模内流变分析之于稳定的注塑工艺

大家都知道，塑料原材料作为大宗工业品成批次生产出来，批次与批次之间完全一样是不可能的，总会有些差异存在。 譬如粘度/MFI，颜色等，特别是改性料，因为每批次做的量不够大，所以这种差异会更加凸显。

这些差异对后期成型厂的成型可能就会造成一些影响，譬如成型工艺可能会需要进行微调甚至比较大的调整，以适应不同批次的这些差异。 那么如何才能做到尽量少的调整甚至是不调整呢？

模内流变分析就是一个很好的方法。通过这个方法可以最大可能的消除批次之间由于粘度/MFI造成的后期工艺波动。

大家都知道，塑料是高分子，分子链常态下是缠绕在一起的，有点像意大利面 – 无定型的意大利面跟半结晶的意大利面，哦不对，是无定型的塑料跟半结晶的塑料 :)

同时塑料是非牛顿流体，剪切应力与剪切应变率之间不是线性关系，所以当剪切应变变化的时候粘度并不是恒定不变的。所以注塑的时候调整螺杆转速跟射速的时候，可能都会影响到最终塑料熔体的粘度，从而造成最终产品的波动。

特别的，在注塑过程中粘度的差异会造成额外的压力降的差异。根据哈根-泊肃叶定律可见压力降跟熔体的运动粘度是成比例的。

                           

不要小看这种差异，这个差异通过注塑工艺扩散到模具型腔里会被放大，甚至会被放很大。以下图为例(图片来自RJG)，机器稳定的提供10,000 psi(相当于接近70MPa)的注塑压力，如果塑料的粘度波动在10%，那么注塑过程中的压力降波动也是10%，到了模具型腔后的差异放大到23%！最大粘度跟最小粘度的压力差甚至可以达到 (3700-2300) ÷ 2300 × 100% = 60%！ 可想而知能对最终的产品外观/质量造成多大的波动。

             

那么怎么样才能避免这种情况呢？ 严格说来，塑料的流变行为其实是非牛顿流体跟牛顿流体的结合。在低的剪切的时候，塑料表现为非牛顿流体，但随着剪切的升高，分子链开始解缠绕并开始沿着剪切/流动方向取向：

解取向越多，牛顿流体的流变特性就会凸显的越多，粘度受剪切的影响也就越弱，这就是模内流变分析的理论基础。

注塑过程中剪切跟注射的速度成比例，如前所述，如果注塑速度造成的剪切速率还在曲线的非牛顿区域内的话，那么一个小的波动可能就会造成粘度的一个大的变化，从而造成模次之间的差异。所以模内流变分析的主要目的就是找到这条曲线的牛顿流体区域 – 这样说其实也不精确，更精确的说法应该是通过注射速度的调整找出粘度受剪切波动影响最小的区域，也就是说找出粘度曲线跟注射速度的关系，所以这个方法其实是适用于每一套模具的注塑成型工艺的。 这一方法的最大意义也就在这 – 确定出对材料批次之间粘度差异影响最小的最佳注射速度。

对大部分塑料，因剪切造成的粘度变化是大于因温度造成的粘度变化的，因为只要熔体温度在建议的范围内的话，基于不同熔体温度绘制出来的粘度曲线是差异不大的，特别是在牛顿流体区域对应的剪切速率或者说是注射速度是差异不大的。从下图可见某一材料在230°C跟220°C的粘度曲线在剪切速率4开始就变得都比较平稳了。

下图就是一个粘度曲线的一个实际案例， 从这个图里看在剪切速率是3.85的时候粘度受剪切的影响会比较小，从而对后期产品的质量的影响也会比较小。

那么实际注塑过程中，我们怎么才能绘制出这条曲线，从而确定最佳的注射时间呢？具体的方法是：

1. 首先确保机器合适，辅机合适，设定料温，模温等均合适，也就是说确保设备跟模具均能正常运行，并把注塑工艺设定到材料厂商推荐的正常范围以内。

2. 把射出压力调到最大，保压取消掉。把射速提高的机器最大射速的95%，然后适度调整螺杆的V-P点，以能射出填充产品的95%(目视判断产品即将填充满，有缩水状态)， 记录注塑机显示的实际射出时间，峰值压力，并根据螺杆移动的距离除以充填时间计算出实际射出的速度。

3. 不动螺杆位置，只调整射速，依序以90%, 80%, 70%......10%的射速来射出 – 设计操作过程中可能不需要这么多组数据就已经能找到粘度的牛顿流体段，仍然记录注塑机显示的实际射出时间，峰值压力以及实际的射出速度。

4. 这些数据填入表格，绘图。

这里需要注意的是机器的设定注射速度跟实际的注射速度会有差异，所以实际的注塑速度是需要计算并记录下来的。

另外有一个地方需要解释，就是这个方法开发的时候，油压机仍然大行其道，机器的控制界面上并不能显示模具型腔内的注塑压力，所以用的都是注塑机的油缸压力。 油缸压力跟注塑压力的转换是通过Intensification Ratio(增压比)来实现的，大家都知道，液体是传递压强的，所以所谓的增压比实际上就是油缸直径(A1)与螺杆直径(A2)的比值，大部分机器的这个数值都是10左右，但也并不全是。这个数据需要同机器厂商进行确认，大多数情况下，连机器厂商的销售都不清楚他们机器的这个数值。

        

          

另从上面的数据列表里也可以看到，这个方法计算粘度用的仍然是应力应变公式：

                                     

不过特别提一句，这种模内流变分析绘制出来的粘度曲线跟用流变仪做出来的曲线是不一样的，大家可千万不要把这两个给混淆。毕竟一个是针对材料本身，一个是针对具体产品具体模具具体注塑机的。

另外大家可能会问，基本上模内流变做出来的粘度曲线的牛顿流体段实际上都是剪切比较大的时候，也就是射速很快的时候。射速很快会带来若干问题，譬如浇口晕，银纹等问题。其实这是这种方法的最大的一个问题点，不过还好，我们更多的是关注每模之间的产品稳定性，而并不是关注外观的问题，况且这种外观的问题特别是浇口晕的问题，是完全可以通过分段注塑及拉高模温解决的，所以模内流变实验并不是很死板的就维持一段注射速度：

而是完全可以通过分段注塑进行局部微调的 – 我们更多的硬关注产品整体模与模之间的差异，而不是局部的问题。

最后再总结一下，模内流变的主要目的呢是找出最佳的注射时间，从而客服材料批次粘度之间带给成型工艺的波动，最大程度的保证每模之间产品质量的稳定性。模内流变配合浇口冻结实验，最佳冷却时间确定实验，型腔平衡实验等，构成了所谓的科学注塑法。 这个后面有时间的时候我们会讲。