EPDM包覆層注射成型模擬及工藝參數研究

劉奔奔，張 慧，李軍強，陳國輝，楊士山，彭 炯，何吉宇，李向梅，楊榮杰

(1.北京理工大學 材料學院，北京 100081；2.國家阻燃材料工程技術研究中心，北京 100081；3.北京航天試驗技術研究所，北京 100074；4.西安近代化學研究所，陜西 西安 710065；5.北京理工大學 化學與化工學院，北京 100081)

引 言

三元乙丙橡膠(EPDM)由于密度小、耐燒蝕和相容性好等特點，是目前自由裝填式發動機裝藥的理想包覆層材料[1-2]。EPDM包覆層需要通過注射成型工藝進行加工[3-4]，將受熱熔融的膠料加熱塑化后注入模具內成型，可實現高效一體化制備[5]。但是，注射成型工藝非常復雜，受材料流變性能、模具結構設計和工藝參數等諸多因素影響，如溫度、澆口壓力和氣孔等[6-7]，僅僅依靠大量的實驗和手工調試去尋找合適的工藝條件甚至設計合適的模具，不能滿足生產要求。隨著計算機工程軟件的發展,如Moldflow軟件[8]能夠準確模擬聚合物在模具內的流動和填充過程，可較好地解決諸如澆口布置和流動參數等問題，大大減少了模具設計和工藝參數的研發周期和成本。如，通過仿真模擬得到基體的流動規律，預測氣穴和熔接線可能導致的缺陷，從而通過合理的模具設計避免這些缺陷的出現。然而僅僅依靠工藝模擬不能預測制品的力學等性能，仍需將模擬和實驗相結合綜合分析和研究。

因此，為了提高EPDM包覆層成型工藝的研發效率，降低成本，本研究以數值仿真和實驗驗證相結合的方式研究了EPDM包覆層注射成型過程中的流動規律，得到合適的成型工藝參數，從而建立一套有效的工藝研究方法。通過模擬預測氣穴和熔接線的位置，分析溫度、流速和壓力對填充過程的影響。在此基礎上，利用實驗驗證模擬結果的合理性，同時通過拉伸實驗確定壓力和注射速率對包覆層制品質量和力學性能的影響，從而獲得合格制品的工藝參數。

1 包覆套筒模型和流變模型的建立

1.1 包覆套筒有限元模型的建立

套筒的幾何模型和部分尺寸如圖1所示。

套筒側壁高246mm，壁厚2mm，杯底為橢圓形，凸起12mm。澆口長20mm、寬3mm，澆口位置距離套筒開口一側邊緣126mm。本實驗選取Moldflow精度最高的實體(3D)網格，自動劃分網格，共生成四面體網格92707個，節點17161個，最大縱橫比68.6，平均18.63。有限元模型如圖1(b)所示。

圖1 套筒幾何尺寸和有限元模型Fig.1 Sleeve geometry and finite element model

1.2 包覆層的流變模型的建立

描述聚合物流變性能的本構方程有牛頓流體、冪律和Carreau等模型[9]。用Carreau模型描述物料表觀黏度對剪切速率和溫度的依賴性，一般黏度的通用格式為：

η(γ,T)=F(γ)H(T)

(1)

式中：γ為剪切速率；F(γ)和H(T)分別表示黏度的剪切速率依賴性和溫度依賴性。

Bird-Carreau 冪律方程為：

(2)

式中：η∞為材料極限剪切速率時的黏度；η0為零剪切速率時的黏度；λ為材料的時間因子；n為冪律指數。

使用高壓毛細管流變儀測量包覆層在不同溫度下表觀黏度隨剪切速率的曲線，得到黏度—剪切速率的關系F(γ)；測量表觀黏度隨溫度的變化曲線，得到黏度—溫度的關系H(T)，最終得到F(γ)H(T)函數。經過試驗數據的擬合，得到流動方程為：

η(γ,T)={1301+6.03×108×

[1+(7855γ)2]-0.4407}×e[-0.04926×(T-418)]

(3)

2 數值模擬

使用Moldflow對包覆層成型過程中的澆口位置、氣孔缺陷、熔接線和流動前沿溫度進行模擬，同時對成型過程中的流動規律和填充率進行綜合分析，從而選擇出能夠保證包覆層成型的壓力、溫度和注射速率范圍。

2.1 澆口位置的確定

澆口位置的選擇對注射成型非常重要，能夠保證聚合物填充滿整個模具并且減少缺陷的產生。根據包覆層形狀，對比了頂部澆口和側面澆口兩種方式下在不同澆(入)口壓力下的填充率(溫度170℃)見圖2。圖2(a)結果顯示頂部澆口注射時流動阻力大，所需入口壓力更大，流動速率非常慢，最大只有7.4m/s,并且從頂部澆口將模具完全填充滿需50MPa。由圖2(b)可知，對于側面澆口，30MPa的澆口壓力即可填充滿，同時流動速率較快。因此將澆口置于圓柱兩側更有利于成型并降低設備的要求。

圖2 不同澆口位置時澆口流動速度—填充率的曲線Fig.2 Flow rate vs.fill percentage curves of different gate location

2.2 氣穴缺陷和熔接線的分析

包覆層在加工過程中，氣穴的產生是由流體前沿相聚造成空腔或熔料填充的末端氣體不能排出導致。熔接線是指兩股或多股熔體流動前端相遇時形成的痕跡。氣穴分布和熔接線的模擬結果如圖3所示(170℃)，圖中藍色斑點即為預測氣穴出現的位置，主要分布于弧形頂端和開口邊緣。在氣穴和熔接線出現的位置，如果流體黏度較大，兩股流體的分子鏈不能充分穿插和融合，就會在此處產生缺陷，嚴重時會產生明顯外觀破裂，較輕時會影響該位置的力學性能。因此，根據模擬結果指導模具的設計結構，將熔接痕位于分型面附近避免缺陷的出現。

圖3 氣穴和熔接線位置的模擬結果Fig.3 Simulation results of cavitation distribution and weld line

2.3 前沿溫度變化

通過流動過程前沿溫度的分析，可以得出熔體前端在接觸模具各點時的溫度分布。模具溫度為常溫時，熔體溫度很高，在流動前沿會形成一定的溫差。設定模具溫度為25℃時，不同注射溫度條件下，流體前沿溫度分布如圖4(a)所示，最前沿溫度比入口處溫度普遍下降約10℃，溫差較大，很難保證最終產品質量。當設定模具溫度與注射溫度相同時，流體前沿溫度分布如圖4(b)所示，溫差很小。因此在實際生產中需要將模具加熱到與澆口處溫度一致才能保證包覆層的充分填充。

圖4 溫度為25和170℃時的熔體前沿溫度分布圖Fig.4 Temperature distribution diagram of the melt front at 25 ℃ and 170℃

2.4 恒壓注射成型的模擬

加工溫度和注射速率是加工成型過程中最為重要的控制條件，因此，探究它們對制品的影響規律是非常有必要的。模擬澆口壓力條件與實際設備一致，最大為30MPa，溫度分別設為160、165、170℃；將注射速率低、中、高三擋對應設備的7、12、17mm/s。

不同溫度和注射速率下，澆口壓力與填充比例的關系如圖5所示。填充規律為：物料勻速填充，澆口壓力隨著填充率的增加而上升，相同的填充比例時，澆口所需壓力：高速>中速>低速。最終壓力達到上限30MPa，進入壓力控制階段。壓力驅動物料進一步充模，但物料流動速度逐漸減慢。注射溫度對最終填充有決定性作用，溫度越高聚合物黏度越小，越有利于填充完全(如圖5d)，160℃未能充滿，而165、170℃時均能充滿。故預測的成型溫度為165℃以上，注射速率選中速和低速。

圖5 不同溫度下澆口壓力和填充率的關系 Fig.5 The relationship between gate pressure and filling percentage at different temperatures

3 成型工藝參數的實驗驗證

3.1 氣穴缺陷和熔接線的分析

為了清晰地看出實驗過程中物料的流動，在EPDM生膠中加入紅色染料，見圖6(a)。

結果顯示，膠料從注膠口沿弧形流道向模腔前后流動，模腔中的空氣最終聚集到此處，無法排氣，從而造成頭部缺陷，見圖6(b)。

圖6 氣穴和熔接線的實驗結果 Fig.6 Experimental results of cavitation distribution and weld line

圖6中，彩色線即為預測熔接線出現的位置，分布于距離兩個澆口等距的中心位置。熔接線通常只影響包覆層外觀，但當其較粗較長時，會影響到產品的力學性能，在受外力時熔接線所在處容易裂開甚至斷裂[10]，如圖6(c)，因此需要提高模具各部位的定位精度，將熔接痕位于分型面附近，便于排氣和分離。

3.2 壓力和注射速率對EPDM性能的影響

注射壓力和注射速率是成型工藝的主要參數[9]。注射壓力越大，注入到模腔中的膠料就越多，硫化膠密度越高，越有利于提高膠料的性能，但注入膠料過多有可能造成應力集中，反而使膠料的性能劣化；同時，注射壓力越高，能耗越高，對設備的破壞也越大。注射速率是決定注射機注入熔體的速率，它直接影響制品的質量和生產效率。注射速率過快有可能造成膠料的焦燒，因此在上述模擬結果的基礎上，進一步實驗探究了注射壓力和注射速率對包覆層制品最終性能的影響。

根據模擬的結果，選擇注射溫度為170℃。注射壓力為20、25、30MPa，注射速率為低檔(7mm/s)、中檔(12mm/s)、高檔(17mm/s)，得到制品的拉伸強度和斷裂伸長率如表1所示。結果顯示，壓力為30MPa時，中低檔制備的制品的拉伸強度均大于2.4MPa，斷裂伸長率大于540%。同時考慮到生產效率等因素，選擇中等注射速率更為合理。

表1 EPDM的拉伸強度和斷裂伸長率Table1 Tensile strength and elongation at break of EPDM samples

3.3 實際工藝參數的確定

在前期實驗的基礎上，得到初步的注壓參數：注壓溫度170℃，鍍鉻模具溫度170℃且噴涂脫模劑，注壓最大壓力30MPa，中等注射速率 (12mm/s)，注壓量為148cm3。

由該工藝注射成型的包覆層樣品見圖7。從圖7中可以看出，模具的流道板處沒有余膠，澆口處無明顯缺陷，制品表面沒有氣泡并且有一定光潔度，表明該工藝參數合格。從制備的包覆層樣品中隨機抽取頂部、中部、上部和球頭部位，分別測試4個點的厚度，測試結果見表2。同時，在包覆層樣品上、下表面飛邊部位以垂直于分型線方向裁取啞鈴型試樣，測試拉伸性能，結果見表3。

圖7 優化注壓工藝參數后制備的包覆層樣品Fig.7 Coating samples prepared by optimizing injection process parameters

表2 包覆層樣品各部位厚度測試結果Table 2 Thickness of each part of the coating sample

表3 包覆層樣品裁取啞鈴型試樣的拉伸性能Table 3 The tensile properties of dumbbell-shaped specimens cut from coating samples

包覆層樣品的合格要求為：不同部位的厚度均在1.8～2.2mm之間，拉伸強度大于3MPa，拉斷伸長率大于150%。由表2和表3的數據可見包覆層的厚度均勻，拉伸強度均大于3.7MPa并且斷裂伸長率大于740%，遠大于合格產品的要求。因此，最終確定合格產品的工藝參數可確定為：注壓溫度170℃，鍍鉻模具溫度170℃且噴涂脫模劑，注射壓力30MPa，注射速率為中等速率(12mm/s)，注壓量為148cm3。

4 結 論

(1)使用Carreau模型擬合了EPDM包覆層黏度隨剪切速率和溫度變化的流變特性方程，通過Moldflow軟件對其注射成型過程進行數值模擬分析，在擬合的基礎上，通過模擬和實驗相結合的方法得到合適的工藝參數。

(2)選擇側面對稱的雙注射口更有助于成型，氣穴易于弧形頂部形成，熔接線位于兩個澆口等距的位置，模具的分型面應與之一致有利于排氣和脫離。在注射過程中，模具未加熱，流動前沿溫度溫差達10℃，選擇加熱模具和芯腔更為合適。在壓力上限30MPa下，預測的工藝參數為注射溫度高于165℃。

(3)使用拉伸試驗驗證所選范圍內參數對制品力學性能的影響。設定溫度為170℃，注射壓力為20～30MPa，低、中、高注射速率，都可以獲得滿足要求的力學性能。進一步實驗優化，得到最優工藝參數：注壓溫度170℃，鍍鉻模具溫度170℃且噴涂脫模劑，注射壓力30MPa，注射速率為中等速率(12mm/s)，注壓量為148cm3。