注射成型期间压力曲线的变化，直接实例分析，不怕你不懂！

柴进

要更好的了解注射成型的过程具体现象，需要知道以下内容：

黏性非牛顿熔体对冷模具的填充；
熔体流动期间及之后的取向与结晶的演化；
结晶对固化的影响；
过程前后密度的变化；
从熔融状态到最终的制品这个过程中，聚合物的形态、内应力和收缩率分布的变化。

另一方面，注射成型过程中锁模力、成型周期、收缩率、翘曲变形量以及最终制品的性能等都会随着时间的推进而变化。

为了保证注塑工艺的准确性，就需要对成型过程中的后填充阶段进行准确的描述。目前普遍认为许多显著的特征，如双折射率、残余应力、密度分布、制品收缩率以及翘曲变形都和填充及冷却条件密切相关。

理解注塑的生产过程可以描述为了解如下两个问题：

了解生产过程中输送物料的过程，包括物料输送的机理、机器的运行控制原理以及了解与物料输送过程最相关的因素，如模具的变形以及模具与聚合物界面之间的不稳定性等因素；

了解材料的行为，就是说要了解非牛顿黏度和黏弹性(这样是为了描述取向分布的变化)、正确的PVT 关系(可能包括体积松弛) 和结晶度的发展。更重要的是要了解这些行为对材料性能的影响。

值得一提的是，由于注射成型过程剧烈变化，如压力升高、快速的冷却速率、强流场等，材料的标准性能不适合注射成型过程的发展。针对这种问题，了解注射成型期间压力曲线的变化就变得非常重要。

我们来看一个具体实例如下：


图：Salerno大学设计的浇口、流道、型腔几何结构图，粉色部分为产品。

这个实验在注塑机和模具上安装了5个压电式传感器，分别为P0~P4。

其中P0为射嘴处（Injection Chamber），P1在浇口前端（Runner与Gate之间），P2~P4固定安装在模具型腔内（Gavity），如上图所示他们分别位于浇口下游的15mm，60mm 和105mm处。

另外在模腔表面P3位置处安装一个薄的热电偶（厚度为0.6mm），目的是测量距离样品表面（聚合物内部）大约相当于热电偶一半厚度距离处的温度变化，即0.03mm厚度范围内的温度变化。

这个实验分别使用了3个具有代表性的材料：无规PP、均聚iPP和共聚iPP/EPR，这里我们来分析更突出填充阶段的材料均聚iPP材料结果。压力实验曲线如下：


材料：iPP Montell T30G
熔融温度：230 ℃
模具温度：30 ℃
注射速度：5 ccm/s
周期：22 s
模腔长：120 mm
膜腔壁厚：2 mm
浇口壁厚：1.5mm

F填充阶段Filling
在填充阶段，螺杆上施加了一个恒定的前进速率（InjFlowRate=5 ccm/s）。在沿着流道方向的每个位置上，当熔体达到这个位置时，此处的压力就开始增加，从那个时刻起，由于熔体前端与模具上每个上游位置之间的距离随时间增加，压力的增加就要以达到熔体前端的压降为依据。

原先我们认为：一个矩形模具中（可以认为所有的注射成型的一部分模型），就像上图实验中的模具，在填充阶段，一个等温不可压缩流动会导致P2、P3 和P4 位置获得的压力曲线基本平行。

但是事实上这些压力曲线并不平行，这是因为熔体的可压缩性、温度的下降（导致黏度增加） 以及最主要的在模具表面形成的固化层使得熔体可流动的截面变窄了。

当模腔中充满了聚合物以后，填充阶段完成，随即补缩-保压阶段开始。

P补缩-保压阶段Packing&Holding
在这个阶段，注射腔中的压力通常要升高并保持在一个恒定的值（即保压压力p），这样是为了迫使物料进人到模具中来补偿固化过程中温度下降以及结晶发展对密度的影响。

由于材料的冷却以及由此引起的比容的减小，流动速率在补缩阶段没有像不可压缩材料那样到达零。

比容：密度的倒数，指单位质量材料所占的容积。

如果保压压力保持恒定，则模腔中的流动速率和压力都会随时间减小。正常成型条件下，保压压力一直保持到浇口固化为止，此时，不会再有物料从模具中进出，并且往复式螺杆为下一次的注射做准备。

C冷却阶段Cooling
浇口的固化是在模腔内相当一部分物料已经固化的时候才发生的，这是因为浇口厚度b与模腔厚度S非常接近，两者之比S/b=4/3。这就意味着在冷却阶段，物料根本就不流动。

在浇口固化以后，模腔中仍有很大一部分物料处于熔融状态。浇口关闭或者浇口厚度相对模腔厚度很薄时就属于这种情况。这种情况下，在浇口固化以后，聚合物的流动立即使得压力梯度趋于平稳，并且模腔内部各个位置上的压力都很快变得均匀。

冷却阶段浇口处的压力曲线：

位置P0处的保压压力一旦释放，内部流道和入口中的物料倒流以及位置P1处的压力在保压压力释放以后的某个时间，螺杆再次开始转动并移动到它开始的位置都会快速下降。因此开始为下一次注射过程积累聚合物熔体，并施加一个1S 时间顺序的背压。

如果在入口和流道中熔体的黏度足够低，P1处的压力曲线与背压的峰值同步。另一方面，在背压施加之前或者黏度足够高时，如果P0和P1之间的一个横截面发生固化，P1处背压对压力变化的影响将不再存在。

如果背压引起的压力峰值会使位置P1处的压力变化情况发生改变，意味着施加背压的时候，浇口和流道都还没有完全固化。

延伸1：（假设）


如果保压压力在浇口固化之前去除，压力梯度的方向就会反过来，这样就会使得物料从模具中反流回注射腔中。下图中介绍了使用PS料所进行的两组成型实验数据：

材料：Dow STYRON PS678E
熔融温度：240 ℃
模具温度：30 ℃
注射速度：30 ccm/s
周期：12 s


图a：标准实验，实验中保压压力是在浇口固化以后去除的（保压时间tp=5s）


图b：保压压力在浇口完全固化之前就去除了（保压时间tb=2.5s）

是否发现其中的不同呢？

图a中，模具型腔中压力的去除对模腔中的压力曲线没有任何的影响；而图b中则发生了倒流现象以及压力梯度方向的反转。

第二种情况下生产出来的制品，要比第一种情况下生产出来的制品轻和小，并且还会使制品的形态分布不同。

浇口固化时间是一个变量，它与多个操作变量的选择有很大的关系。对于操作者来说浇口固化时间是不知道的，并且它对工艺条件和模具几何形状有很强的依赖性。通常的，当工艺条件或者模具几何形状发生变化时，操作者就需要利用经验来决定浇口固化的时间。（也就是所说的保压时间）

延伸2：（保压）


浇口上游不远处压力的情况（位置P1） 可以为浇口、流道、入口处固化过程的变化提供重要的信息。

在浇口上游处的流道中（位置P1）只要P0（位于注射腔中）和P1之间的压力降随时间减小，其压力就会平稳上升，这是因为入口处和流道中的质量流率随着时间的增加而减小。

压力降（P0位置和P1位置之间）首先随着质量流率变化，而后当黏度增加对压力降的影响超过流动速率降低的影响时，压力降就会再次升高。

在成型时，当保持一个恒定的保压压力的时候，压力的增加以及浇口上游处压力曲线上出现的拐点，这些都是决定浇口固化时间很明显的依据。

延伸3：（冷却）

对于无定形材料，浇口固化后压力衰减与温度的下降紧密相关；而对于半结晶材料，压力的变化由结晶的发展决定。所以对于两种材料，其压力曲线的二价时间导数（也就是压力曲线的曲率）不同：

对于无定形材料，它应该是正的，因为它发生温度的二阶时间导数。因此，压力曲线应该上凹。

对于半结晶型物料来说，它先是负的（是结晶度的时间函数，它最初是上凹的）然后是正的。因此，压力曲线应该是先下凹（直到平均结晶度达到最大速率）然后再上凹。

直接来看图，上图为无定形材料PS，下图为半结晶材料iPP/EPR：



观察两张图中，在型腔的不同位置P2~P4无定形材料PS冷却阶段模腔的压力曲线是上凹的。

在这种情况下，压力随时间的降低是很缓慢的，所以开模时，在模腔内部各个位置上都会有残余压力。

至于半结晶型材料，冷却阶段的模腔中的压力曲线先是下凹然后再上凹。此外，压力随时间的减小也要快得多，这是由于结晶时体积的收缩造成的。

参考文献：

Pantani, R., Speranza, V., Titomanlio, G., Polym. Eng. Sci. (2001) 41(11), pp. 2022–2035
Flaman A A M., Build-up and relaxation of molecular orientation in injection molding. Ph.D.Thesis. TH Eindhoven (NL), 1990
Pantani, R., Speranza, V., Titomanlio, G., Int. Polym. Proces. (2001) 16(1), pp. 61–71
Pantani, R., Coccorullo, I., Speranza, V., Titomanlio, G., Prog. Polym. Sci. (2005) 30(12), pp. 1185–1222
Coccorullo, I., Pantani, R., Titomanlio, G., Polymer (2002), 44(1), pp. 307–318

以上实验数据来源于意大利Salerno大学实验室，具有实验特殊性，如有异议，欢迎评论、探讨。

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