共注成形过程中聚合物流动特性的物理可视化试验.doc

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1、优选共注成形过程中聚合物流动特性的物理可视化试验姜开宇，鲁勇，杨磊，王龙飞（某某理工大学模塑制品教育部工程研究中心，某某某某）摘要：目前对于聚合物制品共注成形工艺过程中熔体流动特性的理论研究还缺乏直接可靠的试验依据。针对这一现状，文中通过自行开发的可视化试验装置及高速摄像机直接观测共注成形时聚合物熔体流动过程，并与相同成形参数下聚合物在相同尺寸结构的金属型腔内的流动过程进行对比，对其流动特性进行分析。研究结果表明，共注成形的熔体充型流动过程会显示出与常规注射成形不同的特征。熔体的温度是影响共注塑成形特性的主要因素，

2、不同温度的熔体在不同的注射速率下也会呈现出不同的成形特性。关键词：共注成形；注射成形；聚合物熔体；流动特性随着科技水平的不断提高，传统单组分的聚合物制品已经难以满足现代工业制品在结构、外观、性能等方面日益增长的需求，共注塑工艺可以通过分次或同时注射多种聚合物材料而制备出能够满足现代工业应用需求的制品，从而得到了越来越广泛的应用。与普通注射成形中聚合物熔体在金属型腔内的充型流动过程不同，由于共注塑成形时聚合物熔体接触的是预成形的聚合物表面，其充型流动过程会显示出不同的特征。然而由于采用常规的试验手段难以对共注成形过程

3、进行直接观测，给分析共注成形工艺过程特性及对制品性能的作用机理带来了很大的困难。针对这一问题，本研究采用物理可视化技术，通过自行开发的可视化试验装置及高速摄像机直接观测共注成形时聚合物熔体流动过程，通过图像分析技术根据可视化观测结果对聚合物充型流动过程的速度－位置关系进行表征，并与相同成形参数下聚合物在相同尺13/13优选寸结构的金属型腔内的流动过程进行对比，对其流动特性进行分析，为共注成形技术的研究提供可靠的依据。１实验部分１．１研究对象本研究的所采用的成形试样为１２ｍｍ×６０ｍｍ×２ｍｍ的矩形共注塑成形ＰＰ制件

4、，其结构如Ｆｉｇ．１所示。成形方法：首先在留有沟道的镶块中注塑具有沟槽的ＰＰ预制件，再将预制件置入矩形模具型腔内，使预制件和矩形镶块组成具有三条沟道的新的镶块，最后经过二次注射ＰＰ充满沟槽后即得共注成形制品。该二次注射充填过程为本研究的主要研究对象。此外还加工了与预制件相同结构尺寸的金属模具型腔镶块，来对比ＰＰ熔体在金属型腔沟槽以及聚合物预制件沟槽内的流动特性。13/13优选１．２试验设备Ｆｉｇ．２为物理可视化试验系统，该系统主要包括注塑机、可视化模具、高速摄像机、数据采集装置等。其中注塑机采用德国ＢＯＹ公司的ＢＯ

5、Ｙ１２Ａ型注塑机；高速摄像机为日本ＮＡＣ公司ｆｘＫ４型hotshot512sc高速摄像机，最大拍摄帧率10000帧／秒，本研究中可视化试验采用的拍摄帧率为2000祯／秒。13/13优选在照明装置的辅助下，高速摄像机透过模具上的石英玻璃视窗，直接拍摄熔体在模具型腔内的流动过程。可视化模具的结构如Ｆｉｇ．３所示，其型腔为模块化结构,可以根据试验需要在不拆卸模具的情况下将型腔滑块抽出，更换不同的型腔镶块。成形时首先将预制件成形型腔镶块（Ｆｉｇ．４ａ）固定到型腔滑块上后装入模具中，注射成形出带有沟槽的ＰＰ预制件（Ｆｉｇ．５

6、ａ）；然后取出型腔滑块，将型腔镶块更换为共注成形型腔镶块（Ｆｉｇ．４ｂ），置入ＰＰ预制件，合模后进行二次注射（共注成形），得到共注成形试样（Ｆｉｇ．５ｂ）。对比试验时，将共注成形型腔镶块更换为金属沟槽型腔块（Ｆｉｇ．４ｃ），采用与共注成形相同的试验参数注射成形。13/13优选13/13优选１．３试验材料与成形参数采用某某西太平洋石化生产的牌号为Ｔ30S的PP粒料进行工艺参数对共注成形特性影响的对比试验。试验中将熔体温度和注射速度设为变量，模具温度为常量并设为５０℃，共设置如Ｔａｂ．１所示９组试验参数。２结果与讨论２

7、．１熔体流动行为的可视化表征从高速摄像机拍摄的各组熔体充填流动过程的视频图像中提取等间隔的15帧图像；利用Ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ将每组选取图片中的熔体流动前沿叠加到同一X图片上，合成的图片如Ｆｉｇ．６中的ａ所示；如Ｆｉｇ．６中ｂ所示，以可视化模具视窗下沿与试样中心线的交点为坐标原点，利用图像分析软件Image-proPlus通过打点的方式求出各个熔体流动前沿的坐标；通过比例换算即可得到这一时刻熔体在型腔内的流动距离Ｌ；由高速摄像机拍摄速率（2000帧／秒）及所提取图像在整个视频图像中所对应的帧数，可以得到相邻两帧图像熔

8、体流动前沿的流动时间Ｔ；13/13优选由此可以得到任意相邻流动前沿之间流动速度的平均值计算公式（１）。13/13优选式中：ＶN———熔体在第Ｎ－１个流动前沿与第Ｎ个流动前沿之间流动的平均速度；ＬN和ＬN-1———第Ｎ个和第Ｎ－１个流动前沿到浇口的距离；ＴN———熔体在这两个相邻流动前沿之间流动的时间；ＸN与ＸN-1———第Ｎ个和第Ｎ－１个流动前沿对应时刻的帧