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1、注射过程第1页，共31页，编辑于2022年，星期日9.1注射过程简介v注射成型注射成型:是热塑性塑料制品最重要的成型方法v主要设备:柱塞或螺杆式往复注射机,注射模具.塑化好的塑料熔体靠螺杆或柱塞的推力注入闭合的模腔内,经冷却固化成型后,开模得到所需的制品.第2页，共31页，编辑于2022年，星期日v图9-1 典型注射成型设备示意图第3页，共31页，编辑于2022年，星期日v图9-2 注射过程循环示意图第4页，共31页，编辑于2022年，星期日v图9-3 典型注射成型周期的程序图v1柱塞前进时间;2合模时间;3开模时间;4残余压力;vA静置时间;b充模时间;c保压时间;d倒流时间;e封口时间;f
2、封口后冷却时间第5页，共31页，编辑于2022年，星期日v第一阶段第一阶段:合模引料阶段:物料在料筒内加热塑化,模板闭合,物料开始向入模方向移动,但仍未入模腔,模腔内的压力非常低.v第二阶段第二阶段:充模阶段:熔体开始进入模腔内,模内压力逐渐上升.v第三阶段第三阶段:保压阶段:因为喷嘴压力高于模腔压力,所以熔体仍可缓慢进入模腔内,以补充熔体在模内冷却收缩后所用的物料,使制品进一步密实.v第四阶段第四阶段:倒流阶段:由于柱塞后退,柱塞压力立即消失,喷嘴内的压力也迅速下降为0,但此时模腔内的压力要高于流道中的压力,所以浇口内尚未凝固的熔体有可能倒流,直到浇口内熔体凝固为止.第6页，共31页，编辑于
3、2022年，星期日v第五阶段第五阶段:凝封阶段:没有明显的时间间隔,当上述倒流阶段结束后,也就到了凝封时间,这时由于浇口冻结,模内压力不能继续下降.v第六阶段第六阶段:冷却阶段:这一阶段持续到物料的温度下降到非晶性高聚物的玻璃化转变温度或结晶性高聚物的熔融温度,使链段运动冻结起来.v第七阶段第七阶段:开模阶段:残余应力第7页，共31页，编辑于2022年，星期日v 一般注射机及模具的功能区段可分为3个区段:v 塑化段塑化段:同挤出机,物料在其中熔融塑化压缩并向前输送v 注射段注射段:由喷嘴主流道分流道浇口组成,物料在其中的流动如同毛细管流变仪v 充模段充模段:熔体进入模腔后,发生复杂的三维流动以
4、及不稳定传热相变固化等过程.第8页，共31页，编辑于2022年，星期日9-2注射过程流变分析v一.注射段流变过程分析v 类似毛细管流变仪,对于幂律流体,如浇口为圆形圆形,则有:v如浇口为扁孔形扁孔形,则:第9页，共31页，编辑于2022年，星期日v(1)浇口长度Lv 缩短长度,在不增大浇口断面的情况下,提高注射速度.v(2)浇口断面尺寸v 增大尺寸,增大Q,但粘度相应增高v(3)切变速率选择v 切变速率大,粘度影响小v(4)表观粘度:v 降低措施:升高温度,提高切变速率第10页，共31页，编辑于2022年，星期日v二、充模区段的流变分析v1、简化假定和基本方程v 选择几何形状最简单的圆盘形模具
5、和管式流道入口圆盘形模具和管式流道入口进行研究.示意图见下:v图 采用柱坐标系绘出的圆盘形模具和管式流道入口第11页，共31页，编辑于2022年，星期日v 设盘形模具的模腔半径为R*,厚度为Z,壁温保持为T0,浇口在圆盘中心,半径为R0,温度为T1的熔体从浇口注入模腔,并以辐射状从中心向四周流动.v 取柱坐标系,在圆盘中物料沿半径r的方向流动,故r方向为主流动方向为主流动方向,不同z高度流层的流速不同,故z方向是速度梯度方向速度梯度方向,方向为中性方向中性方向.第12页，共31页，编辑于2022年，星期日v假定:v(1)设物料为不可压缩的幂律流体.v(2)物料以蠕动方式充满模腔,设流速只有vr
6、0(v,vz=0),且vr沿z方向的变化率远大于沿r方向的变化率,即v(3)法向应力分量远小于剪切应力分量,重力、惯性力忽略不计.v(4)导热只通过上下板进行,即只在z方向进行,且熔体比热容、密度、导热系数全为常数。第13页，共31页，编辑于2022年，星期日v据此，得到系统的连续性方程：vR方向的运动方程：v能量方程：v其中，为密度，cv熔体定容比热，k为熔体导热系数，p为压力，T为温度。第14页，共31页，编辑于2022年，星期日v 选用幂律方程幂律方程为物料的本构方程：v借助于适当的边界条件，可以求出从中央浇口管的半径R0处到辐射状流动时的流动长度R处（即圆盘的瞬时半径R处）的压力降压力
7、降为：v其中，Q为注射机的体积流量，z为圆盘高度。v此式是在不考虑温度变化温度变化条件下求得的。第15页，共31页，编辑于2022年，星期日v2、充模压力分析v 充模过程中，模腔内的压力降，即从浇口到熔体瞬时前沿的压力降是十分重要的参数，一般，希望压力降越小越好，v 原因：A可减少模塑制品内的冻结应力冻结应力，提高制品的尺寸稳定性v B可降低锁模压力锁模压力，提高安全系数。v 对于冷模更重要。第16页，共31页，编辑于2022年，星期日v图 等温和非等温充模时模腔压力与流量的实测关系第17页，共31页，编辑于2022年，星期日v可见，在等温注射等温注射过程中，压力降压力降几乎与lgQ成正比，与
8、上式描述的规律一致。v 对于非等温充模非等温充模（冷模），曲线存在一最小体积流率Qmin，当QQmin，相当于熔体一进入模腔就全部凝固，流道堵塞，此时熔体压力再高，也不能充模。当QQmin流率很高，瞬间充入的熔体与模壁来不及进行热交换，因此接近等温充模过程。在两种极端情况中间，存在一恰当的流率Qp，与之相对应的模腔压力降为极小值。第18页，共31页，编辑于2022年，星期日v 实际上熔体进入冷模后，贴近模壁的熔体很快凝固，速度锐减，形成冷冻皮层冷冻皮层，使熔体流道宽度Z下降。下图给出的是熔体充满模腔之前的一瞬间，运动着的熔体前沿部分的速度和温度分布。可见，模壁附近范围内熔体速度为0，即冷冷冻皮
9、层的厚度为冻皮层的厚度为Z。第19页，共31页，编辑于2022年，星期日v 实验表明，冷冻皮层的厚度冷冻皮层的厚度Z是充模时间t，模温To，熔体温度Tl，熔体凝固温度Ts及熔体热扩散系数a的函数，有经验公式：v可见，熔体温度越低，模温越低，熔体热扩散系数越大，则Z越厚。v 于是，熔体充模时实际有效流道宽度实际有效流道宽度为：第20页，共31页，编辑于2022年，星期日v 充模时间t等于模腔体积除以体积流率Q：v当熔体充满模腔的一瞬间，R*=R0。假定浇口半径熔体圆盘半径，得到圆盘模腔内熔体压力降熔体压力降的修正公式：v其中，K为稠度，n为幂指数。第21页，共31页，编辑于2022年，星期日v
10、充模过程中希望压力降越小越好。将p对流量Q求导，并令 ，得到模腔内压力降极模腔内压力降极小值小值为：v其中：v或：v即模腔内压力降极小值由三项决定：f（n）为纯数，与物料流动性物料流动性有关；反映了物料的传热性能和流动性传热性能和流动性；第三项G（n）主要取决于模腔的几何参数模腔的几何参数。第22页，共31页，编辑于2022年，星期日v 在物料及模腔的几何参数确定的情况下，决定模腔内压力降的主要因素为 。v 可见，要使pmin尽可能小，可采取的措施有：提高熔体温度和提高模具温度提高熔体温度和提高模具温度，两者均可使C降低，尤其当熔体温度升高后，粘度降低，更有利于注射。v 此外，选择凝固温度低的
11、物料和热扩散系数小凝固温度低的物料和热扩散系数小的物料的物料，均有利于加工。第23页，共31页，编辑于2022年，星期日9.3 注塑制品中的残余应力及分子取向v 由前面已知，从熔体经浇口开始注入模腔时起，模腔内压力开始建立，而后迅速增大，在保压阶段保持高压，一旦流动停止，应力开始松弛，松弛速率取决于卸载后的冷却速率、冷却时间及物料松弛时间的长短。若物料冷却速率高，冷却时间短而松弛时间较长，则冷却后有较多应力被冻结在制品内，称残残余应力或内应力大余应力或内应力大。第24页，共31页，编辑于2022年，星期日v残余应力种类种类：v （1）伴随骤冷淬火产生的骤冷应力骤冷应力v （2）由于制品的几何形
12、状所造成的各部分收缩不均匀而产生的构型体积应变构型体积应变，与（1）可通过热处理消除。v （3）因分子取向被冻结而产生的应力，称冻结分子取向冻结分子取向。第25页，共31页，编辑于2022年，星期日v冻结分子取向产生机理机理：v 进入模腔的物料一般处于高温低剪切状态，但当物料接触到冷模壁后，物料冷凝，致使粘度升高，并在模壁上产生一层不流动的冷冻皮层冷冻皮层。该皮层有绝热绝热作用，使贴近皮层的物料不立即凝固，在剪切应力作用下继续向前流动。若高分子链一端被冻结在皮层内，而另一端仍向前流动，必然造成分子链沿流动方向取向取向，且保压时间越长，分子链取向程度越高。在后来的冷却阶段，这种取向被冻结冻结下来
13、。可见，分子取向冻结大多不发生在制品中心处，而发生在表皮层以下表皮层以下的那层材料中。的那层材料中。第26页，共31页，编辑于2022年，星期日v图 沿注塑制品厚度方向的双折射变化示意图第27页，共31页，编辑于2022年，星期日v影响冻结分子取向的因素因素：v 图 部分注塑过程变量对冻结分子取向的影响第28页，共31页，编辑于2022年，星期日v分子取向对制品物理性能的影响：v图分子取向对PVC注塑制品拉伸性能影响第29页，共31页，编辑于2022年，星期日v本章重点重点：v1、注塑成型过程周期注塑成型过程周期v2、充模压力降如何做到最小、充模压力降如何做到最小v2、冻结分子取向产生机理、冻结分子取向产生机理第30页，共31页，编辑于2022年，星期日v课后作业：v 简述冻结分子取向产生机理。第31页，共31页，编辑于2022年，星期日