料筒溫度對超聲塑化微制件充填質量的影響

蔣炳炎，張英平，齊鵬程，鄒洋，魏國猛，吳旺青

(中南大學高性能復雜制造國家重點實驗室，湖南長沙，410083)

超聲塑化微注射成型技術解決了常規螺桿塑化微注射成型在最小塑化量限制的問題，具有節能高效、減少材料降解和浪費、提高聚合物熔體流動性能等優點[1]。近年來，超聲塑化微注塑成型技術研究在高性能工程塑料[2-3]、生物可降解聚合物[4-5]、聚合物納米材料微注射成型[6-7]等領域取得快速發展，使之成為微注射成型技術發展的一個重要方向。但超聲塑化單次塑化量小，頻率高，能量集中，微制件質量對振幅等工藝參數非常敏感，超聲塑化微制件經常出現塑化不完全、溢料嚴重、充填不足、材料降解燒焦等問題[8]，因此，有必要針對上述問題進行研究。JIANG等[9-10]建立了超聲塑化聚合物黏彈性生熱和摩擦生熱的計算模型，發現超聲振動聚合物摩擦生熱過程僅0.078 s，黏彈性生熱效應是聚合物超聲塑化熱量的主要來源。DORF等[11]通過檢測超聲塑化PEEK微制件降解程度，發現過大的超聲振幅和過低的注射速率都是導致PEEK降解的重要因素。GRABALOSA等[12-13]研究了超聲振幅對聚酰胺(PA)、聚苯砜(PPSU)微制件塑化質量的影響，發現聚合物塑化質量對超聲振幅非常敏感，較大的超聲振幅容易導致聚合物顆粒燒黑與降解。過大或過小的塑化壓力都會導致塑化不完全與材料降解從而導致制件性能降低。MASOTO等[14]研究了微型腔中聚合物流動和溫度特性，發現澆口附近的熔體溫度最高，型腔末端附近的熔體溫度最低，容易導致型腔末端充填不足。張勝等[15]通過實驗證明了料筒中聚合物超聲場不均勻且沿料筒中心軸線方向衰減的特性。LIANG等[16]發現未經加熱的UHMWPE超聲模塑微陣列的相結構存在初生態和熔化再結晶態兩相，而加熱到85℃時UHMWPE模塑微陣列相結構只包含熔化再結晶態，溫度外場有助于提高塑化程度，但未對其影響機理進行研究。JIANG等[17]發現超聲塑化聚合物與金屬壁面的熱交換導致超聲波能量損失20%，但實驗研究對象不是微量聚合物。綜上所述，由于功率超聲的振幅與頻率工藝參數可以選擇的范圍小且不好精準控制，超聲工具頭壓力對聚合物黏彈性生熱速率影響不顯著，因此，考慮采用外部加熱的方式改善超聲塑化微制件的充填質量。但現有研究并未就溫度外場對超聲塑化微制件充填質量的影響開展研究，為此，本文作者采用瞬態熱分析方法仿真研究不同料筒溫度下聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)溫度場升溫特性，并結合單因素實驗研究料筒溫度對微拉伸試驗件充填質量的影響規律。

1 超聲塑化系統溫度場仿真分析

1.1 聚合物超聲塑化黏彈性生熱計算

超聲塑化過程中摩擦生熱階段只持續0.078s[10]，提供聚合物超聲塑化過程的啟動能量。聚合物顆粒界面消融后黏彈性生熱效應提供了超聲塑化主要熱量。超聲工具頭施加正弦交變壓力載荷，超聲振動產生的機械能通過做功轉換為聚合物內部黏彈性生熱。聚合物超聲塑化黏彈性生熱物理模型如圖1所示。

圖1 聚合物超聲塑化黏彈性生熱示意圖Fig.1 Schematic diagram of viscoelastic heating during ultrasonic plasticization

假設工具頭端面產生的超聲波垂直于工具頭端面且均勻分布。黏彈性生熱率計算方法為[18]

式中：Q為聚合物黏彈性生熱率；T為聚合物溫度；f為超聲振動頻率；ω為超聲振動角頻率；Z為距離工具頭端面的距離；E′為儲能模量；E″為損耗模量；C為超聲波在聚合物中的傳播速度；ε0為超聲工具頭端面振幅。BENATAR等[19-20]基于廣義Maxwell力學模型與時溫等效原理表征了聚合物模量與溫度、頻率和松弛時間的關系：

式中：j為廣義Maxwell模型階數；τj(T)為各階松弛時間關于溫度的函數；Ej(T)為各階松弛模量關于溫度的函數。根據式(1)～(2)可得到聚合物在超聲振動載荷下黏彈性生熱率Q的計算公式：

式中：ρ為聚合物密度；H為聚合物松弛轉變活化能，取335 kJ/mol；T0為參考溫度；Tg為PMMA玻璃化轉變溫度，為105℃；R為氣體摩爾常量。

選擇典型無定形聚合物PMMA為研究對象，利用Matlab對超聲塑化黏彈性生熱率進行計算。取超聲頻率為20 kHz，超聲振幅為20 μm，常數C1=17.6，C2=65.5，距離超聲波端面的高度z小于10 mm，計算結果如圖2所示(其中，z為聚合物與超聲工具頭端面的距離)。

當超聲頻率與振幅確定時，聚合物PMMA黏彈性生熱率依賴于溫度，這本質上是聚合物分子結構受溫度影響的體現，反映了聚合物分子在承受交變載荷時單位時間內的能量消耗。聚合物黏彈性生熱率在105～165℃范圍內呈現先急劇增加后下降的趨勢，并在超聲波傳播方向上存在顯著衰減。

圖2 聚合物與超聲工具頭端面距離不同時PMMA的黏彈性生熱速率Fig.2 Viscoelastic heating rate of PMMAat different distances

1.2 超聲塑化系統溫度場仿真

根據式(3)采用ANSYS非線性瞬態熱分析模塊對超聲塑化系統溫度場仿真，非線性瞬態熱分析的平衡方程為

式中：[K(T)]為傳導矩陣；[C(T)]為比熱矩陣；{T}為節點溫度向量；{dT/dt}為溫度對時間的導數向量；{Q}為節點熱流率向量；t為時間。

超聲塑化系統溫度場仿真求解過程如下：首先，采用ANSYS瞬態熱分析求解料筒初始溫度場；然后，將溫度場作為初始條件加載到塑化系統黏彈性生熱瞬態中，采用牛頓-拉夫森迭代法進行計算。在瞬態分析中，每一迭代子步完成后可提取其單元節點溫度，從而根據式(3)獲得下一個子步的溫度場分布，最終獲得超聲塑化聚合物的溫度場。

1.2.1 基本假設

超聲塑化是聚合物在超聲振動下摩擦生熱、黏彈性生熱、料筒溫度場綜合作用下的復雜溫度變化過程。為簡化研究，假設摩擦生熱和黏彈性生熱為相對獨立的過程。以聚合物玻璃化轉變溫度105℃作為聚合物溫度場仿真的起始溫度，此時，聚合物界面完全消融，介質分布均勻，摩擦生熱階段結束，黏彈性占主導作用。忽略不同介質間的接觸熱阻。

1.2.2 有限元模型的建立及邊界條件

聚合物黏彈性生熱率Q沿中心軸線Z′軸對稱，故聚合物塑化系統內部的溫度場分布沿其中心軸線對稱，仍以典型無定形聚合物PMMA為研究對象，采用ANSYS 15.0前處理模塊建立塑化系統熱分析的1/2二維有限元仿真網格模型，如圖3所示。

圖3 超聲塑化系統有限元模型Fig.3 Finite element model of ultrasonic plasticizing system

取單次塑化量為0.35 g，料筒半徑為5 mm，聚合物高度為6 mm。假設料筒初始溫度為室溫20℃，料筒外表面與加熱圈接觸處設置陶瓷加熱圈的熱流密度q為

式中：q為熱流密度；P為陶瓷加熱圈功率；h′為料筒高度；R為料筒半徑。

由圖2可知PMMA黏彈性生熱率在105～165℃之間受溫度影響明顯，故將料筒仿真溫度參數設為20，100，120，140，160和180℃。將ANSYS瞬態熱分析求解的料筒溫度場作為料筒溫度初始條件。環境溫度設定為20℃。對料筒外壁與空氣接觸處施加與環境空氣間的熱對流，對流換熱系數為12.5 W/(m2·℃)。料筒上端設置有纖維隔熱板，設置導熱系數為0.03 W/(m·℃)，動模溫度設置為PMMA注塑成型的模具溫度60℃。取工具頭振幅為20 μm，超聲頻率為20 kHz，利用ANSYS中的Function Editor功能將式(3)所示的超聲塑化聚合物黏彈性生熱模型導入載荷公式中，然后，選擇該黏彈性生熱載荷公式計算聚合物熱生成率的體載荷，計算步長為1×10-5s。

1.2.3 材料參數的確定

超聲工具頭材料為鈦合金TC4，料筒、動模板材料為7075鋁合金，聚合物材料為PMMA。各材料主要性能參數如表1～3所示。

表1 仿真實驗中的材料屬性Table 1 Performance parameters of simulation materials

表2 不同溫度時PMMA的導熱系數Table 2 Thermal conductivity of PMMAat different temperatures

表3 不同溫度時PMMA的比熱容Table 3 Specific heat capacity of PMMAat different temperatures

1.3 超聲塑化系統溫度場仿真結果與分析

1.3.1 超聲塑化PMMA溫度場特性

在料筒溫度140℃下，PMMA溫度場的仿真結果如圖4所示。由于超聲波能量在聚合物中傳播方向上有顯著衰減，聚合物上端面溫度最高，距離超聲工具頭端面越遠，其黏彈性生熱率越低，同時，料筒內壁與聚合物接觸產生熱傳導，PMMA料筒溫度在聚合物半徑方向上由聚合物中心軸線向外衰減。

圖4 料筒溫度為140℃時PMMA溫度場分布Fig.4 Temperature field distribution of PMMAat barrel temperature of 140℃

1.3.2 料筒溫度對超聲塑化PMMA升溫速率的影響

提取聚合物3個特征點a，b和c處升溫曲線，分析料筒溫度對料筒內各點超聲塑化升溫速率的影響。不同料筒溫度下各點聚合物升溫曲線如圖5所示。

從圖5可見：當料筒溫度為100℃時，聚合物溫度場各點溫度明顯提高，溫度增幅從大到小的點依次為點c，a和b；點a處于超聲工具頭端面中心位置，超聲能量衰減最少，能量最集中；點b處于聚合物芯部，超聲能量衰減大，故溫度增幅最小；點c在料筒溫度100℃下聚合物溫度升至黏流溫度的時間為0.80 s，聚合物熔體溫度達到172℃，與料筒不加熱條件相比，升至黏流溫度上的時間縮短了0.88 s，熔體溫度提高了14℃，有效減少了料筒壁面處傳導產生的熱損失，從而提高了聚合物熔體流動性能；當料筒溫度升至180℃后，聚合物溫度場溫度均無明顯提高。這是由于料筒溫度為100℃時，大部分聚合物已進入高彈態，高彈態聚合物的分子鏈之間的摩擦力較大，損耗模量大，黏彈性生熱效應更劇烈；當料筒溫度升至180℃時，聚合物快速升高至黏流溫度，分子鏈之間的運動相對自由，黏彈性生熱效應減弱。仿真結果符合圖2所示的黏彈性生熱速率數值計算規律。

2 實驗

2.1 實驗平臺與材料

圖5 不同料筒溫度下各點聚合物升溫曲線Fig.5 Temperature curves of PMMAat different barrel temperatures

實驗研究基于超聲塑化微注射成型實驗平臺[21]，平臺參數如表4所示。自行設計料筒溫度控制系統采用PLC和K型熱電偶、陶瓷加熱圈組成的閉環控制方式。PLC通過PID功能改變輸出脈沖信號的占空比，控制陶瓷加熱圈的加熱功率。K型熱電偶測溫點固定于料筒底部，通過熱電偶模塊將信號返回至PLC以執行PID計算。溫度控制精度為±1℃。

表4 超聲塑化實驗平臺參數Table 4 Experimental parameters of ultrasonic plastic platform

為滿足研究與檢測需求，選擇微拉伸試驗件作為微制件實驗對象，參考ASTM_D638-2010塑料拉伸實驗標準進行設計。實驗材料選擇無定形聚合物PMMA，牌號為Evonik PMMA Plexiglas 8N。微拉伸試驗件基本尺寸如圖6所示。

圖6 微拉伸試驗件基本尺寸Fig.6 Basic dimensions of micro tensile test piece

2.2 實驗方案

為研究料筒溫度對微拉伸試驗件充填質量的影響，根據仿真研究結果設計單因素實驗，實驗參數如表5所示。

表5 PMMA微拉伸試驗件成型實驗參數Table 5 Ultrasonic plasticization parameters of PMMA micro-parts

為保證實驗結果的準確性，首先對PMMA材料進行干燥處理，干燥溫度為80℃，干燥時間為6 h。實驗前，開啟料筒與模具的預熱，打模至設備穩定狀態后進行取樣。每組實驗對相應工藝參數下5組微拉伸試驗件充填質量進行檢測，除去最大與最小值后取平均值作為統計結果。

實驗結果分析中，聚合物塑化程度通過可視化評估為未塑化、部分黏結、完全熔融、燒焦降解共4個等級，分別用0，1，2和3表示。以微拉伸試驗件的制件質量與完全充填的理論質量的百分比作為充填率評價指標，稱質量儀器為德國賽多利斯公司的BSA124S型精密電子天平。微拉伸試驗件的長度與窄部厚度分別由數顯游標卡尺和數顯千分尺測量。

3 結果與討論

3.1 料筒溫度對聚合物塑化程度的影響

不同料筒溫度下聚合物塑化程度如圖7所示，其中，塑化程度1表示聚合物末塑化，塑化程度2表示聚合物部分塑化，塑化程度3表示聚合物完全塑化。從圖7可見：當料筒溫度為20℃時，料筒壁面的聚合物顆粒界面仍未完全消融；當料筒溫度提高至100℃后，與料筒壁面接觸的聚合物能完全塑化，與圖5(c)所示結果一致；當料筒溫度達到180℃時，超聲振動瞬間產生的高溫使其超過PMMA熱分解溫度，導致聚合物發生降解并出現燒黑現象。

圖7 料筒溫度對聚合物塑化程度的影響Fig.7 Influence of barrel temperature on plasticized degree of polymer

3.2 料筒溫度對聚合物溢料現象的影響

由圖5(c)可知：當料筒溫度升高時，聚合物與料筒接觸面上的溫度提高最顯著，黏度降低，流動性能增強。可以推斷料筒溫度提高可以減小聚合物與料筒之間的溢料間隙。不同料筒溫度下PMMA制件的溢料現象如圖8所示。從圖8可見：當料筒溫度為100℃時，溢料現象不明顯；當料筒溫度提高至180℃時，出現嚴重溢料現象。這是由于當料筒上升至180℃時，與料筒壁面接觸的聚合物溫度顯著增加，溢料間隙減小，同時，料筒的溫度大于PMMA黏流溫度(160℃)，使保壓階段中制件與料筒壁面接觸的聚合物保持流動。

圖8 料筒溫度對聚合物溢料現象的影響Fig.8 Influence of barrel temperature on flash phenomenon of polymer

3.3 料筒溫度對制件充填率的影響

由圖5(b)可知：料筒不加熱時，料筒底部聚合物最高溫度僅為139℃，未達到黏流溫度，導致底部聚合物流動性能相對工具頭端面聚合物較差，抑制了聚合物熔體的充填；當料筒溫度提高至140℃后，料筒底部聚合物最高溫度為160℃，達到黏流溫度，流動性能提高，可以促進聚合物熔體的充填。不同料筒溫度下PMMA微拉伸試驗件的充填率如圖9所示。從圖9可見：制件充填率隨著料筒溫度增加呈現先增加后下降的趨勢；當料筒溫度為20℃時，制件的充填率只有83.40%；當料筒溫度升高至100℃時，拉伸試驗件的充填率隨料筒溫度提高而增加；當料筒溫度為140℃時，充填率達到最大值98.26%；當料筒溫度升高到180℃時，微拉伸試驗件充填率有所下降，這可能是聚合物溫度過高時發生降解釋放出氣體所致。

3.4 料筒溫度對制件尺寸的影響

圖9 料筒溫度對微拉伸試驗件充填率的影響Fig.9 Influence of barrel temperature on filling rate of micro tensile test pieces

圖10 料筒溫度對微拉伸試驗件尺寸的影響Fig.10 Influence of barrel temperature on dimensions of micro tensile test pieces

料筒溫度對拉伸試驗件尺寸的影響如圖10所示。從圖10可見：隨著料筒溫度增大，拉伸試驗件的充填長度先增大，達到穩定后呈小幅下降的趨勢；當料筒不加熱時，拉伸試驗件的充填長度只有23.84 mm，小于拉伸試驗件的理論長度28.75 mm；隨著料筒溫度增大到140℃，充填長度增大到28.70 mm，接近拉伸試驗件的理論長度；當料筒溫度上升到180℃時，充填長度有小幅度下降，這與聚合物發生降解有關；當料筒溫度增加時，拉伸試驗件厚度保持穩定；當料筒溫度由20℃增加到180℃時，拉伸試驗件厚度的變化幅度只有0.008 mm，表明料筒溫度對拉伸試驗件厚度無顯著影響效果。

4 結論

1)通過仿真與實驗研究解釋了料筒溫度對聚合物超聲塑化升溫特性與微制件充填質量的影響規律。合理的料筒溫度能顯著提高聚合物超聲塑化溫度，從而改善微制件的充填質量。研究結果解釋了溫度外場對聚合物超聲塑化的影響機理，為提高超聲塑化微制件充填質量提供了實驗基礎。

2)PMMA黏彈性生熱速率隨著料筒溫度的升高呈先增加后降低的趨勢。當料筒溫度為140℃時，聚合物達到黏流溫度的時間縮短0.88 s，聚合物熔體溫度提高14℃。在相同條件下，料筒壁面處聚合物溫度提高效果最大，改善了熔體溫度的均勻性。

3)合理設置料筒溫度可顯著改善微拉伸試驗件塑化與充填質量。微拉伸試驗件充填率和充填尺寸隨料筒溫度升高呈先增加后降低的趨勢。當料筒溫度設置為100，120，140，160和180℃時，PMMA微拉伸試驗件充填率分別提高12.18%，13.92%，14.79%，14.64%和12.43%，長度分別提高3.840，4.160，4.870，4.760和3.294 mm；當料筒溫度提高至160℃時，充填質量均有小幅度下降，提高至180℃時則出現聚合物燒焦與溢料現象。超聲塑化成型PMMA微制件的最佳料筒溫度為140℃。