日期：2022-04-21
三、塑化過程理論
與擠出機相類似，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 對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)螺桿也有三段：后部固體輸送段（進料段）、U部均化段（計量段）、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)時還有一部分 機械能轉(zhuǎn)化為熱能，被物料吸收。在此過程中，聚合物粘度及對剪切速率或溫度敏感性， 以及固體料對料筒壁的摩擦系數(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械能轉(zhuǎn)換，而料筒的外加熱主要用來補償熱能耗散。
熔融過程一般為，當(dāng)原料由料斗進入料筒后，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 點時，就有熔膜發(fā)生，但實際上必須在過一段到 A1A2 處當(dāng)熔膜厚度大于螺棱間隙時，由于螺棱和料筒內(nèi)壁的相對運動，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，固體床沿螺槽穩(wěn)定地向U移動，隨著 熱力歷程的加長，固體床不斷被熔融，當(dāng)移動到 B1B2 處時固體床完全溶解。1 預(yù)塑后進 入冷卻周期，注塑螺桿要停留一段時間，由于傳導(dǎo)的作用，料筒外部的加熱要通過筒壁 傳遞進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，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，并按速度合成運動方向運動，加速解體。3 注塑后進入保壓階段，螺桿在U 方需停留一段時間，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增加，但塑化質(zhì)量下降，電機電流加大，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，不僅有旋轉(zhuǎn)運動而 且還兼有后退的直線運 動，螺桿邊旋轉(zhuǎn)邊后退， 把熔體從均化段（計量 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 會有一定溫升，背壓提高有幫助于螺槽中物料的密實，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。但過大的背壓會增加計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 注塑充模流動階段：2 保壓補塑流動階段：3 保壓切換倒流階段 。 注塑充模周期是從螺桿向U運動開始的，將計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特點是壓力隨時間變化的非線性函數(shù)，如上圖（左）所示是一 個注塑周期中壓力隨時間變化的周期圖。圖中曲線 1 是計量室壓力（注塑壓力）隨時間變化的曲線，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 的作用下從計量室流入模腔始端的時間，A 點是模腔始點（澆口末端）， B 點是壓力始點。當(dāng)噴嘴內(nèi)動壓力達到 PZ 時，模腔始端壓力才達到與之相對應(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 時模腔末端 壓力從 Pb1 增到 Pc1，與此同時噴嘴壓力也迅速從 PZ 增加至接近注塑壓力 Pi。
Ta-Tb 是充模時間，是最重要的時刻，聚合物熔體在這段時間內(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，流動就會停止。同時，由于剪切速率 的作用，使大分于發(fā)生結(jié)晶和取向作用。這一段過程特點是在動壓作用下高壓、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 時間內(nèi)，模
腔壓力迅速增至最大，是壓實熔體過程。
Tc-Td 時間，稱保壓時間。在保壓時間內(nèi)要繼續(xù)推進熔體實現(xiàn)補縮，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。保壓壓力的特點是熔體在高壓下的慢速流動，螺桿只有 向U微小的補縮移動。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。這是進一步冷卻制品的過程。使制品具有一定鋼性和強度下脫模，防止頂出變形。 脫模時制品剩余壓力為 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，模腔的表面溫度會升高，隨后又冷卻而逐漸降低，因此，模腔表面 溫度在兩個極限溫度之間進行變化。當(dāng)熔體被注入模腔時，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、注塑機噴嘴的功能及對注塑工藝的影響
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)換為動能，并有調(diào)整熔體溫度和均化作用。實踐證明，熔體通過噴嘴時溫度要發(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，注射壓力對熔體流經(jīng)噴嘴 的溫升有很大影響，而噴嘴直徑對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)系常用壓力的對數(shù)和絕對溫度的倒數(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，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的溫度范圍，屬于化學(xué)分解區(qū)，拐點相當(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，對溫度（曲線上的拐點處）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，因為會影響注 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，所獲得 的注塑制品，對其力學(xué)性質(zhì)均有不利影響，如對結(jié)晶型聚合物，聚酌膠非常明顯。在溫 度進入粘彈性區(qū)時（超過上拐點）很小的溫度變化會引起很大的壓力波動。使用小直徑 的噴嘴會使注塑溫度區(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，是高溫熔體向相對較低溫的模腔中流動階段，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。在這個階段制品質(zhì)量和工藝參數(shù)與注塑機工作性能之間產(chǎn)生密切的聯(lián)系。不論從實踐角度或理論角度對上述進行研究都必將對注塑成型的發(fā)展有重要作用。
注射填充機理 ：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，但也可能是非 穩(wěn)定流動。熔體從澆口進入 模腔的初始流動情況，除解 決工藝條件外，還取決于澆 口和制品厚度的比例。因為 聚合物從澆口流出時，是一股細流，如果澆口深度比型腔入口深度小的多，這時充模速率較低，在剪切速率沒有超 過臨界剪切速率時，不會發(fā)生不穩(wěn)定的彈性端流，
而是一股連續(xù)的細流，但是這種細流 從澆口一流出就表現(xiàn)出無規(guī)則的波動，細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面細流阻礙后面的流動，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。當(dāng)澆口深度 比型腔深度略小，這時射流形成明顯，這是因為射流的出口膨脹作用和U面流出不遠的射流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 模溫和熔體溫度會消除射流而形成擴展流。若低速轉(zhuǎn)為高速流動又會發(fā)生變化。當(dāng)澆口 深度等于或接近模腔深度時，充模速率低就會形成擴展流。
但在一般注射條件下不會產(chǎn)生射流，但是當(dāng)熔體從澆口流出到穩(wěn)定的擴展流有一段 不穩(wěn)定的流動的過度階段，這正是聚合物熔體在出口時的粘彈性效應(yīng)的作用。擴展流動 會得到較好的表面質(zhì)量，這是注塑工藝的最終目的。
七、保壓設(shè)置
從 C 點開始熔體進入保壓階 段，在保壓階段熔體仍有流動， 稱保壓流動。這時的注射壓力稱 保壓壓力。保壓流動和充模流動 都是在高壓下致密的流動，這時 的流動特點是熔體流速很小，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)生保壓流動的、原因是因為模腔壁附近的熔體受冷后的收縮，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)向模腔補充熔體，產(chǎn)生補縮的保壓流 動。但過大的保壓壓力會使模腔內(nèi)的殘余壓力過大，使制品脫模困難，造成制品脫傷或 頂白。
