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                超聲塑化在微注射成型領域的應用
                時間:2021-10-27 20:24:38     作者:凱正超聲    

                超聲波是頻率高於20kHz的物質介質中的一種彈性機械波。20世紀80年代以來,隨著功率超聲設備的普及,超聲波在各行業中得到廣泛的使用。

                超聲波加工和處理技術的物理基礎是超聲波的四個基本作用:

                1)線性的交變振動作用,也就是利用超聲波在媒體中傳播時,使媒體粒子作交變振動,并引起媒體中的應力或聲壓周期性變化,從而引起一系列次級反應。

                2)大振幅振動在媒體中傳播時會形成鋸齒形波面的周期性激波,在波面上造成很大的壓強梯度,因而產生局部高溫高壓等一系列特殊效應。

                3)振動的非線性會引起相互靠近的柏努力,由粘度的周期性變化引起的直流平均粘滯力等,這些直流力可以說明一些定向作用、凝聚作用等力學效應。

                4)空化作用,這是超聲波在液體媒體中出現的一種重要的基本作用。在聲場中,液體的氣泡可能逐步生成并擴大然後突然破滅,在氣泡的急速崩潰中,氣泡內出現高溫高壓,在氣泡附近的液體中形成局部強烈的激波,因而產生一系列次級效應。

                以上四種基本作用導致了五種效應:力學效應、熱學效應、光學效應、電學效應及化學效應。目前超聲波廣泛地使用在各行業,正是使用它的這五種效應。隨著各學科的相互滲透,超聲波在聚合物行業的研究和應用正越來越廣。

                超聲波在聚合物加工領域的研究現狀

                目前,國內外學者在超聲波應用於擠出成型、微熱壓成型、超聲塑化等聚合物加工方面,做了許多探索性的研究。

                在超聲波應用於擠出成型方面,超聲波對聚合物熔體各方面性能的研究已比較深入。四川大學材料工程國家重點實驗室針對超聲波聚合物降解和聚合物共混擠出進行了深入研究。在超聲波降解過程中,超聲波能減小聚合物熔體的分子量,使結晶溫度升高,也能降低熔體表觀粘度,導致拉伸強度下降;在超聲波聚合物共混擠出成型過程中,超聲波能使混合粒子尺寸減小,分布更為均勻,改善共混物的機械性能,也能影響晶核生長行為,增加結晶溫度和結晶度,同時還能明顯降低共混物的口模壓力和熔體表觀粘度,改善流動性能。

                在超聲波應用於微熱壓成型方面,日本的HarutakaMekaru通過帶有微結構模仁的超聲波工具頭振動加熱塑料工件表面來壓印微結構,發現超聲振動加熱壓印微結構在改善聚合物流動性能方面有極佳表現。微結構復制實驗顯示,超聲振動加熱壓印成型的制品精度良好。

                在超聲塑化方面,超聲波對聚合物熔體的塑化質量研究尚處於起步階段。德國亞琛大學IKV研究所將超聲波引入到聚合物的微量塑化過程中,改善了聚合物的塑化質量,得到了具有良好均質性的聚合物;湖北工學院將超聲波、機械振動和高剪切微磨引入到聚合物的塑化過程,發現一定頻率的超聲波對聚烯烴的結晶起著積極的作用,聚合物的塑化效果良好。

                超聲波應用於微注射成型的研究進展

                零件重量以毫克為度量單位或幾何尺寸以微米為度量單位的微注射成型技術始於20世紀80年代,以容易實現低成本、大規模商品化生產等優勢逐漸成為MEMS技術得以推廣應用的關鍵技術之一。作為一門新興技術,微注射成型技術在發展過程中面臨著微型腔充填困難、微制品微觀組織結構不均等諸多挑戰。為解決微注射成型技術中遇到的困難,中南大學模具技術研究所在將超聲波應用於微注射成型方面做了大量的研究。

                聚合物超聲塑化模型及塑化過程研究

                聚合物的塑化質量是影響微注射成型的重要因素。將超聲波應用於微注射成型,首先需要研究超聲外場作用下聚合物的熔融塑化過程,分析超聲振動力場對聚合物粘彈性能和表觀粘度的影響、超聲空化場對聚合物熔融塑化速率的影響,在此基礎上建立聚合物超聲熔融塑化物理模型。

                通過對超聲外場作用下聚合物熔融塑化過程的理論分析與研究,課題組研制了聚合物超聲塑化與流變測試裝置,并且進行了相關的超聲波熔融塑化實驗。實驗結果表明超聲波能使聚合物熔融,探明了聚合物在超聲波作用下熔融過程。聚合物超聲熔融塑化過程中,工具頭端面和周圍的聚合物固體顆粒在超聲振動作用下,相互之間劇烈摩擦熔融產生熔膜,隨著熔融過程的繼續,工具頭端面附近的固體顆粒全部熔融并形成一個圓柱形熔池,在超聲振動和塑化壓力的雙重作用下,熔池以工具頭為中心,向周圍延伸,直至塑料顆粒全部熔融。

                超聲塑化的本質機理研究

                利用理論分析和仿真研究聚合物超聲波熔融塑化的本質機理,結果表明:聚合物超聲波熔融塑化過程存在三個生熱效應,即摩擦生熱效應、粘彈性熱效應以及超聲空化效應。摩擦生熱效應與超聲波聲壓幅值、超聲波頻率以及聚合物的摩擦系數成正比;粘彈性熱效應與應力、應變、應力和應變的相位角以及超聲波頻率成正比;超聲波空化效應在較低的超聲波頻率(20KHz)、一定的超聲波聲壓幅值(1.4MPa)、較低的塑化壓力(1.25MPa)和適宜的聚合物熔體運動粘度(1.2685m2/s)情況下更加劇烈。

                超聲塑化對聚合物微觀形態的影響研究

                實驗研究的材料為高密度聚乙烯。高密度聚乙烯從熔體冷卻結晶時,在無應力或流動情況下傾向於生成球晶,從圖3可以看出兩種塑化方式得到的物料由於自然冷卻過程中沒有應力或流動,所以它們都生成球晶,但是兩種球晶的大小有很大差距。加熱熔融塑化生成的球晶比較大,直徑有500左右,而超聲塑化生成的球晶就比較小,直徑只有200左右。因此超聲波熔融塑化得到的聚合物樣品晶粒更小,更均勻;從圖中還可以看出,超聲塑化的聚合物微觀組織結構比加熱熔融塑化聚合物的微觀組織結構更均勻,超聲波塑化效果比加熱熔融塑化效果更好。

                超聲塑化的能耗研究

                節能是當代技術的發展方向,能耗就成為新技術的重要指標。

                超聲塑化的塑化速率、單位元元能耗及與實驗室德國進口的阿博格Arburg370S注塑機的對比見表1??梢?,超聲波熔融塑化方式和Arburg370S注塑機的塑化能耗基本相同,而超聲塑化作為一種新技術,在能耗方面還有較大的改善空間。并且超聲波熔融塑化的聚合物熔體具有更均勻的微觀組織結構。

                從超聲波熔融塑化方式和加熱熔融塑化方式、Arburg370S注塑機的能耗方面的比較,可以看出,超聲波熔融塑化方式不僅在節能方面有很大的發展潛力,而且在塑化效果方面存在很大的優勢。

                超聲塑化微注射成型機的研制

                由於超聲塑化在改善聚合物的結晶形態、降低熔體的表觀粘度、節能等方面的優勢,研制超聲塑化微注射成型機就成為微注射成型技術發展的重要方向之一。

                中南大學模具技術研究所在分析傳統的螺桿式注射成型機螺桿塑化結構的基礎上,參考國內外最新的微注射成型機,設計開發了超聲塑化微注射成型機,其具有以下特點:

                (1)超聲塑化微注射成型機的塑化部分是通過超聲工具頭的振動,將能量傳遞給聚合物熔體,通過超聲波的作用來完成塑化工作;

                (2)單次塑化量和注射量均較小(<6cm3),因此對注射精度的控制,即精密計量的要求更高;

                (3)采用全電動式驅動系統,即由伺服電機帶動滾珠絲杠來實現微注射成型中的精密計量;

                (4)多個驅動電動機,使各動作相對獨立,實現部分動作的復合動作,縮短成型周期;

                (5)由於注射行程短,注射速度高,超聲塑化微注射成型機的驅動單元具備相當快的反應速度,以保證設備能達到所需注射壓力。

                前景展望

                微注射成型過程中,流道淺、模腔小,面臨著塑料熔體充填困難,易出現充填不足的挑戰,并且聚合物熔體的塑化質量對成型過程與制品質量具有顯著的影響。

                超聲波應用於聚合物塑化可改善聚合物的結晶形態、降低熔體的表觀粘度、節能等方面的優勢,必將使超聲塑化微注射成型技術成為微注射成型的重要發展方向。

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