注塑過程中不穩定流動的解決方案

摘要：本文通過探討了熔體在注塑過程中發生不穩定流動的原因和主要影響因素，從注塑工藝和模具兩方面出發，為不穩定流動提供改善方案。

關鍵詞： 流變學 不穩定流動 粘彈性 注塑工藝 模具

The solutions of instability flow in injection

Huang Mingyu，Yang Hui，Yang Bo，Wang Dazhong

（Research and Development Center，National Engineering Laboratory for Plastic Modification and Processing， Kingfa Science and Technology Co.， Ltd.， Guangzhou 510520，China）

Abstract:the instability flow is the common injection defect in large parts which is caused by viscoelasticity. This paper reveals the roots and main factors from rheology and supplies the improvement proposals for injection molding process and mold.

Key words:rheology; instability flow; viscoelasticity; injection molding process; mold

一、 前言

隨著工業的發展，工業對塑料的要求越來越高，一般的材料已經無法滿足客戶的要求，改性材料的在塑料工業中的地位越來越重。相當于原材料來說，改性材料中添加了助劑、填料等添加劑，體系比較復雜，必然會表現出不同于原材料的流動行為，本文通過分析造成多相體系熔體流動不穩定的原因，同時從模具和注塑工藝上提供解決方案。

二、熔體不穩定流動的原因分析

流變學是一門研究流動和變形的學科。擠出脹大、爬桿效應等流變現象已經表明：聚合物熔體除了具備粘性特征外，還同時具有彈性特征屬于粘彈流體。粘彈流體在流動過程中包含有不可逆形變（粘性流動）和可逆形變（彈性回復）兩種成分[1]。這種特殊的性質給聚合物的成型帶來了許多不便。由于流動中得拉伸力，使聚合物分子產生彈性變形，這種彈性變形不能很快恢復，有一定的滯后時間。彈性形變恢復時會產生彈性行為。這種彈性行為對聚合物的加工與成型有巨大的影響，但最主要的彈性行為就是不穩定流動。所謂的不穩定流動，并非是流體在各部位的速度以及物流狀態都不相同，而是指在任何一定部位速度及流動狀態隨時間變化而變化。

在擠出成型過程或毛細管流變儀測量中，當熔體擠出剪切應力超過某一個臨界剪切應力后，擠出物表面開始出現畸變，出現流動不穩定現象。擠出的不穩定流動已經作為一種經典的奇異流變現象被眾多的學者所研究[1]。擠出時，熔體出口模后不受約束，一旦出現流動不穩定行為，易于觀察；而注塑時，熔體流動受模具型腔的限制，難以觀察到流動狀態的不穩定現象，所以文獻中關于不穩定流動的研究主要集中在擠出領域，而在注塑領域的研究較少。

高聚物熔體受力被擠入較細的管道或?？缀螅捎诩羟袘Φ淖饔貌粌H使高分子鏈發生相對位移，而且使鏈段沿流動方向取向，同時主鏈的鏈長和鍵角也沿著流動方向伸展，即熔體不僅發生塑性流動，而且產生高彈及普彈形變[2]。在低剪切應力或低剪切速率的流動條件下，彈性形變較小，各種因素引起的小擾動容易受到控制，而在高剪切應力或剪切速率時，彈性形變增大，當彈性形變的儲能達到或超過粘滯阻力的流動能量時，造成熔體沿模壁滑移，熔體突然增速，同時釋放出能量然后再次與模壁粘著，從而再集中能量，再發生滑移[3][4]。這種過程周而復始，熔體在模具表面發生“時滑時粘”的壓力或速度震蕩，導致產品表面出現有規律的缺陷，離開澆口一段距離后在產品表面出現垂直流動方向、明暗交替的條紋[3]。這種缺陷與常規的“噴射”在機理和表現上都有明顯的區別，由于其特征與虎皮相似常被稱為“虎皮紋”。

圖1 熔體在模具內不穩定流動示意圖

Fig1 instability flow in mold

一般具有海-島形態結構的共混體系都有黏度減小、彈性增大的性質變化，所以共混改性材料的彈性往往會更強。，更容易出現不穩定流動。添加了彈性體的材料如HIPS、汽車PP等，彈性行為最為明顯。

三、熔體不穩定流動的解決方案

聚合物熔體流動不穩定的主要因素是聚合物熔體具備彈性。在彈性形變達到平衡之前，形變由大到小變化，呈非穩態流動；彈性形變達到平衡后，就只有粘性形變，進入穩定流動。

只有對聚合物熔體的彈性特性有充分的了解，才能找到解決方案。聚合物粘彈性的特點：

1、應力松弛。在恒溫下保持一定的恒定應變時，材料的應力隨時間而逐漸減小的力學現象。

2、滯后現象。粘彈材料的力學響應介于彈性與粘性之間，應變落后于應力一個相位角。

從上述內容可知，與聚合物彈性行為有關的因素分別為：應力、時間、溫度、澆口尺寸。下面就從注塑工藝、模具兩個個方面探討如何利用彈性行為的主要影響因素解決熔體不穩定流動缺陷。

（1）工藝因素

熔體流動不穩定的根本原因是熔體積蓄的彈性能過高，故增加熔體溫度、提高背壓可降低熔體黏度、縮短松弛時間，有助于減少熔體在流動過程中積蓄的彈性能。通過降低黏度可降低經過澆口的剪切應力，從而降低彈性形變。而且溫度高，鏈段運動受到內摩擦力小，松弛時間變短。圖2是不同加工溫度下軟質PVC的產品外觀，加工溫度160℃時產品表面出現典型流動不穩定缺陷，表面呈波浪狀；當加工溫度達到180℃后流動平穩，產品表面光滑。對于軟質PVC、TPE等軟膠材料，增加熔體溫度最為有效。

(a) 加工溫度160℃

(a)barrel temperature 160℃

(b) 加工溫度180℃

(b)barrel temperature 180℃

圖2 不同加工溫度對產品外觀的影響

Fig2 appearances in different barrel temperature

增加模具溫度是從另一個角度來改善虎皮紋。提高模溫，一方面可以讓熔體前沿保持較高的溫度，減小流動過程中剪切應力，降低了流動過程積蓄的彈性能；另一方面，聚合物熔體的彈性形變是可回復的并具有一定的滯后性，增加模溫可以使熔體保持較高的溫度，可以在同樣的時間內較快回復彈性形變。對于PP、HIPS等硬膠類材料，在大多數情況下增加模具溫度比提高熔體溫度更為有效。

（a）模溫30℃ (b)模溫80℃

(a)mold temperature 30℃ b)mold temperature 80℃

圖3 不同模溫對產品外觀的影響

Fig3 appearances in different mold temperature

降低缺陷位置的注射速度也是一個有效的手段。使用高射速時，熔體經過澆口的剪切應力大，積累的彈性能很強，更容易出現不穩定流動。圖4左邊使用80%的射速，從產品表面可以看出熔體在模具型腔中跳躍形成波浪狀表面；右邊使用10%速度進行填充，熔體流動穩定，表面平整。對于硬膠材料而言，降低射速配合增加模溫一起使用常常能取得比較好的效果。

圖4 射速高、低對外觀的影響

Fig4 appearances in different injection speed

（2）模具因素

熔體的剪切應力主要由澆注系統，其設計對是否出現不穩定流動有決定性作用。

模具使用冷流道時，注塑機噴嘴與冰冷的模具接觸，導致噴嘴處的熔體溫度低、彈性強，容易導致流動不穩定。模具的流道系統特別是主流道上，應開設足夠的冷料井，其長度應為流道直徑的2倍，用于儲藏噴嘴冷料。

在三板模中，需要使用拉料銷將流道留在定模上。在設計拉料銷時，應避免將拉料銷伸入流道中，導致流道變窄、剪切應力增強。

（a）錯誤的拉料桿設計 （b）正確的拉料桿設計

(a)incorrect sprue lock pin design (b)correct sprue lock pin design

圖5 拉料桿的設計

Fig5 sprue lock pin design

增大尺寸流道和澆口可以有效的降低流動中的所需注射壓力，減小彈性儲能。流道的設計應以增大有效直徑為目標，盡量使用截面為圓形或U形的流道，避免使用半圓形和扁平流道。同時流道上應拋光并使用圓滑過渡，避免出現尖角、直角強剪切設計。

(a) 錯誤的流道設計

(a)incorrect runner design

(b) 正確的流道設計

(b)correct runner design

圖6 常見流道設計

Fig6 runner design

澆口也應該選擇剪切較弱的直通式大水口、側澆口或扇形澆口：——（1）

矩形澆口：——（2）

圓形澆口：——（3）

σ——剪切應力

——剪切速率

n——冪率指數

Q——澆口流量

W——矩形澆口的寬度

H——矩形澆口的高度

R——圓形澆口的半徑

由公式（1）可知剪切速率對剪切應力有正相關的關系。由公式（2）可知，矩形澆口，澆口厚度的平方與剪切速率成反比關系，因此澆口越厚越好，一般為制件厚度的80%~90%，既能有效的降低剪切應力又便于去水口。由公式（3）可知，圓形澆口半徑R的立方與剪切應力成反比，增大澆口半徑可以快速有效的減少流動過程中的剪切應力。

當必須選用針點澆口時，澆口尺寸除了盡量大一些外，還需要在澆口對面增加冷料坑降低澆口剪切。

圖7 冷料坑設計

Fig7 cold slug for pin-point gate

另外，澆口位置設置不當、制件流程過長，也會因為剪切應力過大而導致流動不穩定，這就需要在開發前期通過模流分析確定合適的澆口位置。

四、總結

熔體流動不穩定現象是一種在大型制件中比較常見的注塑缺陷，只有了解不穩定流動的本質，才能提出合理的改善方案。結合理論，通過對料溫、模溫、流道設計、澆口尺寸進行調整可以有效的解決不穩定流動，改善注塑產品的外觀質量。

參考文獻：

[1]吳其曄，巫靜安.高分子材料流變學[M].北京：高等教育出版社，2010年10月1日，302~326

[2]Koki Hirano; Yoshiyuki Suetsugu; Toshitaka Kanai.Morphological. analysis of the tiger stripe on injection molding of polypropylene/ethylene-propylene rubber/talc blends dependent on based polypropylene design[J]. J. Appl Polym Sci.， 104:192~199， 2007

[3]Bhaskar Patham， Paul Papworth， Krishnamurthy Jayaraman， Chichang Shu， Michael D. Wolkowicz. Flow marks in injection molding of polypropylene and ethylene–propylene elastomer blends: Analysis of morphology and rheology[J]. J. Appl Polym Sci.， 96: 423~434， 2005

[4]Bulters， M. and Schepens， A.(2000)，”the origin of the surface defect ’slip-stick’ on injection moulded products”， Proc. 16th Annual Meeting Polymer Processing Society， shanghai ，china

[4]張甲敏，喬月純，楊勝凱。注塑制品流痕的形成原因及解決方法[J].《工程塑料應用》2006年第10期，35~37