微觀因素對微注塑成型中熔體充模流動的影響

【摘要】微觀熔體充模流動涉及的影響因素較多，相互作用關(guān)系復(fù)雜，主要包括模具和熔體溫度、模具的結(jié)構(gòu)因素以及一些微觀因素。本文主要介紹熔體的表面張力、慣性力和重力、微觀粘度、壁面滑移等微觀因素對微注塑成型中熔體充模流動的影響。

【關(guān)鍵詞】微注塑成型；溶體流動；微觀因素

1.引言

微觀熔體充模流動涉及的影響因素較多，相互作用關(guān)系復(fù)雜，但其區(qū)別于宏觀充模流動的主要特征是其熔體流動通道與型腔的截面尺寸及充填熔體的量微小，由此引發(fā)的充模流動中的許多因素明顯與宏觀充模過程不同。宏觀充模流動中可被忽略的影響因素，在微觀條件下可能成為主要因素；而宏觀條件下影響熔體流動的主要因素，在微觀條件下可能變得并不重要而被忽略。這些可能的因素包括模具和熔體溫度、模具的結(jié)構(gòu)因素以及一些微觀因素，本文簡要介紹熔體的表面張力、重力、慣性力、微觀粘度、壁面滑移等微觀因素對高聚物熔體微尺度下流動的影響。

2.熔體表面張力

當(dāng)液體存在與氣體的分界面時(shí)，在液體表面部分可劃出一表面層，處在表面層以下的液體分子，在各方向上受到周圍分子的作用力引力與斥力處于平衡狀態(tài)，而處在表面層的液體分子，受到內(nèi)部液體分子的吸引力與其外部氣體分子的吸引力不相平衡，其合力垂直液面指向液體內(nèi)部。在這一不平衡的分子合力作用下，表面層的液體分子都力圖向液體內(nèi)部收縮。表面張力便是用來描述表面層這一特征。

表面張力可表示為表面張力系數(shù)與濕周（流體與固體壁面的接觸長度）的乘積，即，其中為表面張力系數(shù)，為濕周。在流體流動過程中，表面張力既可能促進(jìn)流體流動也可能抑制其流動，形成如圖1所示的流動前沿模型。圖1（a）表示接觸角小于90o時(shí)，表面張力可促進(jìn)流體流動：圖1（b）表示接觸角大于90o時(shí)，表面張力具有抑制流體流動的作用。其作用原理也可用液面彎曲產(chǎn)生的附加壓強(qiáng)來解釋，附加壓強(qiáng)可以按以下公式進(jìn)行計(jì)算[1]：

表面張力在許多工程問題中都可以忽略不計(jì)，但是當(dāng)問題對象的尺度減小，表面力的作用逐漸大于體積力的作用，此時(shí)就必需考慮表面張力的影響[2]。由于表面張力與特征尺度的一次方成正比，因此隨著尺度的減小，表面張力的影響將相對增大。另外，表面張力的作用使得流道中的氣泡更加難以排除，氣泡的存在將對微流體的過流性能產(chǎn)生影響。即使無氣泡存在，表面張力引起的表面壓差在流體對微細(xì)通道的初期填充過程中也起重要作用。Gravesen等強(qiáng)調(diào)通道內(nèi)存在氣泡的影響，如果存在氣泡，由于表面張力影響，會使壓降增大。第一次填充通道時(shí)的氣泡可能就會在通道滯留，很難完全消除。

3.微觀粘度

多項(xiàng)研究表明，流體在微通道中的流動行為與常規(guī)尺度通道中的流動有很大的不同。試驗(yàn)觀察表明，水、硅油、酒精、聚合物溶液等流體在微小通道壁面附近的粘度比常規(guī)尺寸下的粘度高50%-80%[3]。一些學(xué)者認(rèn)為聚合物溶液的這種粘度增大，是分子鏈的纏結(jié)或分子鏈與通道壁面的粘結(jié)作用所致。當(dāng)高聚物分子鏈的回轉(zhuǎn)半徑與通道的尺寸相比不可忽略時(shí)，這個(gè)現(xiàn)象是很常見的。Eringe等[4]認(rèn)為當(dāng)聚合物分子鏈的均方旋轉(zhuǎn)半徑與通道的尺寸相比不可忽略時(shí)，其粘度與傳統(tǒng)粘度模型之間會出現(xiàn)偏差，并基于粘性流體非局部連續(xù)理論，結(jié)合分子取向效應(yīng)，建立了針對聚合物溶液的粘度模型如下：

4.慣性力和重力

在傳統(tǒng)的宏觀樹脂成型中，同屬質(zhì)量力的慣性力和重力通常被忽略。而在微澆注成形中是否應(yīng)被考慮，至今沒有一個(gè)明確的定論。一種觀點(diǎn)認(rèn)為，聚合物熔體的微觀結(jié)構(gòu)可以看作成團(tuán)的大分子鏈纏結(jié)在一起，分子鏈之間必然有很大的間隙。當(dāng)微小熔體流動時(shí)，慣性力和重力應(yīng)該看成作用在分子鏈上，從而使得它們的影響增大。另一種觀點(diǎn)認(rèn)為隨著特征尺寸的減小，作為特征尺寸二次方的慣性力和特征尺寸三次方的重力，其作用程度會越來越小，即微尺度下流體流動中重力和慣性力的影響可以忽略[5]。

對于微尺度下熔體的慣性力和重力，可用無量綱參數(shù)Te和Oa進(jìn)行量綱分析。Te和Oa分別表示慣性力與粘性力之比，重力與粘性力之比，即：

5.壁面滑移

壁面滑移是聚合物熔體粘彈性行為的重要特征之一。大量的研究表明，在一定條件下熔體會沿著壁面滑動，產(chǎn)生壁面滑移[6]。目前，普遍認(rèn)可的壁面滑移形式主要有兩種，一種是以粘-滑（stick-slip）的形式出現(xiàn)，即當(dāng)熔體在壁面承受的剪切應(yīng)力超過某一臨界剪切應(yīng)力時(shí)，發(fā)生壁面滑移；另一種滑移以整體滑移（full-slip）的形式出現(xiàn)，熔體的流動近似為柱塞式運(yùn)動。

壁面滑移的產(chǎn)生機(jī)理十分復(fù)雜，人們在試驗(yàn)研究和微觀分析的基礎(chǔ)上，把流體力學(xué)原理同微觀分子結(jié)構(gòu)結(jié)合起來，對熔體壁面滑移的形成機(jī)理提出了各種不同的解釋。目前，較為一致的觀點(diǎn)主要有三種。一種觀點(diǎn)認(rèn)為在熔體流動的通道壁面上總是粘附著一個(gè)薄層，當(dāng)熔體所受剪切應(yīng)力超過某一臨界值時(shí)，粘附薄層內(nèi)側(cè)的熔體分子和流動的本體分子間發(fā)生解纏而隨之流動，其分子鏈運(yùn)動的速度比按經(jīng)典連續(xù)介質(zhì)力學(xué)計(jì)算的速度要大，從而表現(xiàn)為熔體沿壁面滑移。這被稱為熔體壁面滑移的纏結(jié)—解纏機(jī)理，如圖2（a）所示。另一種觀點(diǎn)認(rèn)為當(dāng)熔體在通道壁面處的剪切應(yīng)力超過某一臨界剪切應(yīng)力時(shí)，粘附于通道壁面的分子會因解吸附而發(fā)生相對滑動。這稱為壁面滑移的吸附—解吸附機(jī)理，如圖2（b）所示。還有一種觀點(diǎn)認(rèn)為壁面滑移是纏結(jié)—解纏和吸附—解吸附同時(shí)發(fā)生，熔體流動時(shí)具體發(fā)生哪種壁面滑移要取決于聚合物熔體的彈性、分子結(jié)構(gòu)以及它與通道壁面的粘附性等因素。對吸附能力強(qiáng)的通道壁面而言，纏結(jié)一解纏結(jié)是造成壁面滑移的主要原因，由此產(chǎn)生的滑移多以粘—滑的形式出現(xiàn)；對吸附能力弱的通道壁面材料而言，吸附—解吸附是產(chǎn)生壁面滑移的主要原因，而此時(shí)產(chǎn)生的滑移很可能為整體滑移[7]。如果澆注微流道為硅膠材質(zhì)，通道壁面屬于彈性體，表面能很低，熔體與壁面相互作用弱，因此，熔體很可能會發(fā)生整體滑移，有益于熔體在微型腔中的充填。

6.總結(jié)

本文分析了微尺度下高聚物熔體充填過程中模具和熔體溫度、模具型腔壁面粗糙度、表面張力、微觀粘度、慣性力及重力、壁面滑移對熔體流動充填的影響。結(jié)果表明，除微觀粘度的作用可以忽略外，其它因素對熔體在微尺度下的充填都有一定的影響。

參考文獻(xiàn)

[1]于同敏，李又民，徐斌.微注塑成型充模流動中的表面張力[J].高分子材料科學(xué)與工程，2009，12（25）.

[2]景思睿，張鳴遠(yuǎn).流體力學(xué)[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，2001：10-11.

[3]孫民華等.Al熔體粘度的突變點(diǎn)及與熔體微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系[J].金屬學(xué)報(bào)，2000，11.

[4]A.C.Eringen，K.Okada.A lubrication theory for fluids with microstructure[J].Int.J.Eng.Sci.1995，33，2297-2308.

[5]莊儉.微注塑成型充模流動理論與工藝試驗(yàn)研究[D].大連理工大學(xué)，2007.

[6]吳其嘩，巫靜安.高分子材料流變學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2002：296-316.

[7]徐斌，王敏杰，于同敏，趙丹陽.微尺度效應(yīng)對聚合物熔體壁面滑移影響的研究[J].材料工程，2008，10：16-24.