高分子材料流变学8注射成型过程的流变分析

残余应力———高聚物熔体经冷却后仍保留在
其中的应力(制品本身的静压与
大气压之间的差值)。
3．残余应力
注塑制品中的残余应力可分为三类： ①伴随骤冷淬火而产生的骤冷应力； ②由于收缩不匀产生的构型体积应变； ③在分子取向中冻结了的应力，“冻结分子取向” 。
取向——在外力场作用下，高分子链沿外力场 方向作某种方式和某种程度的平行排 列。
p
2 K Q nR 1n
Z 12n ef f
1 n
1
n
Z
2 K Q nR 1n
1
2n
1
2
C
Q
R2 Z2
1 3
1 2n
(8 9)
充模过程中希望腔内压力降越小越好。将 p对
流量Q求导，令 p 0，得到模腔内压力降极小值为： Q
p min
f
n
K
C
3
n
nR
Z 1
1n 4n
式中
f
n
2 3n 1 1 n
2．充模过程中应力的建立
熔体注入模腔时，压力(也即应力)开始建立。 熔体充满型腔时，压力达到最大值，保压阶段维持 高压。
熔体一旦停止流动，应力松弛便开始。应力松 弛的程度取决于卸载阶段的冷却速率、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，就会在制品中造成较多的应 力冻结，称为残余应力或内应力。
二、简化假定和基本方程
设圆盘形模具的半径为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 体从浇口注入模腔以辐射状从中心向四周流动。
取柱坐标系， 在圆盘中物料沿半 径r方向流动，不同 z高度流层的流速不 同，故z方向为速度 梯度方向。
为了讨论方便，作如下假定：
(1) 不可压缩的幂律流体
一、注射成型过程简介
★注射成型是热塑性塑料的主要成型方法。 ★注射成型所用的设备是注射机。 ★注射过程由一个主循环和两个辅助工序组成。
合模装置一次工作循环 注射装置一次工作循环
模板开始闭合 正式闭模
模板开始开启 正式开模
注射 保压 冷却预塑
温度、压力、时间是注射成型过程的三个主要变量。
主循环(七个阶段)
子量、配合剂的种类和用量；
(2)改进模具设计(改进结构) ：如浇口的位置与 形式；
(3)调节操作参数：如模温等。
各向异性还表现在制品的收缩率等方面：平行 于流动方向的收缩率比垂直于流动方向的要大，而 且收缩率随温度升高、流动距离延长而增大。这些 问题在设计注射模具时应予以考虑。
第八章 思考题
1．注塑过程包括哪些工序？ 2．一般螺杆式往复注射机及模具的功能区段可分为哪几
往复螺杆式注射机的注射过程分为三个区段。
塑化段： 注射机喷嘴以前的区段。物料在其中熔融、
塑化、压缩并向前输送，流变情况与挤出成型过 程相同。
注射段： 由喷嘴、主流道、分流道、浇口组成，物料
在其中的流动同在毛细管流变仪中的流变行为相 似。
充模段：
熔体进入模腔后，发生复杂的三维流动以及不 稳定传热、相变、固化等过程，流动情况十分复杂， 对该区流变行为的研究还在经验阶段。
充模过程中，模腔内的压力降是十分重要的参 数。一般希望该压力降越小越好。
实际充模过程的压力降～流动速率曲线介于上 述两种极端之间。即在一定流动速率范围内所需 压力降是个常数。
了解模内最小压力降，一是可以减小压力梯度， 减小制品的冻结应力，提高制品尺寸稳定性；二 是可降低锁模力。
对浇口在中央的圆盘式模具的非等温流动进行 研究。
制品中心的高分 子链取向很少，而在 紧靠模壁处的高分子 链取向也不太大，只 是在模壁附近处的取 向程度最高。一般的 制品，分子取向大多 发生在剪切速率较高 的浇口附近，而熔体 流动的前沿较少。
影响分子取向程度的因素：
1.模具温度↑取向程度↓ 2.模腔厚度↑取向程度↓ 3.注射压力↑取向程度↑ 4.保压时间↑取向程度
r z
能量方程：
c v
T t
v
r
T r
k
2T z2
vr rz z
本构方程
r
z
K
vr z
n
（8－1） (8 2) (8 3) (8 4)
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处的压 力降为：
p
6Q
2
n
1 1 n
2K Z 1 2n
R 1n
中心
Z
模壁
四、注塑制品中的残余应力及分子取向
1．熔体充模过程的机理 熔体进入模腔与较冷空气接触，形成一个
粘度很高的前沿膜。
该膜后面的熔体会以比膜运动速度更高的 速度追到膜上。
一是受到熔膜壁的阻止，不能直线前进， 只能转向模壁而很快被冻结。
二是冲破熔膜壁，形成新的前沿膜。
在充模过程中，上述两种过程是交替出现 的。
z
zeff
△z
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”，使流道宽度Z下降。 冷冻皮层的厚度为△Z。
熔体充满模腔之前的一瞬间，运动着的熔体前 沿部分的速度分布和温度分布如图：
径向速度vr和温度均随 z的增大而减小； 靠近冷模壁处的速度急速下降，vr 0。
冷冻皮层的厚度为△Z为充模时间t、模温T0、 熔体温度T1、熔体凝固温度Ts及熔体热扩散系数α 的函数，经验公式为：
高分子材料流变学
第一章 绪论 第二章 聚合物的基本流变性质 第三章 本构方程 第五章 流变学基础方程 第六章 流变测量学 第七章 挤出成型过程的流变分析 第八章 注射成型过程的流变分析 第九章 高分子熔体流动不稳定性
第八章 注射成型过程的流变分析
一、注射成型过程简介 二、简化假定和基本方程 三、充模区段的流变分析 四、注塑制品中的残余应力及分子取向
1
3
5 n
n
3n
1 1
5 2
n n
12 n
或记为 p min f n T G n
(8 10)
(8 11) (8 12)
模腔内压力降极小值
p
由三项决定：
min
f ( n )， 全是数字，与物料流动性有关；
T K C 3n反映了物料的传热性能和流动特性；
G (n )主要取决于模腔的几何参数。
4．分子取向及影响因素
进入模腔的高温物料接触到冷模壁后，产生冷 却皮层，冷却皮层有绝热作用，使贴近的那层物料 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分析取向。保压时间越 长取向程度越大。这种取向被冻结下来残留在注射 制品中，称为冻结分子取向。注射过程中不希望有 冻结分子取向。
淬火骤冷应力有时会通过制品内部产生气泡 或凹痕而消除，否则要用退火来消除。
构型体积应变是由于制品的几何形状所造成 的不同收缩而引起的，只能用退火来消除。
上述三种残余应力中，冻结分子取向而引起 的应力最为重要。在多数情况下，总是希望制品 中少存在分子取向。缩短向模腔充模的时间将有 效地减少冻结分子取向。
个区段？ 3．试述聚合物熔体充模过程的机理。 4．注射成型制品中的残余应力是如何产生的？残余应力
可用什么方法消除？ 5．注射成型制品中为什么会产生分子取向？影响分子取
向的因素主要有哪些？分子取向对制品的物理性能有 什么影响？
Z
C
t
1 3
2
1 2
Ts T1
T0 T0
t
1 3
(8 6)
熔体充模时的实际有效流道宽度为：
Z e f f Z 2 Z (8 7)
计算模腔压力降时应用Zeff代替Z。
充模时间 t ：
t V R*2 Z
QQ
(8 8)
当 R*
R，
6
2
n
1，
R0＜＜R，
得到圆盘模腔内
熔体压力降的修正公式为：
注射循环包括
辅助工序
预处理 后处理
主循环的七个阶段如下： 第一阶段(t0~t1) ：合模引料阶段； 第二阶段(t1~t2) ：充模阶段； 第三阶段(t2~t3) ：保压阶段； 第四阶段(t3~t4) ：倒流阶段； 第五阶段(t4~t5) ：凝封阶段； 第六阶段(t5~t6) ：冷却阶段； 第七阶段(t6~t7) ：开模阶段。
取
向
1
程
2
度
3
增大到一定程度趋于平稳
5.料筒温度↑取向程度
增大到一定程度反而下降
4 5 注射条件
5．分子取向对塑料制品物理性能的影响
平行于取向方向， 抗拉强度提高，脆性 消失，抗冲强度也提 高。
垂直于取向的方 向上，抗拉强度稍有 降低，抗冲强度也有 所降低。
取向程度可通过以下途径来控制或调整： (1)调整材料的特性(调整配方) ：如聚合物的分Leabharlann R1 n 0(8 5)
Q为注射机的体积流量；Z为圆盘高度。
三、充模区段的流变分析
等温注射，Δp与lgQ几 乎成之比，压力降随流动速 率减小而平稳下降。
非等温注射，存在着一 个最小体积流率Qmin，当Q ＜ Qmin时，熔体一进入模腔 就全部凝固，再高的压力也 不能充模；而当Q＞＞ Qmin 时，流率很高，熔体与模壁 来不及热交换，因此接近于 等温注射。
(2) 物料以蠕动方式充满模腔，
v r 0，
v r ＞＞ v r
z
r
(3) 法向应力分量 r r z z远小于剪切应力分量 r z
忽略重力和惯性力
(4) 导热只在z 方向进行， c v、、k 为常数
由此可以得到：
连续性方程：
1 r v r 0
r r
r方向的运动方程： p r z 0