夾芯注射成型塑件厚度對芯層物料分布影響

王濤，胡麗華，孔勝午

(1.河北機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院機械工程系，河北邢臺 054000； 2.河北省高校金屬材料加工與數(shù)字化成型應(yīng)用技術(shù)研發(fā)中心，河北邢臺 054000)

夾芯注射成型是一種多物料注射成型工藝。該工藝也稱為順序共注射成型，其按殼層、芯層、殼層的先后順序?qū)⑷垠w注入模腔，最終形成殼層物料在外、芯層物料在內(nèi)的夾芯結(jié)構(gòu)塑件[1-4]。這種夾芯結(jié)構(gòu)使其表現(xiàn)出與普通單物料注射成型不同的特殊性能，而芯層物料的分布情況則是上述特殊性能的主要影響因素[5-6]。

注塑產(chǎn)品設(shè)計時，常以調(diào)整塑件厚度的方式實現(xiàn)某些目的，例如：減少物料使用量、提高力學(xué)性能等[7-9]。夾芯注射成型模腔內(nèi)熔體呈現(xiàn)多相分層流動狀態(tài)，較普通單物料注射成型復(fù)雜的多[10-11]。夾芯注射成型塑件厚度發(fā)生變化時，模腔中熔體沿各向流動的阻力將發(fā)生波動，芯／殼層熔體黏度比R亦將發(fā)生改變，這均會影響芯層熔體在殼層熔體內(nèi)的流動狀態(tài)，使芯層物料分布情況發(fā)生變化，影響最終產(chǎn)品性能。為此，筆者以一組不同厚度的夾芯注射成型塑件為實驗樣品，探討和分析塑件厚度對芯層物料分布情況的影響。

1 實驗部分

1.1 主要材料

PE-LD：4012，陶氏化學(xué)有限公司；

PP：PPU 1752 S1，巴賽爾公司。

1.2 材料黏度控制方程

實驗采用Cross-WLF方程控制熔體剪切黏度，如式(1)～(3)所示。

式中：η——熔體剪切黏度，Pa·s；

n——流動指數(shù)；

T＊——參考溫度，K；

T——熔體溫度，K；

p——熔體壓力，Pa；

D1——零切黏度系數(shù)，Pa·s；

D2——玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，K；

D3——擬合系數(shù)，K·Pa-1；

A1——擬合系數(shù)；

A2——擬合系數(shù)，K。

采用低密度聚乙烯(PE-LD)和聚丙烯(PP)兩種材料作為實驗用材料，其Cross-WLF方程參數(shù)值列于表1。

1.3 實驗樣品

(1)實驗樣品。

選用半徑為100 mm，厚度分別為5，6，7，8，9，10 mm的圓餅形塑件為實驗樣品，澆口位置設(shè)置在塑件上表面中心，如圖1所示。

表1 PE-LD和PPD的參數(shù)值

圖1 實驗樣品

(2)芯／殼層物料切換。

實驗中首先注塑殼層熔體，待熔體充滿模具型腔60%時，切換為注塑芯層熔體，待熔體充滿模具型腔90%時，再切換為注塑殼層熔體，直至保壓完畢。

(3)工藝參數(shù)。

基于Moldflow2019軟件的co-injection模塊，分別以PP／PP，PP／PE-LD為芯／殼層物料組合，選用表2所示工藝參數(shù)，對圖1所示6種塑件進行夾芯注射成型模流分析。各塑件注射成型結(jié)束后，測試芯層物料穿透深度(徑向)、厚度(Z向)、分布均勻度的差異并分析原因。

表2 工藝參數(shù)

1.4 性能測試與表征

(1)芯層物料穿透深度。

圖1為實驗樣品為軸對稱塑件，澆口亦位于其對稱軸上。熔體自塑件對稱軸進入模腔后沿徑向流動，其流動情況以及最終物料分布情況均呈現(xiàn)軸對稱特征。因此，為了減小測試量，可沿X正方向剖切，獲得長度×寬度為“半徑×厚度”的矩形，如圖2所示。在此矩形中測試相關(guān)數(shù)據(jù)，合理表征芯層物料最終分布情況。

在圖2示出的“半徑×厚度”的矩形中，測試芯層物料沿徑向(X向)所能達到的最遠值，即為芯層物料穿透深度。

圖2 “半徑×厚度”的矩形

(2)芯層物料厚度。

考慮到6種塑件的厚度不同，實驗以芯層物料實際厚度與塑件厚度的比值表征芯層物料在厚度方向(Z向)的穿透能力，即芯層物料相對厚度按照式(4)計算。

式中：Ti——選取測試點的芯層物料相對厚度；

Tz——選取測試點的芯層物料實際厚度，mm；

Tp——塑件厚度，mm。

芯層物料在塑件各位置的厚度有差異，僅選取一處測試點無法合理反映芯層物料在厚度方向的穿透能力，需選取多測量點并取其平均值。實際生產(chǎn)中，芯層物料不可過于接近塑件邊緣，否則易發(fā)生芯層物料穿透殼層物料的失效現(xiàn)象，應(yīng)留有一定的余量[4-5]。圖2示出矩形長為100 mm，但實驗中芯層物料分布在X值為0～90 mm之間。因此，實驗以X=0處為起點，X=90 mm處為終點，平均設(shè)置10處測試點測量和計算芯層物料相對厚度，并取其平均值，如式(5)所示。

(3)芯層物料分布均勻度。

芯層物料在塑件中分布不均勻。實驗以同一塑件中各測試點芯層物料相對厚度的標準差來表征其分布均勻度，如式(6)所示。標準差亦稱均方差，該值越小，芯層物料分布越均勻。

2 結(jié)果與討論

2.1 芯層物料穿透深度

(1) PP／PP物料組合的芯層物料穿透深度。

以PP／PP為芯／殼層物料組合，測量不同厚度塑件的芯層物料穿透深度，結(jié)果如圖3中曲線1所示。

圖3 不同塑件厚度下PP／PP和PP／PE-LD物料組合的芯層物料穿透深度

由圖3中的曲線1可知，隨著塑件厚度的增加，芯層物料穿透深度逐漸下降；當塑件厚度分別為5，10 mm時，芯層物料穿透深度分別達到最大值84.11 mm、最小值80.02 mm，極差值為4.09 mm，降幅為4.86%。

在模腔中，熔體沿各方向流動所受到的阻力存在較大差異。熔體越靠近模腔壁，溫度越低，黏度和表面張力越大，所受流動阻力越大；模腔中心處熔體所受流動阻力最小[12-13]。因此，在圖2示出矩形中，芯層熔體易于在阻力較小的模腔中心處沿徑向(X向)推動并刺入殼層熔體，而難于沿厚度方向(Z向)推動并刺入殼層熔體。塑件厚度越小，熔體越早抵達模腔側(cè)壁，熔體沿各向流動阻力差異性越明顯，芯層熔體越易沿徑向推動并刺入殼層熔體，最終芯層物料穿透深度越大。

(2) PP／PE-LD物料組合的芯層物料穿透深度。

以PP／PE-LD為芯／殼層物料組合，測量不同厚度塑件的芯層物料穿透深度，結(jié)果如圖3中曲線2所示。由圖3中的曲線2可知，隨著塑件厚度的增加，芯層物料穿透深度的逐漸下降；當塑件厚度分別為5，10 mm時，芯層物料穿透深度分別達到最大值89.75 mm、最小值81.05 mm，極差值為8.70 mm，降幅為9.69%。

雖然圖3中的曲線1、曲線2的變化趨勢相同，但曲線2 (PP／PE-LD物料組合)的極差值較曲線1 (PP／PP物料組合)提升了112.71%。說明以PP／PE-LD為芯／殼層物料時，隨著塑件厚度的變化，除熔體沿各向流動阻力差異性影響芯層物料穿透距離外，由材料不同而導(dǎo)致的其它影響因素亦發(fā)揮了較大影響。這種影響應(yīng)與芯／殼層熔體黏度比有關(guān)。

芯層熔體沿徑向(X向)推動并刺入殼層熔體的能力與芯／殼層熔體黏度比密切相關(guān)。芯／殼層熔體黏度比越小，芯層熔體前沿越薄，其穿透深度越大[1-5]。圖3中的曲線1采用PP／PP物料組合，芯、殼層的熔體黏度受溫度和剪切速率的影響基本一致，芯／殼層熔體黏度比較穩(wěn)定。對于圖3中的曲線2，殼層熔體為PE-LD，芯層熔體為PP，流動指數(shù)分別為0.314 5，0.218 7。熔體流動指數(shù)不同，其剪切黏度隨剪切速率增加而下降的趨勢亦不同，即剪切變稀情況不同[14-16]?；贑ross-WLF方程，繪制240℃時PE-LD，PP兩種熔體在不同剪切速率下的剪切黏度，如圖4所示。

圖4 不同剪切速率的熔體剪切黏度

由圖4可知，流動指數(shù)越小，熔體的剪切變稀現(xiàn)象越明顯。隨著熔體剪切速率的增加，芯層熔體PP較殼層熔體PE-LD的剪切黏度下降趨勢更為明顯。由于圖4中2條曲線存在曲率差異，隨著剪切速率改變，芯／殼層熔體黏度比亦將發(fā)生變化?；趫D4中相關(guān)數(shù)據(jù)，繪制240℃時芯／殼層熔體黏度比隨剪切速率的變化情況，如圖5所示。由圖5可知，隨著剪切速率增加，芯／殼層熔體黏度比逐漸減小。

圖5 不同剪切速率的芯／殼層熔體黏度比

實驗中，熔體的注塑速率固定為60 cm3／s，即單位時間內(nèi)進入模腔的熔體體積不變。隨著塑件厚度的增加，熔體推進速度將減小，其在模腔中所受剪切速率亦將越小。測試實驗中不同厚度塑件注塑過程中的最大剪切速率，結(jié)果列于表3。

由表3可知，塑件厚度由5 mm增大為10 mm后，熔體所受最大剪切速率大幅下降，降幅達74.76%。將表3中數(shù)值輸入Cross-WLF方程，求取240℃時各塑件模腔內(nèi)達到最大剪切速率時PE-LD和PP的剪切黏度，結(jié)果如圖6所示?；趫D6中的數(shù)據(jù)，計算芯／殼層熔體黏度比，結(jié)果如圖7所示。

表3 不同厚度塑件注塑過程中的最大剪切速率

圖6 不同厚度塑件的熔體剪切黏度

圖7 不同厚度塑件的芯／殼層熔體黏度比

由圖7可知，以PP／PE-LD為芯／殼層物料時，隨著塑件厚度的增加，芯／殼層熔體黏度比逐漸增大；當塑件厚度分別為5，10 mm時，芯／殼層熔體黏度比分別達到最小值2.840、最大值3.998，極差值為1.158，增幅為40.77%。這將導(dǎo)致芯層熔體沿X向穿透殼層熔體的能力減弱，最終使塑件的芯層物料穿透深度減小。

因此，以PP／PE-LD為芯／殼層物料時，隨著塑件厚度的變化，除熔體沿各向流動阻力差異性發(fā)生變化外，芯／殼層熔體黏度比亦發(fā)生了變化，兩者共同影響最終塑件的芯層物料穿透深度，導(dǎo)致圖3中曲線2的極差值較曲線1有較大的提升。

2.2 芯層物料平均相對厚度

分別以PP／PP，PP／PE-LD為芯／殼層物料組合，依據(jù)式(4)、式(5)計算不同厚度塑件的芯層物料平均相對厚度，結(jié)果如圖8所示。

圖8 不同厚度塑件的芯層物料平均相對厚度

由圖8可知，隨著塑件厚度的增加，兩種物料組合的芯層物料平均相對厚度均增大。但是，圖8中兩條曲線的增幅不同：以PP／PP為芯／殼層物料組合(曲線1)，當塑件厚度分別為5，10 mm時，芯層物料平均相對厚度分別達到最小值0.223 4、最大值0.248 1，極差值為0.024 7，增幅為11.06%，；以PP／PE-LD為芯／殼層物料組合(曲線2)，當塑件厚度分別為5，10 mm時，芯層物料平均相對厚度分別達到最小值0.162 2、最大值0.220 2，極差值為0.058，增幅為35.76%；曲線2的極差值較曲線1提升了134.82%。

芯層物料平均相對厚度與芯層物料沿X向的穿透能力成反比。當芯層熔體沿X向穿透能力減弱時，將有更多的芯層熔體沿厚度方向(Z向)穿透殼層熔體，使最終塑件的芯層物料平均相對厚度增大。

采用PP／PP物料組合時，由針對圖3中曲線1的相關(guān)討論可知，塑件厚度變化主要影響熔體沿各向流動阻力差異性，而對芯／殼層熔體黏度比的影響較微弱。隨著塑件厚度的增加，熔體沿各向流動阻力差異性減弱，芯層熔體沿X向穿透能力減弱，沿Z向穿透能力增強，最終使塑件的芯層物料平均相對厚度增大。但由于芯／殼層熔體黏度比較穩(wěn)定，導(dǎo)致圖8中曲線1的極差值較曲線2更小。

采用PP／PE-LD物料組合時，由針對圖3中曲線2的相關(guān)討論可知，隨著塑件厚度的變化，熔體沿各向流動阻力差異性、芯／殼層熔體黏度比均發(fā)生改變，并共同影響芯層熔體沿X向的穿透能力。隨著塑件厚度的增加，熔體沿各向流動阻力差異性減小，芯／殼層熔體黏度比增大，這兩種變化均造成芯層熔體沿X向穿透能力減弱，沿Z向穿透能力增強，最終使塑件的芯層物料平均相對厚度增大。因此，在熔體沿各向流動阻力差異性和芯／殼層熔體黏度比變化的共同作用下，導(dǎo)致圖8中曲線2較曲線1獲得了更大的極差值。

2.3 芯層物料分布均勻度

分別以PP／PP，PP／PE-LD為芯／殼層物料組合，依據(jù)式(4)～式(6)計算芯層物料相對厚度標準差，結(jié)果如圖9所示。

圖9 不同塑件厚度的芯層物料相對厚度標準差

由圖9可知，隨著塑件厚度的增加，兩種物料組合的芯層物料相對厚度標準差均增大，這意味著芯層物料分布均勻度均降低。但是，圖9中2條曲線的增幅不同：以PP／PP為芯／殼層物料組合，當塑件厚度分別為5，10 mm時，芯層物料相對厚度標準差分別達到最小值0.219 2、最大值0.248 6，極差值為0.029 4，增幅為13.41%，如曲線1所示；以PP／PE-LD為芯／殼層物料組合，當塑件厚度分別為5，10 mm時，芯層物料相對厚度標準差分別達到最小值0.134 6、最大值0.195 8，極差值為0.061 2，增幅為45.47%，如曲線2所示；曲線2的極差值較曲線1提升了108.16%。

增強芯層熔體沿X向穿透能力有利于芯層熔體沿X向平鋪，最終使塑件中芯層物料分布必然更加均勻，即芯層物料相對厚度標準差更小。熔體沿各向流動阻力差異性增大、芯／殼層熔體黏度比減小均可使芯層熔體沿X向穿透能力增強，但上述兩種影響因素能否完全發(fā)揮作用在不同物料組合中存在差異。

采用PP／PP物料組合時，隨著塑件厚度的減小，熔體沿各向流動阻力差異性增大，但芯／殼層熔體黏度比較穩(wěn)定。這雖使芯層熔體沿X向穿透能力增強，芯層物料分布度增大，芯層物料相對厚度標準差變小，但由于芯／殼層熔體黏度比較穩(wěn)定，使圖9中曲線1的極差值較曲線2更小。

采用PP／PE-LD物料組合時，隨著塑件厚度的減小，熔體沿各向流動阻力差異性增大，芯／殼層熔體黏度比變小，導(dǎo)致其芯層熔體沿X向穿透能力較PP／PP組合增幅更大，最終使塑件芯層物料分布均勻度更好，芯層物料相對厚度標準差變小的幅度也更大，即圖9中曲線2較曲線1獲得了更大的極差值。

3 結(jié)論

(1)塑件厚度由5 mm增大為10 mm時，實驗所選PP／PP，PP／PE-LD兩種物料組合對應(yīng)的評價指標變化趨勢相同：芯層物料穿透深度降低、平均相對厚度增大、平均相對厚度標準差增大(即芯層物料分布均勻度變差)。

(2) PP／PE-LD物料組合較PP／PP物料組合對應(yīng)的評價指標變化幅度更大。在相同工藝條件下，前者的芯層物料穿透深度、平均相對厚度、平均相對厚度標準差的極差值較后者分別增大了112.71%，134.82%，108.16%。

(3)采用PP／PP物料組合時，塑件厚度變化主要改變?nèi)垠w沿各向流動阻力差異性，從而影響各項實驗指標數(shù)值增減；采用PP／PE-LD物料組合時，隨著塑件厚度的變化，熔體沿各向流動阻力差異性、芯／殼層熔體黏度比均發(fā)生波動，并共同影響各項實驗指標。這是PP／PE-LD物料組合各指標極差值均大于PP／PP物料組合的原因所在。