日期：2022-04-21
三、塑化過程理論
與擠出機(jī)相類似，聚合物在料筒中從后部（入料口）到U部（噴嘴處）由于熱歷程 不同，物料也有三種狀態(tài)：后部是玻璃態(tài)，U部是粘流態(tài)，中部是高彈態(tài)。與之相 對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)螺桿也有三段：后部固體輸送段（進(jìn)料段）、U部均化段（計(jì)量段）、中 間段是壓縮段（熔融段），各段螺槽中物料的狀態(tài)是不同的。螺桿恒定轉(zhuǎn)速時(shí)沿螺槽 物料要形成穩(wěn)定狀態(tài)的分布區(qū)。
從料口 O1O2 至A1A2 邊界面為固體料區(qū)（I區(qū)），從邊界 B1B2至出口 C1C2 為粘流區(qū)（I區(qū) ），從 A1A2 至B1B2 邊界為高彈態(tài)過渡 區(qū)（II區(qū)），這是兩種狀 態(tài)的混合區(qū)，各區(qū)之間界面不存在明顯的界限。物料在螺槽中 的吸熱首先 取決于傳熱過程，在此過程中，聚合物的導(dǎo)熱性、熱容性、密度及料筒壁和物料之間的 溫差，是影響吸收熱量的因素，其中料筒溫度將起重要作用。當(dāng)螺桿旋轉(zhuǎn)時(shí)還有一部分 機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能，被物料吸收。在此過程中，聚合物粘度及對(duì)剪切速率或溫度敏感性， 以及固體料對(duì)料筒壁的摩擦系數(shù)是影響物料吸能的主要因素，所以螺桿旋轉(zhuǎn)將起重要作 用。物料熱能來源主要靠機(jī)械能轉(zhuǎn)換，而料筒的外加熱主要用來補(bǔ)償熱能耗散。
熔融過程一般為，當(dāng)原料由料斗進(jìn)入料筒后，由于螺桿的旋轉(zhuǎn)使原料壓縮形成固體 塞，從理論上講當(dāng)固體塞超過 B1 點(diǎn)時(shí)，就有熔膜發(fā)生，但實(shí)際上必須在過一段到 A1A2 處當(dāng)熔膜厚度大于螺棱間隙時(shí)，由于螺棱和料筒內(nèi)壁的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，螺棱才能刮下熔膜，
熔膜沿料流速度方向流入螺棱推力面的U邊，把固體床壓向螺棱的背面，于是在固體床
背面和推力面之間形成熔池，當(dāng)螺桿連續(xù)旋轉(zhuǎn)時(shí)，固體床沿螺槽穩(wěn)定地向U移動(dòng)，隨著 熱力歷程的加長，固體床不斷被熔融，當(dāng)移動(dòng)到 B1B2 處時(shí)固體床完全溶解。1 預(yù)塑后進(jìn) 入冷卻周期，注塑螺桿要停留一段時(shí)間，由于傳導(dǎo)的作用，料筒外部的加熱要通過筒壁 傳遞進(jìn)來再通過熔膜傳遞給固體床，加速融化使熔膜不斷變厚。2 再注塑時(shí)，由于傳導(dǎo)熱 和剪切熱兩方面的作用，通過熔膜把熱量傳遞給剩余的固體床，使固體床迅速減小，在 熔體上漂浮，并按速度合成運(yùn)動(dòng)方向運(yùn)動(dòng)，加速解體。3 注塑后進(jìn)入保壓階段，螺桿在U 方需停留一段時(shí)間，熱量通過熔體傳給固體床加速固體床的溶解。
螺桿轉(zhuǎn)速影響注射物料在螺桿中輸送和塑化的熱力程，因此它是影響塑化能力、塑 化質(zhì)量和成型等因素的重要參數(shù)。如圖 2-5 所示，無論對(duì)結(jié)晶型聚合物還是非結(jié)晶型聚合 物，隨著螺桿轉(zhuǎn)速的提高塑化能力會(huì)增加，但塑化質(zhì)量下降，電機(jī)電流加大，熔融溫度 的均勻性卻有改善。
背壓的建立
塑化螺桿 在預(yù)塑 時(shí)，不僅有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)而 且還兼有后退的直線運(yùn) 動(dòng)，螺桿邊旋轉(zhuǎn)邊后退， 把熔體從均化段（計(jì)量 段）的螺槽中向U擠出， 使之匯集在螺桿頭部的 空間內(nèi)形成計(jì)量室，并在室中建立了熔體壓力，此壓力成為預(yù)塑背壓。
預(yù)塑背壓對(duì)熔體溫度的影響效果與聚合物性質(zhì)有密切關(guān)系，一般預(yù)塑背壓加大熔體 會(huì)有一定溫升，背壓提高有幫助于螺槽中物料的密實(shí)，驅(qū)趕走物料中的氣體。背壓的增 加使系統(tǒng)阻力加大，螺桿退回速度減慢，延長物料在螺桿中的熱歷程，塑化效果得到改 善。但過大的背壓會(huì)增加計(jì)量段螺槽熔體的反流和漏流，降低熔體的輸送能力，減少塑 化量，而且增加功率消耗：過高的背壓會(huì)使剪切熱過高和剪切應(yīng)力過大，使高分于物料 發(fā)生降解。
注射過程
注塑充模過程可分為以下幾段：1 注塑充模流動(dòng)階段：2 保壓補(bǔ)塑流動(dòng)階段：3 保壓切換倒流階段 。 注塑充模周期是從螺桿向U運(yùn)動(dòng)開始的，將計(jì)量室中塑化好的熔體在注塑油缸推力的作用下，螺桿頭部產(chǎn)生注塑壓力，使熔體通過噴嘴流道、模具流道（主流道、分流道）， 最后經(jīng)澆口充滿模腔如上圖（右）
注塑充模階段的流動(dòng)特點(diǎn)是壓力隨時(shí)間變化的非線性函數(shù)，如上圖（左）所示是一 個(gè)注塑周期中壓力隨時(shí)間變化的周期圖。圖中曲線 1 是計(jì)量室壓力（注塑壓力）隨時(shí)間變化的曲線，又稱注塑壓力曲線(Pi)。 2 是噴嘴末端的壓力曲線，又稱噴嘴曲線(Pz)。3 是澆口澆道的末端，或模腔流道起始處 的壓力曲線，又稱模腔壓力曲線(Pb)。4 是型腔末端壓力曲線(Pc)。壓力周期圖 OTa 段是 熔體在注塑壓力 Pi 的作用下從計(jì)量室流入模腔始端的時(shí)間，A 點(diǎn)是模腔始點(diǎn)（澆口末端）， B 點(diǎn)是壓力始點(diǎn)。當(dāng)噴嘴內(nèi)動(dòng)壓力達(dá)到 PZ 時(shí)，模腔始端壓力才達(dá)到與之相對(duì)應(yīng)的壓力 Pb，模腔壓力才開始增高。噴嘴壓力是隨
模腔壓力而變化的（恒定、上升或下降）。
當(dāng)熔體充滿模腔后，模腔壓力開始增加，當(dāng)模腔始端壓力從 Pb 增到 Pc 時(shí)模腔末端 壓力從 Pb1 增到 Pc1，與此同時(shí)噴嘴壓力也迅速從 PZ 增加至接近注塑壓力 Pi。
Ta-Tb 是充模時(shí)間，是最重要的時(shí)刻，聚合物熔體在這段時(shí)間內(nèi)必須能克服流道阻力 迅速充模模腔：否則，如果壓力不足，速度不夠，流動(dòng)就會(huì)停止。同時(shí)，由于剪切速率 的作用，使大分于發(fā)生結(jié)晶和取向作用。這一段過程特點(diǎn)是在動(dòng)壓作用下高壓、高速的 充模過程。
模腔入口壓力 Pb 和末端壓力 Pb1 之差取決于模腔壓力損失大小。Tb-Tc 時(shí)間內(nèi)，模
腔壓力迅速增至最大，是壓實(shí)熔體過程。
Tc-Td 時(shí)間，稱保壓時(shí)間。在保壓時(shí)間內(nèi)要繼續(xù)推進(jìn)熔體實(shí)現(xiàn)補(bǔ)縮，致密制品。這是 的注塑壓力稱保壓壓力，它可以維持原來的注塑壓力（一次注塑壓力），也可以降低或提 高，形成二次或三次注塑壓力。保壓壓力的特點(diǎn)是熔體在高壓下的慢速流動(dòng)，螺桿只有 向U微小的補(bǔ)縮移動(dòng)。在保壓階段，物料隨模具冷卻致密增大而制品逐漸成型。保壓階 段一直維持到澆口凍封為止。
Td-Te 為保壓切換到倒流階段。澆口封凍，保壓結(jié)束，螺桿預(yù)塑開始，噴嘴壓力下降 為零。這是澆口雖然封凍，但模內(nèi)熔體尚未完全凝結(jié)，在模腔壓力反作用下，模內(nèi)熔體 將向澆口系統(tǒng)回流，使模腔壓力從 Pd 降至 Pe。模腔壓力 Pe 稱封斷壓力。倒流時(shí)間及封 斷壓力 Pe 應(yīng)取決于聚合物性質(zhì)、料筒模具溫度及澆口尺寸等因素。Te-Tf 是冷卻定型階 段。這是進(jìn)一步冷卻制品的過程。使制品具有一定鋼性和強(qiáng)度下脫模，防止頂出變形。 脫模時(shí)制品剩余壓力為 Pf，并以壓力形式集中于澆口處。
從 A 到 C 是注塑充模過程中，熔體的溫度要隨壓力升高而上升到最高值。當(dāng)聚合物 熔體被注入模腔后，模腔的表面溫度會(huì)升高，隨后又冷卻而逐漸降低，因此，模腔表面 溫度在兩個(gè)極限溫度之間進(jìn)行變化。當(dāng)熔體被注入模腔時(shí)，則模腔表面最高溫度接近于 熔體的溫度，隨后又降下來。一般情況下，模具表面的工作溫度（注入熔體的溫度）比 其最低溫度要高 30℃左右。
五、注塑機(jī)噴嘴的功能及對(duì)注塑工藝的影響
噴嘴和澆口的作用是一樣，是為了加速熔體流速，把勢能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能，并有調(diào)整熔體溫度和均化作用。實(shí)踐證明，熔體通過噴嘴時(shí)溫度要發(fā)生很大的變化，如下表 ：在不同的注射壓力條件下注射壓力與溫度之間的關(guān)系，可以看出，注射壓力對(duì)熔體流經(jīng)噴嘴 的溫升有很大影響，而噴嘴直徑對(duì)熔體溫升影響卻不大。
聚合物熔體的注射壓力又取決于熔體的溫度和通過噴嘴的速度。如果噴嘴直徑和剪 切速率一定的情況下，通過噴嘴的出口壓力可得到各種聚合物注塑溫度范圍。壓力與熔 體溫度的關(guān)系常用壓力的對(duì)數(shù)和絕對(duì)溫度的倒數(shù)來表示，如圖下圖根據(jù)此曲線可判斷聚 合物分解溫度和給定剪切速率下的最低注射溫度。該曲線表達(dá)了聚合物變形阻力與溫度 之間的關(guān)系。壓力-溫度的曲線上有二點(diǎn)，三段。這三段與聚合物三種物理狀態(tài)相適應(yīng)。第一段溫度是下拐點(diǎn)的溫度范圍，屬于化學(xué)分解區(qū)，拐點(diǎn)相當(dāng)于分解溫度（Tp）：第二段 是粘流區(qū)，屬于注塑溫度區(qū)：第三段是聚合物熔體通過噴嘴，阻力急劇上升。這一段正是應(yīng)力的的增長速率超過料應(yīng)力松弛速率，對(duì)溫度（曲線上的拐點(diǎn)處）有很大影響。壓力溫度曲線的第三段式高彈變形占有優(yōu)越的區(qū)域，是不適合注射的區(qū)域，因?yàn)闀?huì)影響注 射制品質(zhì)量。
因此在高于分解溫度區(qū)（Tp）和低于高彈變形區(qū)的溫度（Tm）時(shí)，所獲得 的注塑制品，對(duì)其力學(xué)性質(zhì)均有不利影響，如對(duì)結(jié)晶型聚合物，聚酌膠非常明顯。在溫 度進(jìn)入粘彈性區(qū)時(shí)（超過上拐點(diǎn)）很小的溫度變化會(huì)引起很大的壓力波動(dòng)。使用小直徑 的噴嘴會(huì)使注塑溫度區(qū)間大大縮小
六、注射填埋充過程
注射填充過程是比較復(fù)雜而重要的階段，是高溫熔體向相對(duì)較低溫的模腔中流動(dòng)階段，是決定聚合物定向和結(jié)晶的階段，因此，也就直接影響制品質(zhì)量。在這個(gè)階段制品質(zhì)量和工藝參數(shù)與注塑機(jī)工作性能之間產(chǎn)生密切的聯(lián)系。不論從實(shí)踐角度或理論角度對(duì)上述進(jìn)行研究都必將對(duì)注塑成型的發(fā)展有重要作用。
注射填充機(jī)理 ：熔體填充模過 程，根據(jù)熔體填充模速率，可能是穩(wěn)定流動(dòng)，但也可能是非 穩(wěn)定流動(dòng)。熔體從澆口進(jìn)入 模腔的初始流動(dòng)情況，除解 決工藝條件外，還取決于澆 口和制品厚度的比例。因?yàn)?聚合物從澆口流出時(shí)，是一股細(xì)流，如果澆口深度比型腔入口深度小的多，這時(shí)充模速率較低，在剪切速率沒有超 過臨界剪切速率時(shí)，不會(huì)發(fā)生不穩(wěn)定的彈性端流，
而是一股連續(xù)的細(xì)流，但是這種細(xì)流 從澆口一流出就表現(xiàn)出無規(guī)則的波動(dòng)，細(xì)流的表面情況與高剪切速率下的情況類 似，表面粗糙，這是由于U面細(xì)流阻礙后面的流動(dòng)，造成滯留堆積。
如果在澆口很小的情況下，充模速率很高，就出現(xiàn)不穩(wěn)定的射流流動(dòng)。當(dāng)澆口深度 比型腔深度略小，這時(shí)射流形成明顯，這是因?yàn)樯淞鞯某隹谂蛎涀饔煤蚒面流出不遠(yuǎn)的射流U緣相結(jié)合，射流效應(yīng)表現(xiàn)并不明顯，如果采用工藝調(diào)整，如降低注塑速度，提高 模溫和熔體溫度會(huì)消除射流而形成擴(kuò)展流。若低速轉(zhuǎn)為高速流動(dòng)又會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)澆口 深度等于或接近模腔深度時(shí)，充模速率低就會(huì)形成擴(kuò)展流。
但在一般注射條件下不會(huì)產(chǎn)生射流，但是當(dāng)熔體從澆口流出到穩(wěn)定的擴(kuò)展流有一段 不穩(wěn)定的流動(dòng)的過度階段，這正是聚合物熔體在出口時(shí)的粘彈性效應(yīng)的作用。擴(kuò)展流動(dòng) 會(huì)得到較好的表面質(zhì)量，這是注塑工藝的最終目的。
七、保壓設(shè)置
從 C 點(diǎn)開始熔體進(jìn)入保壓階 段，在保壓階段熔體仍有流動(dòng)， 稱保壓流動(dòng)。這時(shí)的注射壓力稱 保壓壓力。保壓流動(dòng)和充模流動(dòng) 都是在高壓下致密的流動(dòng)，這時(shí) 的流動(dòng)特點(diǎn)是熔體流速很小，不 起主導(dǎo)作用，而壓力卻是影響過 程的主要因素，在保壓階段，模 內(nèi)壓力和比容不斷的變化。產(chǎn)生保壓流動(dòng)的、原因是因?yàn)槟Ｇ槐诟浇娜垠w受冷后的收縮，熔體比熔發(fā)生變化，這樣，在流入口凍封之U，熔體在保壓壓力的作用下繼續(xù)向模腔補(bǔ)充熔體，產(chǎn)生補(bǔ)縮的保壓流 動(dòng)。但過大的保壓壓力會(huì)使模腔內(nèi)的殘余壓力過大，使制品脫模困難，造成制品脫傷或 頂白。
