第1章：注塑模具中的聚合物流动行为
- 注塑成型的阶段
- 塑料如何流动？
1.1 注塑成型的阶段
任何成型人员都能证明，本章讨论的各种条件和效应确实会在注塑过程中发生。仅凭这些知识可在一定程度上改善质量。只有在初始设计阶段运用 Moldflow 分析，并使模具按最佳充填模式设计，才能控制这些效应并获得全部收益。
流动技术研究塑料在充填模具过程中的行为。塑件的性能取决于其成型方式。两个尺寸相同、材料相同但成型条件不同的零件，会具有不同的应力和收缩水平，在实际使用中也会表现不同。因此，从实际意义上说，它们是两种不同的零件。
塑料流入模具的方式对零件质量至关重要。通过明确分析充模过程，可以预测压力、温度和应力。
1.1.1 塑料如何充满模具
研究人员使用了一个中心进浇、外缘较厚且形状类似餐盘的模具进行考察。结果表明，尽管注塑过程复杂，仍可将其划分为三个阶段。这里使用“阶段”一词，以免与程序化注射中所称的“注射阶段”混淆。
图 1.1：用于研究流动的圆盘模具剖面。
1.1.1.1 充填阶段
柱塞向前移动时，起初以稳定速度使塑料流入型腔，这就是充填阶段。该阶段持续到模具刚好充满为止。
1.1.1.2 加压阶段
充填阶段结束后，柱塞继续向前移动，使模具建立压力，加压阶段由此开始。模具充满后，柱塞会减速，但仍会移动相当长的距离，因为塑料是高度可压缩的材料。在注塑压力下，型腔中可额外压入约 15% 体积的材料。
流体通常被视为不可压缩，但熔融塑料更应被视作类似气体。可通过堵住喷嘴并尝试清空料筒来观察塑料的可压缩性。施加压力时，柱塞会突然前冲，卸压后又会弹回。
1.1.1.3 补偿阶段
加压阶段之后，柱塞并不会立刻完全停止，而会在一段时间内继续缓慢前移。塑料从熔体转变为固体时，体积变化很大，约为 25%。这一点可从短射试样看出，塑件与型腔之间的体积差正是这种体积变化所致。
柱塞为补偿零件体积变化而继续前移的过程称为补偿阶段。由于体积变化为 25%，而加压阶段最多只能额外注入约 15% 的材料，因此补偿阶段始终不可避免。
图 1.2：注塑成型的阶段。
图 1.3：注塑成型阶段详图。
1.1.2 充填阶段
双颜色技术最能说明这一阶段。先将注塑机料筒排空，随后加入少量红色塑料，再加入绿色塑料。设想模具已闭合，塑料前沿刚从喷嘴开始流动。塑料先充满主流道和分流道系统，继而进入型腔，形成一个小型熔体泡。
与冷模壁接触的塑料表皮会迅速冻结，而中心芯部仍保持熔融。继续注入材料时，新材料流入中心芯部并置换其中已有的材料，后者进而形成新的流动前沿。被置换材料的流动同时包含向前流动和向外流动。向外流动接触模壁后冻结，形成下一段表皮，向前流动则形成新的熔融芯部。随着更多材料进入模具，它沿由这些冻结塑料壁衬成的通道流动。
这种流动模式常被称为喷泉流或泡状流，因为流动前沿如同一个由中心热塑料不断吹胀的气泡。冻结层由流动前沿的膨胀形成，因而只承受较低剪切应力，分子取向很低。一旦冻结，它便无法再取向，所以成品中的冻结层取向水平也很低。
图 1.4：喷泉流和热传递。
再考察上游区域。高温塑料持续流动，带来新的热材料并产生显著的摩擦热。与此同时，热量经由冻结层传递给冷模表面。开始时冻结层很薄，热量散失很快，更多塑料因此冻结，冻结层也随之变厚并降低热流。经过一段时间，冻结层会达到这样的厚度，传导散失的热量等于塑料流动和摩擦加热输入的热量，即达到平衡状态。
计算达到平衡所需的时间很有意义。与冻结层中塑料较小的热含量相比，实际热流很大，因此往往在几十分之一秒内便达到平衡。总充填时间以秒计，故冻结层会在充填循环早期进入平衡状态。
冻结层厚度会随条件改变。若降低注射速率，流动路径上的摩擦热和流动带入的热量都会减少，热损失速率却不变，冻结层便会增厚。提高注射速率则会使冻结层变薄。同样，提高熔体温度和模具温度也会减小冻结层厚度。
图 1.5：注射速率对冻结层厚度的影响。
1.1.2.1 流动剪切应力
聚合物的各种应力水平与取向容易混淆。塑料流动时会承受剪切应力，也称流动剪切应力。它会使材料取向，即使分子大致沿流动方向排列。剪切应力在外侧最大，向中心逐渐降至零。
剪切应力仅由力和面积决定，不应与剪切速率混淆。剪切速率表示塑料相对相邻层滑移的速率。在塑料冻结的外缘，剪切速率为零，紧靠冻结层内侧达到最大，随后向中心降低。
图 1.6：剪切速率分布。
若停止流动并让塑料极缓慢冷却，取向有时间松弛，残余取向会很低。反之，若材料仍受应力而塑料骤然冻结，大部分取向就会被锁定在冻结塑料中。
图 1.7：沿塑件厚度方向的分子取向。
从模具表面向中心观察，冻结层本身在极低剪切下形成，因此取向很低，并立刻冻结，从而固定了这一低取向水平。冻结层内侧紧邻的一层承受最大剪切应力，在流动停止的瞬间冻结，几乎锁住全部取向。越靠近中心，剪切应力越低，冷却越慢，取向松弛时间越长，因此残余取向会朝中心迅速降低。
该取向模式决定残余应力模式。通常，取向材料比未取向材料收缩更大。原冻结层内表面的高度取向材料想显著收缩，却受到低取向材料约束，结果高取向层处于拉伸状态，低取向材料处于压缩状态。这种残余应力模式是塑件翘曲的常见原因。
充填时的剪切应力，即流动应力，会经由取向与最终塑件的残余应力相联系。因此，Moldflow 图中显示的充填剪切应力可作为设计参数。
1.1.3 加压阶段
从流动行为看，加压阶段与充填阶段非常相似。随着模具建立压力，流速可能略有下降，冻结层会随之增厚。主要差别在于静水压，即各向同性压力升高。正如第 2 章第 2.4 节所述，静水压本身不会产生任何残余应力。
1.1.4 补偿阶段
补偿流动是不稳定的。再次考虑圆盘形塑件。人们会认为，穿过薄隔膜均匀流动的塑料应能补满厚边缘。实际中，补偿阶段的塑料却会以像三角洲般扩散的河流形式流动。这看似意外，但可由温度不稳定性解释。
图 1.8：河流式流动。
1.1.4.1 温度变化
注塑机料筒输出的熔体温度始终存在一定波动。在特殊情况下，利用高速热电偶可测得高达 40 ℃ 的温差。
1.1.4.2 自然不稳定性
无论初始温度差异多小，自然不稳定性都会将其放大。若某处熔体略热，该处塑料流动会略大，进而把更热的材料带入该处并维持温度。另一处若较冷，流动会较小，热输入更少，塑料会继续变冷直至冻结。即使初始条件完全平衡，自然不稳定性仍会导致河流式流动。
这一点十分重要。最先冻结的材料会在循环早期收缩。待河流中的材料冻结时，大部分材料已冻结并发生收缩。河流相对于塑件主体收缩，且其取向很高，收缩也会很大，最终在塑件内部形成高应力拉伸构件，成为翘曲的常见原因。
1.1.4.3 最佳塑件质量
塑件中的大部分应力发生在补偿阶段。通过控制流动并将应力降至最低，可以针对最佳塑件质量进行设计。这一要点正是 Moldflow 理念的核心。
1.2 塑料如何流动？
1.2.1 材料行为
熔融热塑性塑料表现出黏弹性，同时具有黏性液体的流动特征和弹性固体的特征。黏性液体流动时，导致变形的能量会耗散并转化为黏性热。弹性固体变形时，驱动能量则被储存。例如，水流是典型的黏性流动，橡胶块的变形则属于弹性行为。
1.2.2 变形
除两种材料流动行为外，还有简单剪切和简单拉伸，也称伸长，两种变形。注塑充填时，熔融热塑性塑料主要发生剪切流动，各材料微元层彼此“滑移”。当熔体通过尺寸突变区域，例如浇口区域时，材料微元会被拉长，拉伸流动便变得显著。
图 1.9：（a）简单剪切流动，（b）简单拉伸流动，（c）型腔充填中的剪切流动，（d）型腔充填中的拉伸流动。
1.2.3 黏弹性行为
熔融热塑性塑料在外加应力，即单位面积上的力作用下表现出黏弹性，同时具有理想黏性液体和理想弹性固体的特征。换言之，在某些条件下，熔融热塑性塑料像液体一样，会在剪切应力持续施加时不断变形。卸除应力后，材料又在一定程度上像弹性固体一样，能够部分恢复变形。
这种黏弹性行为来自熔融状态下聚合物分子的无规线团构型。外加载荷可使分子链移动和滑移，但聚合物分子链之间的缠结也使体系在施加和卸除外载荷时表现得像弹性固体。卸除应力后，分子链会趋向回到平衡的无规线团状态，从而构成应力恢复的一部分。由于体系中仍存在缠结，恢复并非瞬时完成。
图 1.10：（a）理想黏性液体在施加应力下持续变形，（b）理想弹性固体在施加应力时立即变形、卸除应力后完全恢复，（c）熔融热塑性塑料在施加应力下持续变形，如黏性液体，同时在卸除应力后部分恢复变形，如弹性固体。
1.2.4 熔体剪切黏度
1.2.4.1 什么是剪切黏度？
熔体剪切黏度是材料抵抗剪切流动的能力。由于具有长分子链结构，聚合物熔体通常黏度很高，范围约为 2 至 3,000 Pa·s。水约为
其中，
图 1.11：以简单剪切流动说明聚合物熔体黏度的定义。
1.2.5 牛顿流体与非牛顿流体
对于牛顿流体，黏度是仅随温度变化的常数，与剪切速率无关。水是牛顿流体的典型例子。包括大多数聚合物熔体在内的非牛顿流体，黏度不仅随温度变化，也随剪切速率变化。
1.2.6 剪切变稀行为
聚合物变形时，分子链会发生一定程度的解缠、彼此滑移，并沿所施应力方向取向。由于微观结构趋于沿流动方向排列，聚合物表现出的流动阻力会降低。这通常称为剪切变稀行为，即高剪切速率下黏度更低。
剪切变稀有利于聚合物熔体加工。若把开放管中的水驱动压力加倍，水的流量也会加倍，因为水没有剪切变稀行为。对聚合物熔体，在类似条件下压力加倍可使熔体流量提高 2 至 15 倍，具体取决于材料。
1.2.7 剪切速率分布
介绍剪切黏度概念后，考察注塑时型腔内的剪切速率分布。相邻材料微元彼此滑移得越快，剪切速率越高。对于典型熔体速度分布，最高剪切速率位于冻结层内侧。由于流动对称性，中心线处没有材料微元的相对运动，所以剪切速率为零。剪切速率是一项重要流动参数，因为它会影响熔体黏度及剪切，即黏性，发热量。型腔中聚合物通常经历 100 至 10,000 s
图 1.12：（a）典型速度分布，（b）注塑充填中相应的剪切速率分布。
1.2.7.1 温度和压力的影响
温度降低时，聚合物分子链的可动性降低，因此聚合物熔体的流动阻力高度依赖温度。随着剪切速率和温度升高，熔体黏度会因分子解缠与取向及分子可动性增强而降低。此外，熔体黏度也取决于压力。压力越高，熔体黏度越大。
1.2.8 压力驱动流动
充填阶段的熔融热塑性塑料由压力驱动，以克服熔体流动阻力。熔融热塑性塑料从高压区流向低压区，如同水从高处流向低处。充填阶段在注射喷嘴处建立高压以克服聚合物熔体流动阻力。压力沿流动长度逐渐降低，直至聚合物熔体前沿。若型腔排气良好，前沿处压力达到大气压。
图 1.13：聚合物熔体黏度取决于剪切速率、压力和温度。
图 1.14：充填和早期保压阶段型腔内压力分布的演变。
1.2.9 压力梯度与注射时间
充填阶段应由注射时间，即速度控制。塑件应以这样的方式充填，使充填过程中压力梯度，即单位流动长度的压降保持恒定。为维持恒定压力梯度，随着流动前沿穿过塑件，机器喷嘴处的压力需持续升高。不同充填时间对应不同压力梯度。充填时间越短，压力梯度越陡。但对于每一种充填时间，单位时间内压力的变化率都近似均匀。
图 1.15：注射时间与压力梯度的关系。
1.2.10 熔体流动长度
在给定加工条件和壁厚下，材料在注塑过程中能够流动的距离取决于材料的热性能和剪切性能。这一行为可由熔体流动长度表征。
1.2.11 注射压力与充填时间
将充满型腔所需的注射压力与充满型腔的时间作图，会得到 U 形曲线。所需注射压力的最小值出现在中间充填时间。曲线呈 U 形，是因为短充填时间意味着高流速，填充模具需要更高注射压力。充填时间较长时，产生的剪切热较少，聚合物黏度升高，塑件中聚合物温度降低，也会提高充填所需压力。注射压力与充填时间 U 形曲线的尺度取决于所用材料、流动长度和塑件壁厚。最佳时间范围不仅取决于压力，也取决于聚合物温度变化和充填阶段形成的剪切应力。
图 1.16：熔体流动长度取决于塑件厚度和温度。
图 1.17：注射压力与充填时间的 U 形曲线。
1.2.12 流动不稳定性
型腔充填动力学有时会因熔体速度，也就是剪切速率、熔体黏度和熔体温度之间的相互作用而变得复杂。熔体黏度会随剪切速率和温度升高而降低。较高熔体速度造成的高剪切速率和剪切发热可能降低黏度，使流速实际提高。这会产生更高的剪切速率和温升，是高度剪切敏感材料固有的不稳定性。