纯树脂流体辅助共注塑工艺—形态—性能研究

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流体辅助共注塑(Fluid-Assisted Co-Injection Molding, FACIM)工艺是一种新型注塑工艺,该工艺结合了流体辅助注塑(Fluid-Assisted Injection Molding, FAIM)技术和共注塑(Co-Injection Molding, CIM)技术,可用来生产形状复杂的具有多重包覆结构的中空制品。根据所使用的流体,工艺也相应分为气体辅助共注塑(Gas-Assisted Co-Injection Molding, GACIM)和水辅助共注塑(Water-AssistedCo-Injection Molding, WACIM)两种。国内外关于对FACIM成型机理分析较少且尚不成熟。本文对FACIM工艺、制品微观组织形态和力学性能方面进行研究分析,为FACIM的应用与发展提供一定的理论依据和技术支持。本文主要开展了以下工作:(1)阐述了FACIM工艺的成型原理和特点,研究现状及应用现状,确定了本文的研究内容和思路。(2)基于自行构建的流体辅助共注塑实验平台对溢流法FACIM工艺试样残留壁厚进行实验研究,比较了水与氮气两种辅助介质在不同截面型腔(直圆管,非圆直管)与材料不同注射顺序中的穿透行为差异,并分析了影响机理。实验对比发现相同工艺参数下:WACIM试样内层熔体残余壁厚沿轴向存在波动,而GACIM试样内层熔体残留壁厚则较稳定;在两种工艺中,内外层熔体的粘度差异都会直接影响内外层间界面的稳定性,从而影响外层熔体残余壁厚的均匀性;内层熔体粘度低于外层熔体粘度可保证外层熔体残余壁厚的均匀性;非圆截面型腔成型时,WACIM试样的总残留壁厚和内层残留壁厚的截面均匀性相对GACIM均较差,GACIM表现出更好的型腔截面适应性,穿透截面更趋于型腔截面。(3)通过偏光显微镜(polarized optical microscopy, POM)观察了FACIM、FAIM制品的微观组织形态,通过二维X射线衍射仪(two-dimensional wide-angleX-ray diffraction,2D-WAXD)观测、计算了这几种工艺的结晶分布。对比分析发现: WAIM与WACIM制品由于水和模具的冷却作用,两侧(即近模具侧与近水侧)的晶粒细密,结晶度低,中间晶粒粗大,结晶度高; GAIM与GACIM制品其结晶度越靠近模具越低,越往芯层越高。(4)基于Fluent流体仿真平台,通过自行开发的UDF函数,实现了WACIM工艺的充填(包括熔体充填、水填充、延迟)、冷却与结晶过程的连续模拟。结晶模型采用Nakamura结晶模型。模拟结果与实验相符。由此进一步通过模拟手段分析了各成型工艺参数对制品结晶度的影响,发现水温、模具温度、料温对制品结晶度影响较大且存在一定规律,若改变料温、水温及模温,则可以实现对制件结晶度及性能的控制。(5)通过实验研究了FAIM和FACIM制品的拉伸力学性能。研究发现:拉伸强度主要由试样成型残余壁厚决定;拉伸伸长率则受制件结晶的影响,GAIM制件靠近内壁面处晶体较大拉伸伸长率较低,而WAIM制品内外侧晶体较细,拉伸伸长率较大。FACIM制品拉伸断裂分两阶段,内外侧塑料未能很好地链接,拉伸过程中会产生分离,其拉伸力学表现与相应FAIM制品相似。(6)研究了WACIM制品的气泡及径向二次穿透缺陷。通过实验探究了这些缺陷对制品性能的影响,分析了这些缺陷形成原因,并提出解决、改善方案。注塑工艺选择不当或模具设计不合理均可能导致这些缺陷;WACIM制品的气泡缺陷会降低产品的拉伸强度和拉伸伸长率,对制品性能影响较大;气泡缺陷主要是注水过程中水里混有空气所致,若在WACIM注塑时保证纯水注入,则可消除该现象;突变截面的型腔设计容易产生死角熔体堆积,进而导致WACIM制品产生径向二次穿透,影响制品性能,若在变截面之间设一过渡段可避免该现象的产生。
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