短玻纖增強(qiáng)PP 溢流法水輔注塑水穿透行為影響分析

劉林海，柳和生，，3，葉海鵬，張偉，江青松

(1.東華理工大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，南昌 330013； 2.南昌大學(xué)聚合物成型研究室，南昌 330031；3.華東交通大學(xué)機(jī)電與車(chē)輛工程學(xué)院，南昌 330013)

塑料制品在我國(guó)應(yīng)用廣泛，隨著人們對(duì)其質(zhì)量要求的提高，聚合物復(fù)合材料制品逐漸受到青睞，短纖維增強(qiáng)聚丙烯(PP)是較常見(jiàn)的改性材料之一，可提高成型制件的力學(xué)性能[1]。注射成型是聚合物主要的一種成型方法，水輔注塑成型(WAIM)是在其基礎(chǔ)上加入流體介質(zhì)輔助制件成型的新工藝[2]，具有縮短成型時(shí)間、節(jié)省成本、制件內(nèi)部平整等優(yōu)點(diǎn)[3–4]。通過(guò)水輔成型制得的中空產(chǎn)品可應(yīng)用于汽車(chē)、航空等領(lǐng)域。根據(jù)注水前熔體是否充滿(mǎn)型腔，水輔助注塑可分為溢流法和短射法，其中溢流法水輔助成型工藝操作更簡(jiǎn)單，殘余壁厚也更加均勻[5–6]。

鑒于WAIM 工藝具有良好的應(yīng)用前景，諸多研究人員對(duì)其進(jìn)行研究并優(yōu)化。Liu 等[7–8]進(jìn)行了材料、工藝參數(shù)等對(duì)殘余壁厚、穿透水長(zhǎng)度的水輔成型實(shí)驗(yàn)分析；曲杰等[9–10]采用數(shù)值模擬方法對(duì)水輔成型進(jìn)行研究，主要分析了工藝參數(shù)對(duì)殘余壁厚的影響，結(jié)果表明注水壓力對(duì)殘余壁厚影響最顯著；汪志泳等[11]采用短射法對(duì)PP 水輔成型中高壓水穿透過(guò)程進(jìn)行仿真，模擬的制件水穿透長(zhǎng)度和中空率與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合；章凱等[12]通過(guò)數(shù)值模擬，分析了注水速度、注水溫度和延遲時(shí)間對(duì)殘余壁厚及穿透長(zhǎng)度的影響，結(jié)果表明，注水溫度對(duì)二者的影響不明顯；黃淑慧等[13]通過(guò)實(shí)驗(yàn)比較了水輔和氣輔成型不同截面型腔的水穿透形狀，得出水輔成型水穿透形狀都趨于圓形。

現(xiàn)階段關(guān)于水輔成型的研究，在材料選擇上大多以純樹(shù)脂居多，對(duì)短纖維增強(qiáng)聚合物研究偏少，且主要集中于圓管纖維取向方面[14–17]。以往研究表明，水穿透截面形狀及水穿透率是水輔成型制件的基礎(chǔ)性能指標(biāo)，筆者通過(guò)數(shù)值模擬，分析了注水壓力、型腔截面形狀及玻纖含量對(duì)兩者的影響，為短玻纖增強(qiáng)PP 水輔制件設(shè)計(jì)提供參考。

1 數(shù)值模擬

1．1 控制方程

在溢流法水輔注塑成型熔體填充過(guò)程中，短玻纖增強(qiáng)PP 熔體做非等溫、瞬態(tài)非牛頓流體流動(dòng)。假設(shè)熔體不可壓縮，不考慮結(jié)晶的相變熱焓，忽略慣性項(xiàng)；水注射進(jìn)型腔后假設(shè)其密度不變，以及忽略熔體和水相互熱傳遞；水溫不變，流動(dòng)狀態(tài)為層流，不考慮水的表面張力。基于以上假設(shè)可得到熔體流動(dòng)控制方程，即連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程[9]。

采用Cross-WLF 黏度模型來(lái)描述熔體在加工過(guò)程中的黏度與溫度、剪切速率和壓力的關(guān)系，方程式如式(1)～式(4)所示。

1．2 數(shù)值模型及參數(shù)

圖1 為型腔截面形狀尺寸及數(shù)值模型。以4 種型腔截面形狀的管件為研究對(duì)象，如圖1a 所示，型腔截面形狀分別為圓形(A)、增圓增方形(B)、方形(C)、多邊形(D)。

圖1 型腔截面形狀尺寸及數(shù)值模型

為了表征不同型腔的截面形狀，可按圓率α 計(jì)算[12]：

式中：C——型腔截面周長(zhǎng)；

S——表示型腔截面面積。

根據(jù)上式計(jì)算得到A，B，C 和D 型腔截面形狀的圓率分別為100%，87.98%，78.54%和62.83 %。

材料選用A.Schulman 公司生產(chǎn)的短玻纖增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料，牌號(hào)分別POLYFORT RPP 500D，POLYFORT FPP 20 GPC 和POLYFORT FPP 30 GPC，玻纖質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0，20%，30%，模擬中材料參數(shù)來(lái)源于Moldex3D 材料庫(kù)。

2 結(jié)果與討論

為表征水壓對(duì)熔體的穿透能力，可采用水穿透率進(jìn)行比較，制品的水穿透率越大，則截面的中空面積越大，而壁厚越薄。在實(shí)際生產(chǎn)中，可以通過(guò)調(diào)節(jié)水穿透率來(lái)制得不同壁厚的管件。為了計(jì)算制品的水穿透率，如圖2 所示沿型腔軸線等距確定12 個(gè)截面(P1，P2……P12)，測(cè)出每個(gè)截面的穿透面積，計(jì)算其與型腔截面面積的比值，再累加求出平均值，即為整個(gè)制品的水穿透率Rp，其計(jì)算如公式(6)：

圖2 截面位置的標(biāo)定

式中：Spi和Sc分別為第i(i=1，2，3，……，12)個(gè)截面處的穿透面積及型腔截面面積。

為更好地表征殘余壁厚隨工藝參數(shù)的變化情況，可將殘余壁厚分為邊殘余壁厚和角殘余壁厚，在如圖2 所示的12 個(gè)截面位置處設(shè)定測(cè)量位置，如圖3 所示，d 代表該截面處的邊殘余壁厚，h 代表截面處的角殘余壁厚，數(shù)字為位置序號(hào)。

圖3 各截面上測(cè)量位置的標(biāo)定

整個(gè)塑件的邊殘余壁厚(Ds)和角殘余壁厚(Hc)的計(jì)算公式如式(7)、式(8)所示：

式中：dij——第i 個(gè)截面中dj處的壁厚；

hij——Pi截面中hj處的壁厚；

m——其值在A 至D 截面中依次為4，6，4，4；

n——其值在A 至D 截面中依次為4，2，4，4。

2.1 注水壓力對(duì)水穿透行為的影響

圖4 為注水壓力對(duì)水穿透率的影響。結(jié)果表明，當(dāng)注水壓力為4 ，6，8，10 MPa 時(shí)，4 種型腔截面形狀A(yù)，B，C 和D 的水穿透率均隨注水壓力的增加而增加。首先，隨著注水壓力升高，型腔內(nèi)熔體沿水流方向變形速率越大，熔體抵抗變形的能力越強(qiáng)，使得與高壓水前沿的回流效應(yīng)共同作用也更加明顯，導(dǎo)致水柱的徑向尺寸增大[11]；其次，型腔中心朝著壁面方向，熔體的溫度逐漸降低，致其黏度逐漸升高，而黏度較高處的熔體在流動(dòng)過(guò)程中形成的剪切力更大，注水壓力增大，能推動(dòng)黏度較大處的熔體向前流動(dòng)，形成較大的中空面積，使水穿透率增大。此外，注水從4 MPa 增大至10 MPa 過(guò)程中，相鄰兩注水壓力的水穿透率增值呈減小趨勢(shì)，其中，A 截面水穿透率增值依次為6.62%，3.84%，0.96%，B 截面水穿透率增值依次為5.88%，3.44%，1.11%，C 截面水穿透率增值依次為4.35%，3.17%，1.61%，D 截面水穿透率增值依次為2.78%，2.08%，1.08%。這是因?yàn)殡S著注水壓力增大，中空部分由型腔中心向壁面擴(kuò)張，而熔體溫度越靠近型腔壁面越低，流動(dòng)阻力越大，在注水壓力增值相同的情況下，推動(dòng)的熔體厚度呈減小趨勢(shì)，導(dǎo)致水穿透率的增值會(huì)變小。

圖4 注水壓力對(duì)水穿透率的影響

水穿透形狀是反映水穿透行為結(jié)果的特征之一，為研究短玻纖增強(qiáng)PP 水輔成型中注水壓力對(duì)水穿透截面形狀的影響，取不同注水壓力下的水輔助注塑件的水穿透截面進(jìn)行對(duì)比。由于高壓水在注入口附近穿透過(guò)程不平穩(wěn)，穿透截面形狀變化相對(duì)較大[14]，選擇每個(gè)制品中間部位，距溢流口(圖1b) 100 mm 位置處正面看到的水道輪廓進(jìn)行觀察分析。圖5 為4 種型腔截面(A，B，C 和D)的水穿透截面形狀隨注水壓力遞增的變化情況。當(dāng)注水壓力為4 MPa 時(shí)，4 種截面形狀下的水穿透形狀都趨于圓形；隨著注水壓力遞增，水穿透形狀隨之改變，當(dāng)注水壓力達(dá)到10 MPa 時(shí)，水穿透形狀趨近于型腔截面的形狀。其原因在于，水注射進(jìn)熔體后，熔體受到水的急冷作用，與水接觸的熔體凝固成一層薄膜，包裹住低黏度的水繼續(xù)向前推動(dòng)熔體，水穿透前沿呈增球形[12]；其次，高壓水以柱塞形式推動(dòng)凝固膜前端熔體向前流動(dòng)，以拖拽形式帶動(dòng)薄膜兩側(cè)的熔體流動(dòng)[15]，可能受型腔壁面的影響以及凸角周?chē)娜垠w在流動(dòng)時(shí)受壁面聯(lián)合作用，水壓較小時(shí)穿透前沿薄膜只能推動(dòng)和拖拽型腔中心小范圍熔體，并且截面形狀對(duì)中心溫度等值線影響較小，導(dǎo)致水穿透形狀都會(huì)趨于圓形。

圖5 水穿透截面

注水壓力增大，更多熔體被推動(dòng)進(jìn)入溢流腔，通過(guò)測(cè)量比較制品在不同水壓下的邊殘余壁厚和角殘余壁厚，來(lái)反映垂直壁面方向和角方向(圖6 所示)熔體厚度隨水壓變化情況。圖7 為殘余壁厚及差值。

圖6 切面示意圖

由圖7a 和圖7b 可見(jiàn)，隨著注水壓力的增大，各截面形狀制品的邊殘余壁厚及角殘余壁厚都減小。為體現(xiàn)水穿透截面形狀最大變化情況，計(jì)算各截面形狀制品的邊/角殘余壁厚在注水壓力為4 MPa時(shí)與10 MPa 時(shí)的差值，并進(jìn)行比較，見(jiàn)圖7c。由圖7c 結(jié)果表明，4 種截面形狀下的角殘余壁厚減小量都大于邊殘余壁厚減小量，意味水壓升高更趨向帶動(dòng)角方向上的熔體向前流動(dòng)。這是因?yàn)閺男颓恢行难卮怪北诿娣较驕囟认陆邓俾蚀笥诮欠较驕囟认陆邓俾?，熔體溫度下降速率越大，黏度上升越快，雖然熔體沿角方向受到的型腔壁面聯(lián)合作用逐漸增強(qiáng)，但相比于垂直壁面方向上熔體黏度急劇升高，角方向的熔體更容易被水柱推動(dòng)，并且制品受纖維取向影響導(dǎo)致沿熔體流動(dòng)方向收縮率變小，垂直熔體流動(dòng)方向收縮率升高，在對(duì)角切面上纖維沿流動(dòng)方向取向較高[16]，導(dǎo)致凸角處熔體收縮率最大，因此在10 MPa 的注水壓力下，4 種截面的制品的水穿透形狀都會(huì)趨于截面形狀。

圖7 殘余壁厚及差值

2．2 型腔截面形狀對(duì)水穿透行為的影響

型腔截面形狀不同，熔體溫度場(chǎng)及黏度分布有差異，對(duì)水穿透率也有影響。圖8 為型腔截面形狀(圓率)對(duì)水穿透率的影響。分析圖8 得出，在相同的工藝參數(shù)條件下，4 種(A～D)截面形狀的水穿透率呈依次降低的趨勢(shì)。原因?yàn)殡S型腔截面的圓率降低，型腔凸角數(shù)量增多，角周?chē)垠w因兩壁面對(duì)熔體的流動(dòng)阻礙作用疊加，導(dǎo)致高壓水更難推動(dòng)熔體進(jìn)入溢流腔，使得型腔內(nèi)凸角處熔體殘留較多，穿透面積減小；其次，在相同面積下，圓的周長(zhǎng)最小，意味著相同截面面積下，截面周長(zhǎng)隨圓率降低而變大，導(dǎo)致熔體流動(dòng)阻力增強(qiáng)，因此水穿透率減小。通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)比了相對(duì)較小注水壓力(4 MPa)和相對(duì)較大注水壓力(10 MPa)下，型腔截面形狀對(duì)穿透形狀的影響。根據(jù)圖5 所示，在注水壓力相對(duì)較小時(shí)，水穿透形狀并沒(méi)有因型腔截面形狀變化而出現(xiàn)太大差異，而是都趨于圓形。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因在于型腔截面形狀對(duì)型腔中心溫度分布影響較小，水的穿透前沿往往呈增球形，并且在注水壓力較低時(shí)水柱只能推動(dòng)型腔中心較小區(qū)域熔體向前流動(dòng)；隨水壓不斷升高，型腔內(nèi)角方向的熔體更多地被推入溢流腔，使得角殘余壁厚相對(duì)邊殘余壁厚減小得更多，并且由于纖維的加入以及對(duì)角切面纖維的取向程度較高，導(dǎo)致收縮率相比純樹(shù)脂大幅度增加，在注水壓力相對(duì)較大時(shí)，水穿透形狀會(huì)隨著型腔截面變化而變化。

圖8 型腔截面形狀(圓率)對(duì)水穿透率的影響

2．3 玻纖含量對(duì)水穿透行為的影響

玻纖含量會(huì)對(duì)制件性能起主要作用，因此有必要研究其對(duì)水穿透行為的影響，并探究在不同的注水壓力下，玻纖含量對(duì)水穿透的影響趨勢(shì)是否一致。圖9 為玻纖含量在不同注水壓力下對(duì)水穿透行為影響。其中，圖9a 為在不同注水壓力下，水穿透率隨玻纖含量的變化情況，圖9b 為不同玻纖含量時(shí)，制件在不同注水壓力下的縱剖，透明部分為水穿透區(qū)域，其長(zhǎng)度為水穿透長(zhǎng)度。從圖中發(fā)現(xiàn)，注水壓力為4 MPa 和6 MPa 時(shí)，水穿透長(zhǎng)度及水穿透率隨著玻纖含量的增加而減??；但注水壓力在8 MPa 和10 MPa 下，水穿透率隨著玻纖含量的增加而增大，此外，玻纖含量越高，水穿透率隨水壓變化更明顯。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是隨著玻纖含量的增加熔體黏度升高，因此當(dāng)玻纖含量較高、注水壓力較低時(shí)，高壓水不能完全穿透熔體且水穿透率較?。涣硪环矫?，當(dāng)玻纖含量和注水壓力都較高時(shí)，由于熔體黏度較高，熔體相互攜帶作用增強(qiáng)，推力也增加，使得水穿透截面變大，水穿透率增大，這與匡唐清等[16]實(shí)驗(yàn)得出的殘余壁厚隨玻纖含量增加而減小的結(jié)論相近。

圖9 不同注水壓力下玻纖含量對(duì)水穿透行為影響

3 結(jié)論

(1)短玻纖增強(qiáng)PP 溢流法水輔成型工藝中，注水壓力的升高會(huì)使水穿透率增大，但增大幅度減小，殘余壁厚減小。注水壓力較小時(shí)，得到的水穿透形狀都接近圓形；隨著注水壓力增大，水穿透形狀愈趨近型腔截面形狀。

(2)在同種工藝參數(shù)的情況下，水穿透率減小會(huì)因型腔截面圓率減小而減?。划?dāng)水壓較低時(shí)，型腔截面形狀對(duì)水穿透形狀影響較小。

(3)在注水壓力相對(duì)較高和較低的兩種情況下，玻纖含量對(duì)水穿透行為影響趨勢(shì)相反。