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， 但在高背压下塑
6、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这一
7、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，引起很大
8、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/sR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,这样，柱塞
9、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，其表观
10、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的变化。
11、 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、 熔体温度、 熔
12、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充模。/
13、,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，前缘呈直线移动，
14、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.,。,图3-
15、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： 根据熔体流动
16、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
17、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。/,42,影响保压效果的因素：,浇口处的压力决定模腔所能达到的最大压力。 充模结束时熔体的流动性决定压力向远离浇口处传递的难易。,可见：P注射、喷嘴及浇道处阻力，有利于P浇口； T熔体 T模具 V注射 模腔 有利于改善模腔内的压
18、力传递。 /,43,一是模腔充满后，料筒前端仍有一定量的熔体， 二是从料筒到模腔的通道允许熔体通过（即浇道系统尚未凝封）。 影响保压补料效果的主要因素是模腔内压力（称保压压力或二次注射压力）和保压时间。/,实现保压补料的必要条件是：,44,保压时间对保压补料效果、凝封压力和冷却定型有较明显的影响。,用柱塞式注射机和较大浇口模具成型PS匣形制品，加工温度为254，注射压力112MPa，在其它条件不变下，改变保压时间所得制品的质量、收缩率、凝封压力和模腔压力为零时的时间数据如表37所示。,45,如果在保压期内补料过量，那么当浇口凝封时，模腔中的残余压力就比较大，以致使脱模困难。 此外，制品中的取向
19、程度也随保压时间延长而提高。,46,如果在保压期内补料过量，那么当浇口凝封时，模腔中的残余压力就比较大，以致使脱模困难。 此外，制品中的取向程度也随保压时间延长而提高。/,图：保压时间对模腔压力的影响 注射温度254；注射压力112.5 Mpa 保压时间D1D5分别为15s、27s、39s、413s、517s,如果保压时间大于17s或者模具浇口的截面积过大，以致在整个制品凝固之后浇口才凝固，则压力曲线为图347的虚线所示；,47,从图看到，保压终止点为D1D5，在这些点之后，模腔压力迅速下降值至15点，浇口基本凝封，倒流停止， 随后的压力降低是由于聚合物冷却收缩而引起的。 15点所对应的压力称
20、为封口压力，从图347看出，封口压力随保压时间的变化趋势呈现为一条曲线。/,图3-47 保压时间对模腔压力的影响 注射温度254；注射压力112.5 MPa；保压时间D1D5分别为15s、27s、39s、413s、517s,48,6.4.5、倒流与冷却定型过程及分析,6.4.5.1熔体的倒流 保压阶段结束后，螺杆或柱塞要后退，这时模腔中熔体就要倒流。 原因：在浇口冷凝之前，就解除模腔的外压。 过程：外压解除模内压高于外压倒流内压下降流速下降浇口熔体冷却凝封。 /,49,6.4.5.2浇口冻结后的冷却,曲线2和曲线3的区别在于前者的保压时间为C2D2，后者延长到C2D3。 D点时保压期结束,柱塞
21、或螺杆后退，随之出现倒流引起模内压力沿DE下降，E为凝封点。 凝封点之后模腔内的物料量不再改变，即比容为定值，故温度和压力沿EF呈直线下降。/,曲线1是在模腔压力较低的情况下压实而且浇口凝封发生在柱塞或螺杆后退之前，即外压解除后无熔体倒流。,50,由此不难看出，制品的密度在很大程度上由凝封时模腔内的温度和压力决定的。 制品的密度或质量一般随凝封时压力的增大而增加。/,保压时间短，则聚合物的凝封温度高，凝封的模腔压力就低，所得制品的密度也就小。,51,在冷却过程中，温度降到Tg(或热变形温度)以下，压力下降到与大气压平衡（即模内残余压力pE=0）时，才是。,制品脱模和抽芯的最佳条件：,重要标志：
22、,pE=0若出现在冷却过程初期，则模腔内凝固层较薄，无足够强度抵抗随后因内部冷却收缩而出现负压，制品表面将出现凹痕； pE=0若在冷却过程中期出现，内部未凝熔体会在足够厚外表壳层拉应力作用下而产生缩孔； pE=0只有在冷却过程后期，制品内外都已凝固，才不致发生上述的缺陷。/,残余压力为零是冷却过程结束。,52,但如果pE过小，制品在有型芯情况下，由于冷却收缩，会在型芯上产生收缩应力，同样会造成脱模时制品断裂或严重刮伤。 残余压力在制品脱模时有一个范围，即在图中 Tg、T、pEpE围成的方块区域，构成了较佳的脱模条件区域。/,图：一个注射周期中压力与温度之间的关系,控制残余压力为零是很重要的，可
23、以利用温度-压力关系图确定开模条件。 制品脱模时温度必须低于 Tg，而模温又为 T，脱模温度范围一定是 TTg之间。 如果pE过大，制品在顶出时会发生应力断裂或表面严重损伤。,53,塑料热扩散系数、制品壁厚、 熔体温度、 模具温度 制品取出时所允许最高温度（Tg或热变形温度）等,式中：t最短冷却时间，S制品厚度，cm聚合物热扩散速率，cm2/sT2制品脱模温度，T模具温度T1模腔内熔体的平均温度，/,制品在模具中所必须的最短冷却时间,在给定模温下，制品在模腔中的冷却时间可用下面公式估算：,54,在估算最短冷却时间时， 应注意壁很厚的制品并不要求在脱模前内外全部凝固，而只需外部凝固层厚度能保证顶
24、出时有足够的刚度即可。 对壁很薄的制品，应注意充模时较高程度的大分子取向对其热变形温度的影响，而熔体的冷凝大部分发生在充模时间内。/,55,凝封压力和温度对制品的性能有很大的影响， 通常可以用改变保压时间来调节这两个参数，以此来改善制品的性能。/,综上所述,56,在注射过程中，由于应力与温度梯度的存在，使制品在冷却时或冷却后，各个局部仍存在不同的应力状态， 使制品内部材料分别受到伸缩或剪切作用。在成型后制品内部分子间仍然存在的应力就是内应力。 注射制品存在内应力是较普遍的，它影响制品的力学、使用性能，会使制品发生翘曲和在外界环境应力和腐蚀介质作用下开裂。/,6.4.5.3 注射成型制品的内应力
25、,57,a内应力的产生,一是由于温度梯度产生的体积温差应力。 二是由于分子解取向受到阻滞而产生的取向应力。 三是结晶聚合物产生的内应力。 四是由金属嵌件和脱模顶出时产生的内应力。 可见，由于不同的原因，形成了各种可能的内应力，其中温度应力和取向应力是最重要的两种，它对制品的物理力学性能的影响最大。/,在注射成型过程中，制品内应力的产生可能来自以下几个方面：,58,b影响内应力的因素,温度应力产生于充模时熔体与模壁的巨大温差，材料冷凝收缩先后不同，当内层熔料不断冷却时，不能自由收缩，就产生了拉伸应力，而壳层处则相应产生压缩应力。 在浇口尚未凝封的保压期间进行补料，可使已凝固的表层受到拉伸，即在其
26、中产生拉伸应力。 若拉伸应力能与由温度差产生的压缩应力抵消，则与冷却、冷凝有关的温度应力有可能消失。/,(a）温度应力的影响因素,59,如果模腔内压力较低，或者保压时间较短，上述拉伸应力不足以抵消压缩应力，那么温度应力就会保留在制品内。 由此可见，注射过程中，增大模内压力、延长保压时间是有助缓解成型制品的温度应力的。/,60,（b）取向应力的影响因素,熔体温度： 熔体温度高、粘度低，剪切应力降低、取向度减小。同时，由于熔体温度高会使应力松弛加快，解取向作用加强。/,取向应力产生于分子解取向受到阻碍.由分子链取向形成的. 影响取向应力的因素有：,61,制品厚度：取向应力随注射制品厚度增加而降低，
27、因为厚壁制品冷却缓慢，可以有比较长的解取向时间； 模具温度：模具温度提高有利于取向应力减少，由于塑料件内的大分子链取向构象主要集中在制品外层和浇口附近，因此，薄壁长流程制品外层和浇口附近将产生较大的取向应力。/,保压时间：延长保压时间可使取向应力不断增大，,62,C用热处理方法降低与消除内应力,通过热处理可以使高聚物分子由不平衡构象向平衡构象转变， 使强迫冻结处于不稳定的高弹形变获得能量而进行热松弛，从而降低或基本上消除内应力。/,对于分子链刚性较大、Tg较高的聚合物， 对于壁厚不均匀性较大、或带有金属嵌件的制品， 对使用温度范围较宽和尺寸精度要求较高的制品等,在加工过程中很容易产生内应力又难
28、以消除,在注射成型后都必须 而且可能通过热处理 方法消除或减小内应力,63,6.4.6. 制件的后处理,6.4.6.1热处理 塑料在料筒内可能塑化不均匀或在型腔内冷却速度有差异，发生不均匀结晶、取向、收缩，从而使制品存有内应力，致使制品在贮存和使用过程中产生变形和裂纹，为此，对制品进行适当热处理（退火处理）是必要的。 制品的热处理条件见表310。/,注射制品经脱模或机械加工后，常需要进行适当的后处理，以改善和提高制件的性能及尺寸的稳定性。制件的后处理主要指热处理和调湿处理。,64,65,6.4.6.2调湿处理,对于PA类塑料制品，在高温下与空气接触时常会氧化变色，在空气中使用或存放时又易于吸收
29、水分而膨胀，需要较长时间后才能得到稳定的尺寸。 如果将刚脱模的制品放在热水或醋酸钾水溶液（沸点121）中进行处理，不仅可隔绝空气进行防止氧化的退火，而且同时还可以缩短达到吸湿平衡的时间，故称为调湿处理。 少量水分对PA起着软化剂的作用，可提高制品的挠曲性和韧性，使冲击、拉伸强度均有所提高。 调湿处理的时间随PA塑料的品种、制件形状、厚度及结晶度大小而定。/,66,作业与思考:,6、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 ？ 7、为什么当浇口截面积增大超过极限值之后，反而会使体积流率下降? 8、注射成型时，快速充模与慢速充模各有什么利弊？ 9、分析注射制品表面有时出现小波纹的原因，解决的办法？ 10、注射成型保压的作用？实现保压补料的必要条件是什么？/,5. 塑料熔体进入模腔内的流动情况可分为哪几个阶段? 简述压力、塑料温度、柱塞或螺杆位置随时间变化的关系。,
