微觀因素對(duì)微注塑成型中熔體充模流動(dòng)的影響

【摘要】微觀熔體充模流動(dòng)涉及的影響因素較多，相互作用關(guān)系復(fù)雜，主要包括模具和熔體溫度、模具的結(jié)構(gòu)因素以及一些微觀因素。本文主要介紹熔體的表面張力、慣性力和重力、微觀粘度、壁面滑移等微觀因素對(duì)微注塑成型中熔體充模流動(dòng)的影響。

【關(guān)鍵詞】微注塑成型；溶體流動(dòng)；微觀因素

1.引言

微觀熔體充模流動(dòng)涉及的影響因素較多，相互作用關(guān)系復(fù)雜，但其區(qū)別于宏觀充模流動(dòng)的主要特征是其熔體流動(dòng)通道與型腔的截面尺寸及充填熔體的量微小，由此引發(fā)的充模流動(dòng)中的許多因素明顯與宏觀充模過(guò)程不同。宏觀充模流動(dòng)中可被忽略的影響因素，在微觀條件下可能成為主要因素；而宏觀條件下影響熔體流動(dòng)的主要因素，在微觀條件下可能變得并不重要而被忽略。這些可能的因素包括模具和熔體溫度、模具的結(jié)構(gòu)因素以及一些微觀因素，本文簡(jiǎn)要介紹熔體的表面張力、重力、慣性力、微觀粘度、壁面滑移等微觀因素對(duì)高聚物熔體微尺度下流動(dòng)的影響。

2.熔體表面張力

當(dāng)液體存在與氣體的分界面時(shí)，在液體表面部分可劃出一表面層，處在表面層以下的液體分子，在各方向上受到周?chē)肿拥淖饔昧σεc斥力處于平衡狀態(tài)，而處在表面層的液體分子，受到內(nèi)部液體分子的吸引力與其外部氣體分子的吸引力不相平衡，其合力垂直液面指向液體內(nèi)部。在這一不平衡的分子合力作用下，表面層的液體分子都力圖向液體內(nèi)部收縮。表面張力便是用來(lái)描述表面層這一特征。

表面張力可表示為表面張力系數(shù)與濕周（流體與固體壁面的接觸長(zhǎng)度）的乘積，即，其中為表面張力系數(shù)，為濕周。在流體流動(dòng)過(guò)程中，表面張力既可能促進(jìn)流體流動(dòng)也可能抑制其流動(dòng)，形成如圖1所示的流動(dòng)前沿模型。圖1（a）表示接觸角小于90o時(shí)，表面張力可促進(jìn)流體流動(dòng)：圖1（b）表示接觸角大于90o時(shí)，表面張力具有抑制流體流動(dòng)的作用。其作用原理也可用液面彎曲產(chǎn)生的附加壓強(qiáng)來(lái)解釋?zhuān)郊訅簭?qiáng)可以按以下公式進(jìn)行計(jì)算[1]：

表面張力在許多工程問(wèn)題中都可以忽略不計(jì)，但是當(dāng)問(wèn)題對(duì)象的尺度減小，表面力的作用逐漸大于體積力的作用，此時(shí)就必需考慮表面張力的影響[2]。由于表面張力與特征尺度的一次方成正比，因此隨著尺度的減小，表面張力的影響將相對(duì)增大。另外，表面張力的作用使得流道中的氣泡更加難以排除，氣泡的存在將對(duì)微流體的過(guò)流性能產(chǎn)生影響。即使無(wú)氣泡存在，表面張力引起的表面壓差在流體對(duì)微細(xì)通道的初期填充過(guò)程中也起重要作用。Gravesen等強(qiáng)調(diào)通道內(nèi)存在氣泡的影響，如果存在氣泡，由于表面張力影響，會(huì)使壓降增大。第一次填充通道時(shí)的氣泡可能就會(huì)在通道滯留，很難完全消除。

3.微觀粘度

多項(xiàng)研究表明，流體在微通道中的流動(dòng)行為與常規(guī)尺度通道中的流動(dòng)有很大的不同。試驗(yàn)觀察表明，水、硅油、酒精、聚合物溶液等流體在微小通道壁面附近的粘度比常規(guī)尺寸下的粘度高50%-80%[3]。一些學(xué)者認(rèn)為聚合物溶液的這種粘度增大，是分子鏈的纏結(jié)或分子鏈與通道壁面的粘結(jié)作用所致。當(dāng)高聚物分子鏈的回轉(zhuǎn)半徑與通道的尺寸相比不可忽略時(shí)，這個(gè)現(xiàn)象是很常見(jiàn)的。Eringe等[4]認(rèn)為當(dāng)聚合物分子鏈的均方旋轉(zhuǎn)半徑與通道的尺寸相比不可忽略時(shí)，其粘度與傳統(tǒng)粘度模型之間會(huì)出現(xiàn)偏差，并基于粘性流體非局部連續(xù)理論，結(jié)合分子取向效應(yīng)，建立了針對(duì)聚合物溶液的粘度模型如下：

4.慣性力和重力

在傳統(tǒng)的宏觀樹(shù)脂成型中，同屬質(zhì)量力的慣性力和重力通常被忽略。而在微澆注成形中是否應(yīng)被考慮，至今沒(méi)有一個(gè)明確的定論。一種觀點(diǎn)認(rèn)為，聚合物熔體的微觀結(jié)構(gòu)可以看作成團(tuán)的大分子鏈纏結(jié)在一起，分子鏈之間必然有很大的間隙。當(dāng)微小熔體流動(dòng)時(shí)，慣性力和重力應(yīng)該看成作用在分子鏈上，從而使得它們的影響增大。另一種觀點(diǎn)認(rèn)為隨著特征尺寸的減小，作為特征尺寸二次方的慣性力和特征尺寸三次方的重力，其作用程度會(huì)越來(lái)越小，即微尺度下流體流動(dòng)中重力和慣性力的影響可以忽略[5]。

對(duì)于微尺度下熔體的慣性力和重力，可用無(wú)量綱參數(shù)Te和Oa進(jìn)行量綱分析。Te和Oa分別表示慣性力與粘性力之比，重力與粘性力之比，即：

5.壁面滑移

壁面滑移是聚合物熔體粘彈性行為的重要特征之一。大量的研究表明，在一定條件下熔體會(huì)沿著壁面滑動(dòng)，產(chǎn)生壁面滑移[6]。目前，普遍認(rèn)可的壁面滑移形式主要有兩種，一種是以粘-滑（stick-slip）的形式出現(xiàn)，即當(dāng)熔體在壁面承受的剪切應(yīng)力超過(guò)某一臨界剪切應(yīng)力時(shí)，發(fā)生壁面滑移；另一種滑移以整體滑移（full-slip）的形式出現(xiàn)，熔體的流動(dòng)近似為柱塞式運(yùn)動(dòng)。

壁面滑移的產(chǎn)生機(jī)理十分復(fù)雜，人們?cè)谠囼?yàn)研究和微觀分析的基礎(chǔ)上，把流體力學(xué)原理同微觀分子結(jié)構(gòu)結(jié)合起來(lái)，對(duì)熔體壁面滑移的形成機(jī)理提出了各種不同的解釋。目前，較為一致的觀點(diǎn)主要有三種。一種觀點(diǎn)認(rèn)為在熔體流動(dòng)的通道壁面上總是粘附著一個(gè)薄層，當(dāng)熔體所受剪切應(yīng)力超過(guò)某一臨界值時(shí)，粘附薄層內(nèi)側(cè)的熔體分子和流動(dòng)的本體分子間發(fā)生解纏而隨之流動(dòng)，其分子鏈運(yùn)動(dòng)的速度比按經(jīng)典連續(xù)介質(zhì)力學(xué)計(jì)算的速度要大，從而表現(xiàn)為熔體沿壁面滑移。這被稱(chēng)為熔體壁面滑移的纏結(jié)—解纏機(jī)理，如圖2（a）所示。另一種觀點(diǎn)認(rèn)為當(dāng)熔體在通道壁面處的剪切應(yīng)力超過(guò)某一臨界剪切應(yīng)力時(shí)，粘附于通道壁面的分子會(huì)因解吸附而發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)。這稱(chēng)為壁面滑移的吸附—解吸附機(jī)理，如圖2（b）所示。還有一種觀點(diǎn)認(rèn)為壁面滑移是纏結(jié)—解纏和吸附—解吸附同時(shí)發(fā)生，熔體流動(dòng)時(shí)具體發(fā)生哪種壁面滑移要取決于聚合物熔體的彈性、分子結(jié)構(gòu)以及它與通道壁面的粘附性等因素。對(duì)吸附能力強(qiáng)的通道壁面而言，纏結(jié)一解纏結(jié)是造成壁面滑移的主要原因，由此產(chǎn)生的滑移多以粘—滑的形式出現(xiàn)；對(duì)吸附能力弱的通道壁面材料而言，吸附—解吸附是產(chǎn)生壁面滑移的主要原因，而此時(shí)產(chǎn)生的滑移很可能為整體滑移[7]。如果澆注微流道為硅膠材質(zhì)，通道壁面屬于彈性體，表面能很低，熔體與壁面相互作用弱，因此，熔體很可能會(huì)發(fā)生整體滑移，有益于熔體在微型腔中的充填。

6.總結(jié)

本文分析了微尺度下高聚物熔體充填過(guò)程中模具和熔體溫度、模具型腔壁面粗糙度、表面張力、微觀粘度、慣性力及重力、壁面滑移對(duì)熔體流動(dòng)充填的影響。結(jié)果表明，除微觀粘度的作用可以忽略外，其它因素對(duì)熔體在微尺度下的充填都有一定的影響。

參考文獻(xiàn)

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