4-2热塑性塑料注射成型过程分析

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Polymer Processing Engineering
Beijing University of Chemical Technology
《聚合物加工工程》
第四章 注射成型（Injection Molding）
第一节 注射成型概述（录像） 第二节 热塑性塑料注射成型过程分析 第三节 注射成型工艺
第四章 注射成型（Injection Molding）
第二节：热塑性塑料注射成型过程分析
一、塑化过程 二、注射过程流体的流动 三、模塑过程压力的变化 四、注射成型过程中聚合物的取向、结晶及内应力
第二节 热塑性塑料注射成型过程分析
聚合物的注射成型： 塑化熔融、注射充模和冷却定型三个基本过程。
第二节 热塑性塑料注射成型过程分析 注射充模流动行程： 机筒计量室→喷嘴→模具主流道→模具分流道→浇口 →模具型腔
浇口
喷嘴
第二节 热塑性塑料注射成型过程分析
一、塑化过程 1、塑化过程及其要求 塑化过程：指聚合物在料筒内经加热由固态 转化为熔融态熔体的过程。 塑化过程要求： 使物料获得完全的熔融、充分的混合，达到 规定的成型温度，并且温度分布均匀。
第二节 热塑性塑料注射成型过程分析 一、塑化过程 2、塑化过程影响因素 （1）设备因素
1—螺杆式注射机（剪切强烈） 2—螺杆式注射机（剪切较平缓） 3—柱塞式注射机（靠近料筒） 4—柱塞式注射机（中心部分） 注射机料筒内物料升温曲线
第二节 热塑性塑料注射成型过程分析 一、塑化过程 （2）工艺因素 a. 螺杆转速： n↑ 物料的输送量大，但易使 物料塑化不均匀。n的取值要与背压相配合。 b. 塑化压力（背压） 采用螺杆式注射机时，螺杆顶部熔料在螺 杆转动后退时所受的压力称为塑化压力， 亦称背压，其大小可通过螺杆后部的液压 系统调整。
第二节 热塑性塑料注射成型过程分析 一、塑化过程
表 n转/分 66 66 129 129 HDPE（MI=3.5）215℃塑化时n、背压、Ta及t的数据 背压MPa 0 有背压 0 有背压
熔体平均温度℃
塑化时间（秒） 14 33 10 20
240 255 240 255
要提高熔体温度，增加背压比提高螺杆转速更为有效。
第二节 热塑性塑料注射成型过程分析 一、塑化过程 b. 塑化压力（背压） 热敏性塑料（PVC 、POM等） 塑化压力应尽可能地低，缩短塑料在料筒中的 停留时间，减小热分解的可能性。 熔体粘度很低的塑料（PET、PA等） 过高的塑化压力会增加物料在螺杆中的漏流和 逆流，使塑化效率急剧下降。
第二节 热塑性塑料注射成型过程分析
一、塑化过程 热稳定性好的塑料（PE

、PP、PS等） 可适当提高塑化压力，以增加熔体的均匀性， 虽然塑化效率会下降，但可通过提高螺杆转 速来补偿。
第二节 热塑性塑料注射成型过程分析 一、塑化过程 c．料筒温度 料筒加热是为了使物料塑化并流动，但又不能产生 热分解。因此，料筒温度应控制在流动温度（Tf或 Tm）～热分解温度（Td），在此温度范围内，根据 不同情况可选较低或较高值。
第二节 热塑性塑料注射成型过程分析 一、塑化过程 Tf or Tm ～Td 窄的塑料（PVC、POM等） 为减小分解，料筒温度应取低些 Tf or Tm～Td范围宽的塑料（PE、PS等） 料筒温度可取高些，以强化塑化
第二节 热塑性塑料注射成型过程分析 一、塑化过程 分子链结构较刚性的塑料（ PC、PMMA、PA66 等），料筒温度宜取高限。 薄壁、结构复杂、长流程、带金属嵌件的制品， 因充模困难，料筒温度宜高些。
第二节 热塑性塑料注射成型过程分析 二、注射过程流体的流动 注射过程： 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 模腔的阶段。
第二节 热塑性塑料注射成型过程分析 二、注射过程流体的流动 1、物料通过料筒、主和分流道的流动相当于 在圆管和锥管中的流动。
第二节 热塑性塑料注射成型过程分析 2、熔体在喷嘴中的流动 计算喷嘴中的压力损失
L2
式中：R 喷嘴半径 qv 熔体的体积流量 L2 喷嘴的长度
第二节 热塑性塑料注射成型过程分析
熔体在喷嘴中的温度变化 注射压力越高，温升越快。
第二节 热塑性塑料注射成型过程分析 二、注射过程流体的流动
3、熔体在模腔内的充模流动 （1）熔体在模腔内的充模流动类型 熔体的充模过程：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。有两种充模形式： 快速充模； 慢速充模：
第二节 热塑性塑料注射成型过程分析 二、注射过程流体的流动 3、熔体在模腔内的充模流动
充模类型 慢速充模 熔体自浇口向模腔底部逐渐扩展，能顺利排出空气，制品质量较均匀。 但过慢的速度会延长充模时间，使熔体在流道中冷却降温，并出现分层 和结合不好的熔接痕，影响制品的质量。
第二节 热塑性塑料注射成型过程分析
二、注射过程流体的流动 3、熔体在模腔内的充模流动 充模类型
快速充模 熔体流首先射向对壁，由于模底先被熔体充满，模内空气无法排出而 被压缩，使制品质量不均匀，内应力也较大，表面常有裂纹。
第二节 热塑性塑料注射成型过程分析 二、注射过程流体的流动 3、熔体在模腔内的充模

流动 （2）熔体流的逐渐推进充模过程
充模时熔体前缘变化的各阶段 1—开始阶段；2—过渡阶段；3—主阶段
第二节 热塑性塑料注射成型过程分析 二、注射过程流体的流动 3、熔体在模腔内的充模流动 （2）熔体流的逐渐推进充模过程 熔体从浇口处向模腔底部以层流方式推进时，形成扩 展流动前峰波的形状可分成三个典型阶段：熔体流前 缘呈圆弧形的初始阶段；前缘从圆弧渐变为直线的过 渡阶段；前缘呈直线移动的主流充满模腔阶段。
第二节 热塑性塑料注射成型过程分析
第二节 热塑性塑料注射成型过程分析
矩形模
圆片模
熔体充模流动的速度和应力分布
第二节 热塑性塑料注射成型过程分析
(3) 熔体流的前缘形状及其速度分布
第二节 热塑性塑料注射成型过程分析 二、注射过程流体的流动 （4）充模流动长度 a.实验测定
流长比的概念：长度/厚度
第二节 热塑性塑料注射成型过程分析 二、注射过程流体的流动 b. 影响充模长度的因素 (a)温度 料筒温度 充模长度 ；模具温度 ，
因有热屏障，充模长度增加幅度不大。
表1、料筒温度每升高1度物料流动长度的增加值
聚合物 增加值， cm PS 0.63 ~ 0.90 抗冲PS 0.54 ~ 0.60 ABS 0.27 ~ 0.36 PMMA LDPE 0.60~ 0.85 0.34 ~ 0.44 HDPE 0.36~ 0.60
第二节 热塑性塑料注射成型过程分析
模 具 温 度
第二节 热塑性塑料注射成型过程分析 二、注射过程流体的流动 (b)注射压力 P , 充模长度
注 射 压 力
第二节 热塑性塑料注射成型过程分析
二、注射过程流体的流动 (c)注射速度V ,充模长度 (d)模具结构 横截面积增大 充模长度增加 (e)高分子结构 分子量增大，充模长度缩短； Tm ,充模长度 , 因易凝固。
第二节 热塑性塑料注射成型过程分析 二、注射过程流体的流动 3、熔体在模腔内的充模流动 （5）熔体遇到障碍物时的充模流动 障碍物较好的断面形状是菱形，因为绕 过菱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。
第二节 热塑性塑料注射成型过程分析
三、模塑过程压力的变化 1、充模中的压力测量 在料筒前端、喷嘴、模腔流道的始端与模腔流道的末端 分别安装有压力传感器，则可以测量出在充模过程中任 何时间各点压力的变化情况，然后绘制成曲线。
第二节 热塑性塑料注射成型过程分析 三、模塑过程压力的变化 浇口
第二节 热塑性塑料注射成型过程分析 三、模塑过程压力的变化 2、充模中的压力变化
注射充模周期图： 1—计量室中的压力（注射压力）曲线； 2—喷嘴末端的压力曲线； 3—浇口流道末端

或模腔流道起始处 的压力曲线； 4—型腔末端压力曲线
第二节 热塑性塑料注射成型过程分析 三、模塑过程压力的变化 2、充模中的压力变化 分析浇口末端的压力曲线： 0～t A：起始阶段，即熔 体从计量室流入模具浇口之 前的压力曲线。 t A ～t B：充模阶段，即熔 体从开始进入模腔到模腔刚 刚被充满时的压力曲线。
第二节 热塑性塑料注射成型过程分析 三、模塑过程压力的变化 2、充模中的压力变化 tB～tC:压实阶段，即从模腔 被充满后到模腔内压力达到 最大值之前的压力曲线。 tC～tD：保压阶段，即从模 腔压力达到最大值到螺杆开 始后退之前的压力曲线。
第二节 热塑性塑料注射成型过程分析 三、模塑过程压力的变化 2、充模中的压力变化 tD～tE：倒流阶段 tD以后，螺杆回移，喷嘴压 力迅速下降到零，这时模 腔内的聚合物熔体压力高 于流道，出现倒流现象,倒 流要持续到浇口内的熔体 凝固为止。浇口凝封时模 内压力称为封口压力PE。
第二节 热塑性塑料注射成型过程分析 三、模塑过程压力的变化 2、充模中的压力变化 tE～tF：冷却定型阶段，即 从浇口凝封到打开模具之 前的压力曲线。 浇口内的物料逐渐冷却， 到tF后，模具被打开，但模 腔内还保持有一定压力， 这压力称为残余压力。
第二节 热塑性塑料注射成型过程分析
四、模塑过程的影响因素 1、注射压力和充模时间 注射压力 柱塞式注射机的注射压力明显应高于螺杆式注射机； 熔体粘度越大、制品形状及精度要求高的塑料需要 用较高的注射压力。
第二节 热塑性塑料注射成型过程分析 四、模塑过程的影响因素 1、注射压力和充模时间 充模时间（一般是3～5s） 注射速率越快，充模时间就越短，对于熔体粘 度高、冷却速率快的制品，应采用快速充模， 以减少充模时间。
第二节 热塑性塑料注射成型过程分析 四、模塑过程的影响因素 2、保压压力和保压时间 保压压力 保压压力高，补料多，这不仅使制品增密、成型 收缩率低，而且能促进制品内各部分熔体更好的 熔合，有利于提高制品的力学强度。但在较高的 外压条件下冷却时，聚合物分子将产生较大的高 弹形变，故制品中的取向程度和内应力都较大。
第二节 热塑性塑料注射成型过程分析 四、模塑过程的影响因素 2、保压压力和保压时间 保压时间: 指柱塞或螺杆停留在前进位置并对模 腔内塑料压实的时间。 注射时间：包括充模时间和保压时间，而保压时 间在整个注射时间中占的比例较大， 主要取决于制品的复杂程度。 形状简单的小制件：保压时间可短到几秒； 特别厚的大制件：保压时

间可高达5～10min
第二节 热塑性塑料注射成型过程分析
四、模塑过程的影响因素 2、保压压力和保压时间 保压时间与料温、模温、流道及浇口大小有关。 通常以制品收缩率波动范围最小为保压时间的最佳值。 因为如果保压时间过长，模腔中的剩余压力就比较大， 以致脱模困难。此外，制品中的取向程度也随保压时间 延长而提高。
第二节 热塑性塑料注射成型过程分析 四、模塑过程的影响因素 3、模具温度和冷却时间 （1）模具温度 模具温度对制品的内在性能和表观质量影响很大。 原则上，模具温度应在塑料的玻璃化温度或热变形 温度以下，以使塑料冷却定型。
第二节 热塑性塑料注射成型过程分析
四、模塑过程的影响因素 3、模具温度和冷却时间 无定形塑料 模温主要影响熔体的粘度，也就是影响充模速率。 熔体粘度低、模具结构简单，充模容易，可采用 低模温；反之，采用高模温。
第二节 热塑性塑料注射成型过程分析 四、模塑过程的影响因素 3、模具温度和冷却时间 结晶性塑料： 模温影响制品的结晶度和结晶构型。两种控制方法： 模温高、冷却速率小 塑料在其最大结晶区域停留时间长，制品的结晶度 高，球晶尺寸大且较稳定。但过高的结晶度和球晶 尺寸易使制品发脆。因此，高模温适合于生产结晶 速率很低的塑料，如PET等。
第二节 热塑性塑料注射成型过程分析 四、模塑过程的影响因素 3、模具温度和冷却时间 模温低，冷却速度快 制品结晶度低，结晶构型不稳定，物理-机械性能差。 对聚烯烃等玻璃化温度低于室温的塑料，还可能在 存放过程中出现后期结晶，而引起制品的后收缩和 性能变化。
第二节 热塑性塑料注射成型过程分析 四、模塑过程的影响因素 3、模具温度和冷却时间 （2）冷却时间 冷却时间主要取决于制品的厚度、塑料的热性能、结 晶性能和模具温度等。足够的冷却时间的设定应以保 证制品脱模时，不引起变形为原则，一般冷却时间在 30～120s。
第二节 热塑性塑料注射成型过程分析 五、注射成型中聚合物的取向、结晶及内应力 1、聚合物的取向 取向的机理 取向的类型
第二节 热塑性塑料注射成型过程分析 五、注射成型中聚合物的取向、结晶及内应力 充 模 过 程 中 聚 合 物 的 取 向
第二节 热塑性塑料注射成型过程分析 五、注射成型中聚合物的取向、结晶及内应力
第二节 热塑性塑料注射成型过程分析 五、注射成型中聚合物的取向、结晶及内应力 2、聚合物的结晶 充模过程中结晶的形成： 充模过程开始，高聚物熔体进入了壁温低的冷 模腔中，结晶先在模

壁旁开始，然后在注塑物 的内层进行。 模壁和模内的温度不同导致结晶结构有差异。 熔体在模壁和模内受到的作用力不同结晶结构 也有差异。
第二节 热塑性塑料注射成型过程分析 五、注射成型中聚合物的取向、结晶及内应力 3、注射成型制品的内应力 内应力的形成： 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： 温度梯度产生的体积温差内应力。 分子解取向受到阻滞而产生的取向应力。 结晶聚合物产生的内应力。 由金属嵌件和脱模顶出时产生的内应力。
第二节 热塑性塑料注射成型过程分析
五、注射成型中聚合物的取向、结晶及内应力
可见，由于不同的原因，形成了各种可能的内应力，其 中温差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。 消除内应力的措施 注射制品可通过热处理消除内应力.
第二节 热塑性塑料注射成型过程分析
The End

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