， 注射速度，保压压力和保压时间五个加工因素对微型弯拱状制品成型性的影 响，研究结果表明，料筒温度和注射速度影响最为显著，而保压压力和保压时 间几乎没有影响：模具温度只对p m m a 有影响。 mcs o n g 等【2 3 】研究了注塑加工因素对超薄壁制品的影响，实验利用正交实 验方法，研究注射速度，注射压力、熔体温度，计量体积以及塑件厚度对注塑 超薄制品的效果，结果表明塑件厚度在注塑过程中是决定性的因素，而计量体 积和注射速度是主要因素，熔体温度和注射压力是二级因素，且较高的熔体温 5 度和注射压力对于注塑成型是必要的。 m i n gs h y a nh u a n g 等【2 4 】设计了一模两腔的微齿轮结构模具，研究直径分别 为4 m m 和6 m m 的微齿轮的成型特性，结论表明对于所设计的结构，模具温度 ，保压压力和注射速度是影响成型质量的重要因素。 t e l is u 等【2 5 】研究微注塑条件下的光定位板成型质量，采用正交实验，加工 因素包括冷却时间、模具温度、熔体温度、注射速度、注射压力，保压压力和 保压时间，最终得到了一个最优化的参数值。 宋满仓等【2 6 】以微流芯片为研究对象，通过实验系统的阐述各主要注塑成型 加工工艺参数对其成型中微结构的复制性和表面缩痕的影响，从而给出该类型 微结构制品的合理工艺解决方案。实验结果表明模具温度和注射速度对微结构 复制度的影响最大，注射速度越高，复制度也越高；注射压力对微结构复制度 的影响能力远低于模具温度和注射速度，提高注射压力对改善微结构复制度的 影响不甚明显；保压压力很低时，微通道的复制度很低，随着保压压力的增加， 复制度也随着提高，继续增加时，微通道的复制度反而降低。 庄俭等【2 1 7 】利用微细电火花技术加工了特征尺寸为5 0 0 9 m 的微流道塑件模具 型腔，基于正交实验优化设计法，进行微注塑成型工艺实验，通过极差分析和 方差分析，阐述了各工艺参数对微流道塑件质量的影响规律，实验结果表明， 对于p p 材料，注射量、注射速度和注射压力对填充率的影响较大，熔体温度影 响相对较小。 syy a n g 等【2 8 】研究多型腔超薄制件的微注塑成型过程，制品分别为1 0 0 ， 2 5 0 和5 0 0 1 t m ，结果表明随着型腔变薄流动阻力增加；当在一个低的温度下填充 四型腔和八型腔超薄件时，熔体前沿并不是对称的；当增加模具温度或型腔厚 度时，熔体前沿就会变得对称；并且型腔越薄，操作的窗口就越小；需要很高 的注射速度才能注塑6 0 1 t m 的制件，作者还成功的注塑了3 0 9 m 的超薄塑件。 a cl i u 等【2 9 】探讨了具有大纵横比的微米，亚微米结构注塑制品的成型性， 实验采用p m m a 、p p 和h d p e 为研究材料，结果反应模具温度决定着注塑微米 ，亚微米壁成功与否，对微注塑成型来说符合要求的模具温度比传统注塑的要 高很多；此外注塑压力和注塑时间也显著影响微米亚微米壁的长径比。 6 为了避免工程设计耗费巨大的风险以及减少加工的时间，包括填充阶段， 保压阶段以及冷却阶段，还有微注塑产品的性能研究如收缩等，多使用传统的 商业软件和加入微注塑特性的自编软件来进行模拟。但传统的商业软件如 m o l d f l o w 、m o l d e x 、c m o l d 、h s c a e 、z m o l d 等，大多未考虑如熔 体的表面张力，重力、惯性力，边界滑移、型腔排气、型腔的表面粗糙度、熔 体的黏度变化等影响。 cag r i f f i t h s 等【3 0 】利用传统商业软件m o l d f l o w 研究微注塑成型熔体流动 行为，分析四个加工因素( 熔体温度，模具温度、注射速度和塑件厚度) 对成 型性的影响，研究结果表明用软件模拟制品的表面缺陷很困难；对于p p 和a b s 两种材料来说注射时间是影响制品质量的重要因素；无论是双面流动还是3 d 流动都过高的模拟了熔体的流动长度。 g u o j u nx u 等【3 l 】利用2 d 平面模拟含有微结构在不同热传递系数下的注塑流 动情况，使用p p 和p m m a 注塑深度分别为5 0 9 m 与1 0 0 9 m ，长径比为5 的长 方形制品，结论显示在主要的型腔和微流道内流动的长度对热传递系数很敏感。 y ks h e n 等【3 2 】应用3 d 数值模拟和扩展算法来计算微注塑加工情况，实验分 析了不同的聚合物( p p 、p a 和p o m ) 、不同的加工因素( 注射时间，模具温度 ，注射温度和注射压力) 以微齿轮为对象，采用正交实验方法，结果表明模具 温度是最重要的加工因素，p p 是最合适的加工材料。 s u n g j o oc h o i 等【3 3 】提出了一个多尺度方法以便能模拟微注塑n i 的填充。 作者首先用传统方法分析了大尺度流动的情况，其次微小尺度模拟将滑移和表 面张力考虑进去来研究微注塑的填充。结果显示滑移和表面张力在微注塑中发 挥很重要的作用，此外还模拟了含有微流道薄板的填充情况，作者认为微注塑 模拟中多尺度方法是有前途的模拟方法。 d o n g g a n gy a o 等【3 4 】模拟了聚合物在微流道内的填充情况。文章着重考察了 尺度依赖粘度、壁面滑移和表面张力的影响，实验以p s 为注塑材料，结果证明 应用尺度依赖粘度和壁面滑移非常重要，而壁面滑移发生在流道尺寸减少至微 米或更小的尺度，表面张力可在微注塑成型中忽略，或没那么重要。 7 1 绪论 1 3 聚丙烯注塑形态结构演化与微结构研究进展 聚丙烯( p o l y p r o p y l e n e ，简称p p ) 是世界上需求量增长最快的通用热塑性 树脂，产量仅次于聚乙烯排名第二。聚丙烯为白色蜡状材料，是以丙烯为单体 聚合而成的聚合物，按照主链中叔碳上甲基的空间排列方式，分为等规聚丙烯 ( i p p ) 、无规聚丙烯( a p p ) 和间规聚丙烯( s p p ) 三种；其中i p p 是通用塑料 中的一个重要品种，结晶速度适中，结晶行为对加工条件非常敏感，可形成丰 富的结晶结构形态。聚丙烯的熔体粘度小，易成型薄壁长流程制品，不需要采 用很高的成型压力；熔体弹性大，冷却凝固速度快；具有结晶性，收缩率绝对 值及其变化范围都很大，易于微小制件脱模；且价格便宜、质轻，良好的加工 性，故选作微注塑成型的材料。 1 3 1 传统注塑聚丙烯聚集态与形态结构 1 3 1 1 聚丙烯聚集态结构 聚合物的聚集态结构指的是分子链之间的排列和对齐【3 5 1 ，其决定着聚合物 本体的性质，直接影响着制品的使用性能。这里主要考虑聚合物的晶型和结晶 形态。 ( 1 ) 晶型 等规聚丙烯是一种具有多晶型的结晶聚合物，其晶型有0 【、1 3 、丫、6 和拟六 方晶5 种，以a 、1 3 晶型较为常见。仅晶型是等规聚丙烯中最常见，热稳定性最 好的晶型，属单斜晶系，晶胞参数为：a = o 6 6 5 n m ，b = 2 0 9 6 n m ，c = o 6 5 0 n m ， a = t = 9 0 0 ，肛9 9 6 2 0 ；a 晶型具有较高的屈服强度和伸长率，聚丙烯在通常的实验 条件下和生产加工过程中主要生成a 晶【3 6 】。d 晶型是聚丙烯的热动力学亚稳晶 型，属六方晶系，晶胞参数为a = b = 1 1 0 l n m ，e = o 6 5 0 n m ，a = y = 9 0 0 ，1 3 = 1 2 0 0 ，通 常状况下，只有少量p 晶型出现。一般商品p p 中主要含a 晶型，其他晶型在一 定条件下会向最稳定的a 晶型转变【3 7 1 。 ( 2 ) 聚合物结晶形态 聚合物的结晶形态是指单个晶粒的大小、形状及其聚集方式【3 5 1 。研究结晶 形态需借助光学显微镜或者原子力显微镜。就聚丙烯而言，其主要的结晶形态 8 1 绪论 有球晶、串晶、横晶和柱晶等。 球晶在聚合物晶