动态成型注塑螺杆熔体输送能力的研究

1、动态成型注塑螺杆熔体输送能力的研究-42?现代塑料加工应用2006年第l8卷第6期MODERNPIASFICSPRO(;ESSINGANDAIPLICAT10NS动态成型注塑螺杆熔体输送能力的研究王权瞿金平(华南理工大学聚合物新型成型装备围家丁程研究中心,聚合物成型加工工程教育部重点实验窒,广东广州,510640)*摘要:根据动态注射成型时螺杆的工作特点,采用自行修正的Tanner本构方程研究了聚合物熔体在螺槽中的等温流动.同时,近似地给出了振动力场下注塑螺杆熔体输送能力的表达式,理论分析了振动参数对沿程压力降及动态成型熔体输送能力的影响.结果表明,振动力场使塑化过程中聚合物的粘度降低,流动阻

2、力减小.沿螺槽方向的平均压力降减小,在保持成型条件不变的情况下,施加振动可以提高熔体输送能力.关键词:动态成型螺杆注射熔体输送聚合物StudyonMeltConveyingCapabilityofInjectionScrewinDynamicProcessingWangQuanQuJinping(TheNationalEngineeringResearchCenterofNovelEquipmentforPolymerProcessing,TheKeyLaboratoryofPolymerProcessingEngineeringofMinistryofEducation,SouthChina

3、UniversityofTechnology,Guangzhou,Guangdong,510640)Abstract:Isothermalflowofthepolymermeltinchannelwasdiscussedbasedontheworkprincipleofscrewindynamicprocessingwithself_.mendedTannerconstitutiveequatlons.Atthesametime,theanalyticalsolutiontomeltconveyingcapabilityofinjectionscrewwaspresentedindynamic

4、processingapproximatively.Theeffectsofvibrationparametersonthepressuregradientalongchannelandmeltconveyingcapabilityindynamicprocessingwereanalyzedtheoretically.Theresultsshowthatthepressuregradientalongchanneldropsbecauseoflowerviscosityofthepolymermeltandsmallerflowingresistanceinvibrationforcefie

5、ld.Themeltconveyingcapacityisimprovedinsamemoldingconditionundervibrationforcefield.Keywords:dynamicprocessing;screw;injection;meltingconveying;polymer注射成型是塑料加工成型的主要方法之一,而螺杆往复式注塑机是目前广泛使用的一类注塑机.与挤出机不同的是,在塑化物料时螺杆后退,熔体被送入螺杆头部退让出的料筒空间,达到一定量后螺杆前进充当柱塞将物料经喷嘴注入模具型腔,这一过程螺杆的熔体输送能力即为注塑螺杆的塑化能力,它表征单位时问内螺杆可能提供塑料熔

6、体的最大能力.螺杆塑化能力的大小直接影响注射周期,也影响着注塑机的生产效率.近年来,振动技术广泛地应用于聚合物成型加工uJ.电磁动态成型技术是将电磁场产生的机械振动力场引入到物料塑化,注射,保压全过程,通过螺杆的周期性振动,变传统的纯剪收稿日期:2005¨07;修改稿收到Et期.200608一O1.作者简介:王权,男,l977年生,博士生,主要从事聚合物成型加工理论及设备的研究*该课题属于国家自然科学基金资助项目(10472034).王权等.动态成型注塑螺杆熔体输送能力的研究切稳态塑化,输送机理为动态剪切塑化,输送机理.?.由于螺杆往复式注塑机的塑化原理与挤出机类似,因此,人们通常只

7、借助于挤出螺杆的熔体输送理论来指导注塑螺杆的设计,实际生产中往,庄导致很大偏差.因此,根据注塑螺杆的工作特点,研究动态成型时其熔体输送过程,对于选择合适的加工工艺,优化加工过程有重要意义1物理模型为研究方便将料筒和螺杆分别展开成2个平面,如图1所示.这时可把注塑螺杆计量段中熔体输送过程看成是两平板间的熔体流动.假定螺杆固定不动,料筒相对于螺杆作运动,根据相对运动原理,料筒以垂直螺杆轴向的速度和沿螺杆轴向向前的移动速度V(即为螺杆的后退速度)以及轴向振动速度共同作用于螺槽中的熔体.所以熔体的流动速度可分解为平行于螺纹线方向(方向)的分速度:和垂直于螺纹线方向(方向)的分速度.图1螺杆和料简展开图

8、设料筒的轴向振动位移S为:SAsinwt(1)则轴向振动速度为:V=Awcoswt(2)式中,t为时问,料筒的轴向振动的振幅为,振动角频率为,与振动频率l厂的关系为:=27r,设EA/b(3)/b(4)式中,表示振动强度,则沿方向和z方向的速度可以表示为:一h,一一VIsin01(?cosf+)?ctg0(5)V一Vb+V+V一bcos01+cos+)?tg0Vb一D式中,D表示螺杆直径,0表示螺纹升角.2数学模型(6)为研究方便,作如下假设:(1)螺杆均化段(计量段)的物料已全部熔融;(2)熔体是不可压缩流体,它在螺槽中的流动是连续,稳定,等温的层流流动;(3)熔体沿料筒表面无滑移现象;(4

9、)忽略熔体重力等惯性力的影响.也不汁螺纹侧面及曲率的影响;(5)螺杆头部存料区熔体压力的大小等于螺杆的背压;(6)螺杆静止不动,料筒相对螺杆运动(即一边转动一边振动前移).2.1沿垂直于螺纹线方向的速度分布横流是熔体垂直于螺槽方向(方向)的流动,它是由和以及的合速度在螺棱垂直方向的分速度所引起的,它使物料产生翻转运动,形成环流,促使物料混合,搅拌和热交换,有利于物料的均化和塑化,对于熔体的输送能力没有影响.选用Tanner本构方程:+鲁一(7)式中,为在面上沿方向的剪切应力;为物料方向速度;为剪切速率;为松弛时间.根据假设条件,对Tanner本构方程修正,用名义剪切速率来近似处理,且令r/0一

10、K(/H)”一,式中是为稠度,为非牛顿指数.考虑到边界条件,并解微分方程则可得:,一一×21+(?coswt+).灯a_2_P+a)(yz_Hy)+(8)式中,H为螺槽深.因为横流对输送能力没有影响,熔体只是沿垂直于螺棱方向作环行流动,所以可得方向流率能力Q一0,联立式(8),可得:一bsin一wACOS一Vcos0一Hyr,aHy一2)(9)根据式(9)可以得出,沿方向的速度随着现代塑料加工应用2006年12月振动强度的增大在平衡位置上的混合,均化作用越强.而且在一2H/3处,一0,这就意味着该点的熔料质点理论上处于”稳定不动”的状态,根据式(9)亦可知,在振动力场作用下,由于振动

11、速度的引入在该点速度的脉动,可以有效提高该”死点”的混合情况.因此,在同等的成型条件下,施加振动比未施加振动注射螺杆的混合,搅拌,均化作用都要好.2.2熔体输送能力根据假设条件,选用Tanner本构方程,按如上进行修正,可以得到z方向的方程,考虑边界条件并积分沿螺槽方向的速度:为:一×2rbE1+(?cost+f)jT(馨+.一Hy)+(1O)当不考虑注射螺杆与料简之间的间隙所产生的漏流时,则螺杆计量段的熔体输送能力Q通过式(1O)积分可得:Q一×(+)(11)式中,w为螺槽宽.由式(11)可见,沿螺槽方向的体积流率由2项组成:第一项是料筒拖曳螺槽内的熔体沿着螺槽方向的正向

12、流动,即正流,亦称拖曳流,拖曳流与熔体粘度和压力梯度无关,与料筒的速度有关,即决定于螺杆的转速和后退速度以及振动速度;第二项是由压力梯度造成的反向流动,即反流,亦称压力流.由于塑化物料时螺杆端部的背压,所以在沿螺槽方向会产生一部分压力反流,从而减小输送流率.压力流与粘度和压力梯度有关,粘度越小或压力梯度越大,都将导致反流增加.这里假定塑化流率随螺杆轴向振动产生周期性脉动,设Q()一西(1+e?COS叫)(12)脉动量为Qecost,Q为平均流率.将(12)式代入(11)式中,无量纲化处理可知沿螺槽方向压力梯度是时间的余弦函数,但与振动源有相位差,相位角只取决于松弛时间.压力梯度跟螺杆的几何参数

13、,加工的工艺条件以及物料的性能有关.3实例计算及分析螺杆直径(D)30mrtl,螺纹升角(0)17.65.,螺槽深(H)2.5mill,螺槽宽(W)27mm,熔融段螺杆长(L)190rflm.材料为低密度聚乙烯(LDPE),广东茂名石化乙烯工业公司,牌号为951-050.熔体流动速率1.72g/10min,密度0.92g/cm,稠度8.7×10.(N-s/m),非牛顿指数”为0.41.在作定量分析中,进行无量纲化作图.从图2中可以看出,随着振动强度的增大,压力降的幅值增大,但平均值减小.这是因为在塑化过程中引入振动力场就是在通常剪切流上叠加一个振动剪切场,强化剪切作用.由于剪切使聚合

14、物熔体变稀.流动性提高,所以引入振动力场带来的直接影响是表观粘度的下降,从而熔体为克服流动阻力而需要增加的压力减小,故而压力梯度也就下降了.5?04.54.0墨._3.02.52.0:t图2E为参数的螺杆沿程压力梯度与时间关系注:00.2,A_-0.】从图3中可以看出,当松弛时间增大时,压力梯度的响应滞后,但压力梯度的幅值减小了.图3为参数的螺杆沿程压力梯度与时间关系注:Q一0.2,=0.4.对于公式(11),W一(丌Dte)cosO,当e=rDtgO时,可以略去e的影响.考虑到计量段出口处压力P.即为螺杆头部的熔体压力,其大小由螺杆背压P所决定,通常可认为P.一P.当420864208644

15、4433333222王权等.动态成型注塑螺杆熔体输送能力的研究?45?P:Pt,时,P为计量段入口处压力,因此注塑可以提高塑化能力.螺杆汁量段的熔体输送能力可写成如下形式:Q一一4嬉论=(DNr【)sO+VnO+V一7rDHasina0-PLl_z(1s)121+(s?cost+e)一由式(13)作平均输送能力图,见图4.唇-0转速n/(r?s-1)图4不同振幅时螺杆的塑化特性注:f-10Hz.Pt一2MPa.由图4可知,同一振动条件下,随着螺杆转速的提高,螺杆的塑化能力显着增大.在保持螺杆转速不变的情况下,大振幅条件下,螺杆的塑化能力比未施加振动时有一定程度的提高.在保持塑化能力Q不变的情况

16、下,增大振幅螺杆的转速减小.因此,在相同的螺杆转速下,增大振动强度可以提高螺杆的塑化能力.在保持振动强度不变时,随着背压的增大,螺杆的塑化能力下降;在保持塑化能力Q不变的情况下,振动强度越大,所需的背压就越小,也就是说在保持背压不变的情况下,增大振动强度零零零零拳浮零;零g零苫每;易加工透明包装PP新牌号据”EuropeanPlasticsNews,2006,33(7):20”报道,Borealis(北欧化工)公司新推出医用密封包装聚丙烯(PP)牌号BormedTD109CF.该高透明性树脂具有下列特点:良好的加lI忡,可溶性和可萃取物少,纯度高,高耐环境应力开裂(ESCR),容易加工,耐12

17、1高温杀菌.这些性能优点使其适合许多应用,如蒸煮袋,灌宽密封膜(FFS),医用包装盖用密封层膜和(药片)泡罩包装罩膜.BormedTD109CF密封温度范围宽达35.C,故与其他材料生产共挤出膜时产量高,并可作为不同密封包装的内衬膜材料,不需渊节原有工艺条件,操作方便.另外,由=F该牌号起始密封温度低(103105),成型时间短,挤出加_T线速度高.燃油系统用耐泄漏纳米粘土配混料据”PlasticsEngineering,2006,62(8):8”报道,美国a)振动力场使塑化过程中聚合物的粘度降低,减小流动阻力.所以在保持塑化产量不变的情况下,增加振动强度将导致沿螺槽方向压力降减小.h)在保持

18、塑化产量不变时,振动强度越大,所需的背压就越小,即在保持成型条件不变的情况下,增大振动强度可以提高塑化能力.参考文献1QuJinping,HeGuan鲫ian,HeHezhi,eta1.Effectofthevibrationshearflowfieldincapillarydynamicrheometeronthecrystallizationbehaviorofpolypropylene.EuropeanPolymerJournal,2004(40):l84918552LiYoubing,ShenKaizhi.Structureandpropertiesofpolyethylenepreparedvialowfrequencyvibration-assistedinjeetionmolding.JournalofPolymerScience,2005,1(43):13213瞿金平着.聚合物动态塑化成型加工理论与技术下卷(技术篇)北京;科学出版社,2005:3863904吴宏武,瞿金平.电磁动态塑料注射成型技术的研究.商分子材