注塑填充阶段的流变和热分析

1、Szucs and Belina eXPRESS Polymer Letters Vol.6, No.8 (2012) 672679Rheological and thermal analysis of the filling stage ofinjection moulding注塑填充阶段的流变和热分析A. Szucs*, K. Belina山边之虹译高分子及橡胶技术系，机械工程及自动化，凯奇凯梅特学院学院Izsákiút旁10，H-6000凯奇凯梅特，匈牙利初稿收于2011年10月14日;修订于2012年3月7日接受发表摘要：注射机模腔内流体的流动条件不同于实验室毛细管

2、流变仪中的流动条件。注射成型缝模流变仪（流变模具）的模具设计了一系列狭缝和孔。四个压力传感器安放在模具的固定侧，因此可以在四个不同的的地方测量压力。可变缝模设计在移动端。剪切应力和剪切速率可以从压力梯度和从熔体的流动速率分别计算得出。低密度聚乙烯的流量曲线可以使用巴格利，Rabinowitsch和穆尼方法做出修正。通过Göttfert和哈克毛细血管设备测量结果进行比较来确定该流量曲线。人们发现，这些方法之间的一致性是非常好的。关键词：流变学，注塑成型，模腔压力，模具填充1. 简介对熔融聚合物流变学特性的测定属于聚合物物理学的研究范畴。在注射成型过程中熔体聚合物的真实粘度知识是极其重要

3、的。聚合物的流动是一个复杂的过程，比如塑料的粘度，除了温和压力以为，还取决于分子质量、分子质量分布和变形率。这些因素使得塑料加工变得更加困难。在流经浇口，流道系统和注塑模具薄壁空腔时流体的剪切和拉伸过程是不断变化的，其变形率通常较高。许多实验仪器可以在市场上买到但是只有少数的仪器适和在过程环境中测量聚合物的流动特性。在线挤出测试有很多仪器，但注射成型机几乎不用于流变测试1-6我们研究的主要目的是开发一种在高的变形率的条件下可以测量流变性能的专用注射模具。在研究的第一阶段两个压力传感器放置在标准注射模具中。用它来进行基本的测量和计算。后来设计了螺旋注射模具，并取得了一些成功之后，把它升级为可变的

4、缝模系统。最后，多数重要的参数是可控的。7,8结果的重要性是为了取得可靠的数据用于注射成型过程的模拟。填充模拟可靠性主要取决于以下四个因素7：输入数据，处理参数，软件应用程序和数值模型。特别是，其中的处理参数，流变聚合物熔体的特征对填充仿真的影响最大。2. 理论背景和计算对于一个流变学复杂的流体有两种方法来描述流动行为：连续力学和分子生物学方法。分子方法是相当复杂的，如分子结构和分子运动被认为是描述其中的关系。考虑到材料的连续体，应力 - 应变关系，可以通过基于连续介质力学的理论数学方程计算得出。原则上， 必须指定六个独立的应力分量以完整地描述的应力的状态。然而，在简单的稳态剪切流中，数量少应

5、力成分是必要的。例如，应力成分在一个立方体流道中示于图1，并相应的应力和变形率张量示于公式（1）和公式（2），分别为： （1） （2）其中， 是剪切应力张量， 是剪切速率张量中，x，y和z表示的方向。 是指作用在垂直于z轴和沿z方向上组成平面上的剪切应力。可以使用不同种类的测量系统进行流变测量。大多是简单的剪切流发生在毛细管或狭缝模头之中。在稳态剪切流动中，有不少于3个的独立的材料指标用来计算剪切速率相关的流变意义应力量。这些粘度函数由等式（3-5）：其中 $（·）， 和 被称为材料的功能系数。定义剪切依赖性粘度， 了第一法向应力的功能， 定义第二正常应力函数9。在通过毛细管流变仪的

6、测量中，所述流速（剪切速度）被控制，压力降（剪切应力）得以测定。表观值可以从主数据中计算得出，但为了得到真正有效的功能必须为作出些更正。在计算中，表观值被使用。如果缝模用于由式（6-8）表示，该表观剪切速率，切应力和粘度可以被计算。式（6-8）：其中Q是体积流量，h是高度模具，w为模的宽度，l是流长度， 是压力降 是剪应力， 是剪切速率。为了获得准确的试验结果，该高度与宽度的狭缝模具的比（h/ w）的应接近零（当w>> h时），因为现有的理论公式转换Q和 / l至剪切速率和剪应力，分别基于这样的假设该速度不依赖于横向位置。接近W / H比为零时，边缘对压力的影响可以忽略。在这种区分

7、经校正的剪切速率和剪切应力可以由公式（9-11）计算出。10其中，h是高度和w为模的宽度。是压力降，l是所测量的流长度（等式（10）：其中Q是体积速率，A，B，f为修正因子，n是幂指数（式（11）：一些材料可能打滑模具的壁。图2示出了如果其是光滑状态下的熔融速度分布。使用不同的缝模截面，但相同流动长度，壁滑移的速度可以来确定11。总体积流速（QT）可以由方程（12）计算：体积滑移流速（Qslip）可以由式（13）计算出：其中，vslip是滑移速度。表观剪切速率可以被绘制成函数的1 / h并且壁的滑动速度可以由在等式中描述的曲线的斜率（14）计算出：根据公式（7），压力梯度是流动长度的线性函数。

8、如果它是无效的，则巴格利修法正应适用与此。在模制或挤压工艺中熔化聚合物的粘度非常高，基本上是10.10.000帕·注塑秒之间。由于高粘度，耗散热量和压力的影响是不可忽略的。平均气温上升（）可以由等式（15）来计算：图2熔体流速剖面其中 是压力降， 及是密度，cp是材料的比热。式（15）假设材料与所述模具（壁的模具）之间无交换。在现实情况下，在模具和聚合物熔体之间有一些热传递。这个转移依赖于温度差，因此，改变模具温度有可能影响的热交换率。无量纲数（格雷茨-Nahme-布林克曼值）被用来表征熔融聚合物的热流动的条件。格雷茨数（GZ，等式（16）12相比较在垂直于流动方向上的的传热：其中

9、是材料的密度，CP的具体热容量， 是热传导系数。如果GZ>> 1，在计算中材料温度和进料温度是相同的13。Nahme数（Na，式（17）对比与通过耗散热量的温度的升温影响粘度。其中 是粘度的温度系数。如果Na>1，则耗散热量对粘度有显著的影响。布林克曼数（BR，等式（18）对比于垂直于传热方向的耗散热量：其中， 是进料温度，Twall是空腔的壁的温度。如果Br>1，则功耗是主要的过程，因此该材料的温降可忽略不计。如果模具温度和材料温度是相同的，所述布林克曼-number为无穷。据Laun研究13-14，真正的压力降（允许耗散热量和压力的影响）可以通过等式来计算（19）：

10、（19）在这里 表示无压力的压力损失和温度的影响，是粘度的压力系数， 是可测量的压力差（）。公式（20）代表耗散系数热（ ）（ 代表熔体的传热系数结合所有类型的热损失）。该绝热情况下（绝缘墙）是通过设置=0得到的， 表示的质量流率， 是熔体密度13。3. 实验3.1. 物料TIPOLEN FA2210（蒂萨河化工集团PLC，蒂绍于伊韦罗斯，匈牙利）低密度聚乙烯材料被用于测量。这种材料被推荐用于吹塑成型技术，这样的材料的粘度可以测量剪切力和引起的变形容易期间伸长率。 PE的特征总结在表1中。材料表1.主要性能参数值MFI (190°C; 2,16 kg)0.3 g/10 min密度（2

11、3）0.922 g/cm3最大粘度（190）90 000 Pa·s流动表观活化能31.5 kJ/mol3.2. 测量系统试验中使用了一个阿博格全能270350-70标准注塑机。最重要的机器参数表2中列出。有一些仪器化注塑模具1-5但一个我们自己开发模具与他们的是根本不同的。表2.最重要的机器参数参数值注射速度（Q）590 cm3注射压力（pinjection）1500 bar料温（Tmat）180220°C模具温度（Tmould）30220°C螺杆旋转速度（n）150 mm/s背压（pback）20 bar切换点（sswitch）1 cm3包装时间（tpack）0

12、 s图3.活动板和该系统的附件材料进入模具的中心线从浇口套流进分型面。在活动板侧有可快速更换缝模的系统。熔融的材料从缝模的开端流入从底部流出。三个压力传感器（奇石6157BD）和一个P-T组合传感器（奇石6190A）内置于固定侧。模具的温度由冷却水和加热器共同控制在90。模具的效果图如图3。图4示出了传感器的位置。该金属模具的尺寸列在了表3中。模具的宽度是15毫米。数据处理由LabVIEW编写的程序进行处理。程序在Windows XP操作系统中运行，它可以处理测量出来的压力信号得到流变数值。测量采样率为1ms。对于研究熔体破裂效果，高的采样率是必要的。该电子系统如图5所示。图4.缝模表3.模具

13、的几何尺寸缝模编号123456高（h/mm）234222长（l/mm）808080456580宽（w/mm）151515151515图5.信号传感器系统测得的四个压力曲线和压力差被绘制成与时间的函数曲线，如图6所示。可以看出该模腔的填充有两个不同的阶段。空腔的内部的物质流在第一阶段。压力不断增加直到熔体前沿到达出口点才停止增加。图6.测量压力曲线这个时候熔融聚合物流出自由地并且测得的压力是大致恒定的。这些恒定的压力用于计算中。靠近的p3和p4的压力下降小于前者的压降。这是因为受到了缝模端部的影响。设定每次最少注射3次，如果标准偏差小于5%压力曲线会被记录。平均偏差小于1%。4.结果与讨论4.1

14、流动的研究测量范围为500-9000 1/s。三种不同温度进行了研究。计算出的表观流动曲线示于图7。这些曲线对应于模拟的曲线塑胶原料：增加剪切速率时熔体的粘度减小。横截面的校正表明，表观剪切速率升高（Rabinowitsch校正），和表观剪切应力降低（图8）。图7.横截面的校正的影响图8.计算得出的无壁影响的流量曲效果图9.门尼图门尼校正计算基于模具1,2,3号的测量。结果发现，在门尼线的斜率是负的因此壁板上无滑差（图9）。巴格校正计算基于第4、5和6号的测量（图10）。可以看出，最小的L / H比为15。这是与假设的l/ h值相差甚远（假设接近0），但是线的回归系数在0.98以上。计算出的值

15、汇总于表4。图10.巴格利图(Tmat = 180°C)表4.巴格利图的常量 1/sec巴格利图的斜率 外推压降线性回归R250026517524156990.9878100029071630465520.9877200031800038097220.9874300033500043274690.9873500035700050652460.9870800037800058385930.98681000038900062407610.98661500040800070346500.9864表观值进行校正和实际粘度曲线示于图11。为了进行比较，该材料是由其它两种仪器进行测试。使用哈克e

16、xtrusiometer（米什科尔茨大学）和GöttfertRHEOGRAPH25并关联不同仪器的结果是更加具有说服力的。图11.真实的粘度曲线表5粘度曲线的常数仪器 nHaake297060.250Göttfert303490.246Rheo-mould290910.270方程（21）是适合于所计算出的实际粘度曲线，其中1是没有真正的一个常数物理意义。等式的常数是表5（式（21）中列出。 （21）4.2.通过无量纲量考察热状态计算是由无量纲量做的使用最小的数据（方程16-18）和最大流率。模具与材料温度和缝模的横截面也被改变了。结果总结在表6和表7中。表6.无量纲量（TM

17、 =180）表7.无量纲量（TM =220°C）由此可以看出，该格雷茨数量每次大于100。作为计算Nahme数比1大得多，横热流比轴向热流小得多。然而，它应当强调的是在腔体壁中的冷冻聚合物层的开发影响流动的有效截面。该厚度与压降成正比，压降越大凝固层越厚。根据测量值和计算值（表6，表7），增加模具空腔的高度温度对压力的影响越小则冷冻层对流量的影响越小。由于这种冻层，所述流动横截面必须小，并且它对压降和散热产生影响。施加最薄模具（h= 2毫米）和冷却模具的温度，压力降是最高的。布林克曼数大于1的每设置（除两次测量与模具3 220）。这意味着，耗散热量对粘度的影响比对垂直热传递的影响大。

18、两个传感器之间的测量的压降（），平均温度上升耗散热（），真正的粘度（），由热耗散的粘度降低（），由压力（）和粘度降低校正压力降（）总结在表8中。压力和温度（ ）的影响的计算采用Laun。 和 有很好的相关性。平均差值小于6。这种良好的相关性意味着耗散热量平衡压力对熔体粘度的影响。表8.耗散对熔体压力和热量的影响5.结论设计和制造了一种新型流变测量系统。特殊的注模具可以用来确定流在注射成型过程中的熔融聚合物的曲线。如果模具被加热至处理温度，流量条件是接近绝热的，特别是较高的流速时更为明显。我们发现：如果横截面大于2 mm，模具温度对流动条件是影响较小。6.参考文献1 Clavería

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