变模温注塑技术的研究与应用分析

变模温注塑技术的研究与应用分析

陈东

（广东昭信平洲电子有限公司）

摘要：目前，在注射成型过程中，低模温将会导致聚合物熔体在冲模流动过程中伴随着冷却的发生，因提前冷却而在型腔壁形成冷凝层，会阻碍熔体的成型，降低熔体的充模能力和转印能力。因此，传统的注塑成型技术很难应用于成型透明度较高的光学产品、表面具有微结构的塑件、强度较高的复合材料制品以及流长比较高的超长薄壁件或大型覆盖件等。本文分析了变模温注塑技术的研究与应用。

关键词：变模温注塑；技术；应用

市场迫切需要一种能够彻底解决上述缺陷的新的注塑成型技术。变模温注塑成型技术采用一种动态的模温控制策略，即在射胶前快速加热模具，以实现高模温注射，随后通过快速冷却以缩短成型周期，因而在不降低生产效率的同时，从本质上克服了传统注塑成型技术的固有缺陷。

一、现状

熔接痕作为注塑成型常见缺陷之一，其形成在很大程度上受到成型工艺的影响，合理的成型工艺可以较好地改善熔接痕缺陷。因此，国内外学者就成型工艺对熔接痕的影响也开展了相关研究。下文主要介绍熔体温度、模具温度以及注射压力对熔接痕的影响研究。熔体温度的提高可以增强熔体分子的热运动能力，促进熔体分子链的充分松弛，两股熔体在型腔中汇合后充分松弛的分子链能够更好地进行扩散与缠结，从而提高了熔接痕强度。将在不同熔体温度条件下制得的尼龙熔接痕试样进行实验研究发现，熔接痕试样的拉伸强度随着熔体温度的提高而提高，在熔体温度为280℃时达到了最大，提高幅度达到了20%。而熔体温度达到280℃之后，进一步提高熔体温度对熔接痕拉伸强度几乎没有任何影响。模具温度的提高可以降低熔体进入型腔之后的冷却速率，有利于分子处于较强活动能力状态的时间延长，熔接区域分子链有充分的时间扩散与缠结，改善了熔接痕界面的结合程度，提高了熔接痕强度。对在不同模具温度条件下制得的高密度聚乙烯(HDPE)熔接痕试样进行了实验研究，发现熔接痕可见度随着模具温度的提高而降低，试样的力学性能则随之提高。模具温度对熔接痕强度的影响是与材料有关的，结晶型材料熔接痕强度对于模具温度的变化非常敏感，而对于无定型材料，模具温度的变化对其熔接痕强度的影响却是微乎其微。较高的注射压力有助于熔体克服流道阻力，减小压力损失，使压力更好地传递到熔体前沿，两股熔体能够在较高的压力条件下相遇，熔接痕区域的分子链密度得以提高，改善了熔接痕界面缠结程度；同时较高的压力促使分子链沿着压力方向排列，这种取向提高了熔接痕区域的拉伸强度。对在不同注射压力成型条件下制得的熔接痕试样进行了拉伸试验，发现熔接痕拉伸强度随着注射压力的增大而增大。

二、变模温注塑技术的研究

1.模型建立。传热过程中，传热介质与模具（升温过程）、熔融塑料与传热介质（冷却过程）的传热是个非稳态过程。根据传热学基本原理及能量守恒定律，非稳态导热的微分方程为：

，

中：ρ—微元体的密度；c—比热容；t—温度；τ—时间；λ—热导率；Φ—单位时间内单位体积内热源的生成热。模具温度随时间变化曲线由模具的总热容量及传热介质与模具的总热阻来决定，而总热阻又由传热介质与模具间的接触热阻决定；当型腔表面温度升高到120℃时开始注射，此时利用系统管路中残余的高温热水可将型腔表面温度维持在设定值附近，传热过程处于动态平衡状态。变模温冷热交替循环系统是根据工艺流程的要求，利用温控系统分别将高温水和冷却水循环交替引入模具的内部管路，以实现模具的快速加热与冷却，因此，必须保证各管道都具有相同的传热效率，实现快速准确而又均匀传热。随时间呈指数关系变化，塑料件温度随时间变化曲线由塑料件的总热容量及塑料件与模具间的总热阻来决定，而总热阻也由塑料件与模具间的接触热阻决定；当塑料件温度冷却至40℃时，开模取出塑料件，关闭进水阀，同时打开空气阀，将管路中残留的冷却水排出，进入下一个循环。

2.快速变模温注塑成型的关键在于模具温度的动态控制，使模具温度在充模过程中可以保持一个相对高的温度，快速变模温注塑成型主要有两个优势：采用较高的模温有效避免在型腔中形成冷凝层，有利于熔接痕的改善；充模阶段时较高的模具温度有利于熔体分子链的充分松弛，改善熔体前沿汇合时的分子扩散与缠结，提高熔接痕强度。变模温工艺参数对熔接痕可见性的影响进行了研究，发现熔接痕在模具温度为110℃时基本不可见，说明快速变模温注塑成型可以改善制品的表面质量。Chen则采用了电磁感应加热结合冷冻液冷却技术来控制动模的温度，使制品的熔接痕强度提高了20%。在填充阶段，两个浇口同步充模，等熔体充满型腔后在型腔中间会形成呈平面状的熔接面，接着双螺杆开始进行交替往复运动，使熔接面呈波浪式曲面。双推充模法注塑成型可以改善熔接痕熔接界面的取向程度，提高熔接痕强度。

3.优化模具结构。熔接痕的形成与模具结构有着密切的联系，多浇口浇注、壁厚不均以及存在嵌件会影响熔接痕的形成。与熔接痕强度关系密切的模具结构因素包括浇口、壁厚和冷料井，这三个因素的合理设计可以有效改善熔接痕。合理的浇口设计可以有效地减小熔接痕带来的负面影响。通过分析软件对插座上盖的注塑成型进行了模拟，将双浇口浇注用单浇口浇注取代，发现熔接痕数量减少。分别使用单浇口、双浇口、三浇口和四浇口来注塑一个圆环制品，发现熔接痕数量随着浇口的增多而增多，因此他认为在条件允许范围内尽量少设浇口，是改善熔接痕的一种有效措施。注塑制品的壁厚变化对熔接痕的长度和位置有着重要的影响。使用软件来模拟研究壁厚对熔接痕的的影响，发现随着壁厚的增加，熔接痕的数量和长度也随之增加。当壁厚达到0.53mm时，熔接痕开始产生，并且熔接痕长度随着壁厚的增加而增大。当壁厚达到1.02mm时，产生了第2条熔接痕。开设冷料井有利于提高熔体在冷料井部位汇合时的温度，进而提高熔接痕强度。正方形、圆形和棱形冷料井对熔接痕的改善情况，发现正方形冷料井几乎能够将熔接痕完全消除，而圆形和棱形冷料井对于熔接痕也有一定程度上的改善，其原因在于正方形冷料井制品表面的分子取向与熔体流动方向一致，而圆形和棱形冷料井制品表面的分子取向与熔体流动方向有一定的偏差。

三、应用

由于变模温注塑技术具有结构相对简单、生产效率高、热源充足稳定、可操作性高等优势，受到了注塑行业的青睐。尤其是在液晶电视面板制造领域，由于利用蒸汽辅助加热变模温注塑技术制造的面板塑件，具有高光、无熔痕、无流痕等特点，不需要打磨、喷涂等后处理工艺，因此该技术已逐步取代了传统的注塑成型加工技术，将其成功应用于平板电视机面板的制造。截至目前，已构建了10余条变模温注塑生产线，生产面板50多万件，创造了良好的经济效益和社会效益。

变模温注塑技术作为一种先进的绿色注塑工艺，虽然处于刚刚起步阶段，但它代表了当代注塑行业的发展方向。在未来几年，无论在技术开发方面还是推广应用上，变模温注塑技术都将获得更大的发展，也必将成为注塑领域的研究重点和热点。本文中阐述快速变模温等注塑成型新技术以及模具结构优化等熔接痕改善方法。

参考文献

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[2]杨德全，赵忠生.边界元理论及应用[M].北京：北京理工大学出版社，2015.

[3]朱巧红.热成形模具热平衡分析及冷却系统设计优化[D].上海：同济大学，2015.