塑料体积脉动注射成型技术研究

秦森，何和智，张涛，黄照夏，瞿金平*

（1.聚合物新型成型装备国家工程研究中心，广州 510641；2.聚合物成型加工工程教育部重点实验室，广州 510641；3.广东省高分子先进制造技术及装备重点实验室，广州 510641；4.华南理工大学机械与汽车工程学院，广州 510641；5.广东伊之密精密注压科技有限公司，广东 佛山 528000）

0 前言

随着经济社会的发展，市场对塑料产品提出了更高的要求，这迫使注射成型装备向高端化发展，其核心思想就是如何低成本且高效地利用高分子材料制造出高质量塑料产品。基于该思想，目前国内外对注射成型的研究主要集中于装备优化和模流分析两个方面。在注射成型装备优化方面，主要是解决注塑机高速［1］、高精度［2］、智能化［3］以及节能［4］等问题。在注射成型模流分析方面，主要是利用Moldflow、Moldex3D等成熟商业软件辅助模具和工艺设计［5］，或者与晶体生长、相形貌演变、纤维取向等相结合进行多尺度多物理场模拟研究［6］。

然而，这些研究大都基于传统注射成型装备，在高分子材料加工原理和方法方面未展示出较大的突破，缺乏调控高分子材料微观结构的能力，无法优化高分子材料成型过程，从而难以制造高质量塑料产品。因此，有必要研究注射成型新原理、新方法与新装备，以制造高性能塑料产品，从而满足市场需求。

自20世纪80年代以来，我们团队一直致力于将脉动力场引入以注射成型为代表的高分子材料加工中，使物料承受周期性波动的应力/应变，从而将传统的基于稳态力场的加工原理改变成新颖的基于脉动力场的加工原理，实现对高分子材料加工原理的根本突破［7］。近几年来，我们团队基于该原理发明了体积脉动注射成型技术，使注射成型装备具有调控高分子材料微观结构的能力，从而可优化高分子材料成型过程以及强化塑料产品服役性能［8-11］。本文主要介绍体积脉动注射成型技术研究进展，以展示其优点与潜在应用。

1 体积脉动注射成型技术

如图1所示，基于脉动力场的加工原理，我们团队在20世纪90年代发明了电磁式动态注射成型方法及装备［7］。该注塑机利用电磁绕组产生振动力，并将振动力施加到螺杆上，使螺杆在原来匀速运动基础上叠加周期性运动，从而将脉动力场可控地引入到注射成型全过程中（包含塑化、注射和保压）。基于电磁式动态注射成型装备，我们团队开展了流变学、振动学、流体力学、材料学等方面的基础理论研究，以阐明脉动力场在高分子材料注射成型过程中的作用机制，发现脉动力场的引入可降低加工能耗、减小运行噪音、提高制品质量等［12-13］。

图1 电磁式动态注射成型装备Fig.1 Electromagnetic dynamic injection molding machine

电磁式动态注射成型装备可对高分子材料施加频率较高的脉动力场，但其振幅较小，如Wang等开发的DPII-90型电磁动态注射成型装备可执行的频率和振幅范围分别为0～20 Hz和0～0.4 mm［14］。如图2所示，为了解决该问题，我们团队发明了体积脉动注射成型技术和装备，可利用伺服电机直接驱动齿轮泵以产生波动的流量和压力，迫使螺杆周期性运动，从而可在整个注射成型全过程中对高分子材料施加振幅较高的脉动力场，可执行的频率和振幅范围分别为0～5 Hz和0～6 mm［8，15］。在脉动力场作用下高分子链会发生解缠结、取向、伸展等运动行为，将降低材料黏度、诱导形成取向结构等，从而可缩短成型周期、减小成型压力、提高模腔压力、增加产品致密性、提升力学性能等。此外，体积脉动注射成型装备具有实现方式简单、无须额外辅助设备等优点，适合于工业化应用。

图2 体积脉动注射成型技术Fig.2 Volume-pulsation injection molding technology and equipment

2 脉动力场强化注射过程

如图3（a）所示，开发了基于脉动力场的毛细管流变仪，以研究脉动力场对高分子材料黏度的影响。毛细管流变仪工作原理如下：在稳态力场条件下柱塞以恒定的速度往下运动，将熔体从口模处以恒定的速度射出；在脉动力场条件下柱塞以周期性波动的速度往下运动，将熔体从口模处以时快时慢的速度射出。将PET（广州泛亚聚酯有限公司，牌号FY1002）作为实验材料，分析脉动力场对PET材料黏度的影响。如图3（b）所示，柱塞以14 mm/s的恒定速度对熔体施加稳态力场，可计算出熔体承受的剪切速率为1 612.8 s-1；另外，柱塞以平均值为14 mm/s的周期性变化速度对熔体施加脉动力场，可计算出熔体承受的平均剪切速率为1 612.8 s-1。如图3（c）所示，在毛细管流变仪机筒里安装了压力传感器以获取熔体压力。在稳态力场作用下熔体压力恒定，其值为10.95 MPa，可计算出剪切应力为0.67 MPa；在脉动力场作用下熔体压力周期性波动，其平均值为9.41 MPa，可计算出平均剪切应力为0.63 MPa。熔体压力和剪切应力在脉动力场作用下的减小代表了熔体黏度的下降。如图3（d）所示，通过剪切速率和剪切应力，可以计算出不同温度和柱塞速度下的PET熔体黏度，可以发现在脉动力场作用下PET熔体黏度明显下降。PET材料流动能力的改善源于高分子链在脉动力场作用下的解缠结行为，这有利于降低成型压力、缩短充模时间、减少成型缺陷等［16］。

图3 基于脉动力场的毛细管流变仪及测试数据Fig.3 The capillary rheometer and test data based on pulsation force field

3 脉动力场强化保压过程

如图4（a）所示，开发了注塑模腔压力测试系统，以研究脉动力场对保压过程中模腔压力的影响。注塑模腔压力测试系统组成如下：在近浇口和远浇口分别安装了压力传感器（奇石乐，型号6157）；注射成型过程中的模腔压力数据将由压力传感器传递给数据采集系统（奇石乐，型号5887A）。以PE-HD（中国石油天然气股份有限公司，牌号DMDA8008）为实验材料，分析脉动力场对保压过程中模腔压力的影响。常规注射成型的保压压力设为恒定的55 bar；体积脉动注射成型的保压压力设为周期性波动的（55±26.25） bar，其脉动频率为1.5 Hz。常规注射成型和体积脉动注射成型的模具温度均为30 ℃。如图4（b）所示，模腔压力在保压过程中依次表现出3种状态：首先，由于从充模阶段转变为保压阶段，模腔压力将迅速提升至最高值；接着，由于浇口尚未封闭，螺杆施加给熔体的压力能够传递进模腔内，促使模腔压力将维持高压一段时间；最后，由于浇口封闭，螺杆施加给熔体的压力无法传递进模腔内，导致模腔压力将迅速下降。将脉动力场作用引入到保压过程后，可以发现模腔压力明显提升，浇口封闭时间延长。在近浇口处，相比于常规注塑的模腔压力，脉动注塑的平均模腔压力提升了约95 bar，增幅约为14.6%；相比于常规注塑的浇口封闭时间，脉动注塑的封闭时间延长了约3.15 s，增幅约为17.3%。在远浇口处，脉动注塑的平均模腔压力也明显提升，并且其浇口封闭时间也明显延长。这些现象表明：在保持平均保压压力不变的情况下，体积脉动注射成型技术利用脉动力场作用减少了流道中的压力损失，从而提升了模腔压力，并加剧了浇口处的黏性耗散生热，从而延长了浇口封闭时间。由于模腔压力的提升和浇口封闭时间的延长，体积脉动注射成型技术可实现对塑料产品的强制补缩效果，有利于提高塑料产品尺寸精度与稳定性［17-18］。

图4 注塑模腔压力测试Fig.4 Injection mold cavity pressure test

4 脉动力场诱导取向结构

为了研究脉动力场对不相容共混体系微观结构和力学性能的影响，将PE-HD（中国石油天然气股份有限公司，牌号DMDA8008）作为基体，PET（广州泛亚聚酯有限公司，牌号FY1002）作为分散相，以85∶15的质量比将两种材料进行双螺杆挤出机共混造粒，再利用体积脉动注塑机将母粒注射成型哑铃形样条，最后采用万能试验机（美国INSTRON5566）以50 mm/min的拉伸速率进行拉伸性能表征，采用摆锤冲击试验机（美国MTS系统公司ZBC7251-B型）进行冲击性能表征，以及采用X射线散射仪（法国Xenocs公司，型号：Xeuss 2.0，波长：0.134 144 nm）进行二维广角表征。如图5所示，随着振幅的增加，冲击强度和屈服强度均上升，实现了PE-HD/PET不相容共混体系的自增韧和自增强，这打破了高分子材料增韧和增强不可兼得的研究瓶颈。为了阐明不相容共混体系力学性能强化的原因，采用了二维广角测试对试样晶体结构进行了表征。如图6所示，在所有试样的二维广角图案中均有两个清晰的衍射环，从内到外分别代表PE-HD的（110）和（200）晶面。在所有体积脉动注射成型试样中，衍射环均以弧状的形式存在，这代表PE晶体的取向。如图7所示，将（110）晶面衍射分布沿-120 °～6 °的方位角进行积分，可以发现所有体积脉动注射成型试样的（110）晶面衍射峰均位于赤道附近，这更清晰地代表了PE晶体沿流动方向的取向特征。因此，在脉动力场作用下PE晶体产生了取向，这是PE-HD/PET不相容共混体系力学性能强化的原因。这些现象表明：体积脉动注射成型技术可以利用脉动力场调控高分子材料取向结构，以提升塑料产品综合服役性能。

图5 基于脉动力场的PE-HD/PET共混体系力学性能Fig.5 Mechanical properties of HDPE/PET blend under pulsation force field

图6 不同加工条件下二维广角图案Fig.6 2D-WAXD patterns at different processing conditions

图7 不同加工条件下（110）晶面衍射分布Fig.7 The （110） azimuthal distributions at different processing conditions

5 结语

体积脉动注射成型技术及装备的开发实现了对注射成型原理的突破，将传统的稳态力场加工原理改变成新颖的脉动力场加工原理，使注射成型装备具有调控高分子材料微观结构的能力，可降低材料黏度、提高材料流动能力、提升模腔压力、延长浇口封闭时间、诱导形成取向结构等，有利于缩短成型周期、降低成型压力、减少成型缺陷、增加产品致密性、改善产品均匀性、强化产品服役性能等，为制造高性能塑料产品提供了有效方法。