了解注射成型中的噴泉流動

文/ Fimmtech公司 Suhas Kulkarni

噴泉流動現象幾乎影響成型產品的各個方面：從填充到保壓，最終表現為在部件中產生各種缺陷，如氣泡或真空氣泡。

要想成型出美觀且符合尺寸要求的合格部件，理解噴泉流動的基本原理及其如何在整個成型過程中發揮作用是非常重要的。

在熱塑性塑料的注射成型過程中，相對于塑料熔體的溫度，模具通常被認為是“冷的”。如圖1 所示，成型一種PEI 材料時，模具溫度是330 °F（約165.6 ℃），這相對于750 °F（約398.9 ℃）的樹脂熔體溫度而言，依然是“冷的”。當塑料熔體接觸到較冷的模具鋼時，會瞬間冷凝，形成一層表皮，隨后進入的塑料則會進一步向前流動到該冷凝層的前方，并與前方的模具鋼接觸，繼續形成一個冷凝層。隨著熔體的不斷深入，注射開始時形成的冷凝層會變得越來越厚，流道的橫截面會變得越來越小。這種“由內而外”的塑料流動仿佛是噴泉里的水流，因此被稱為噴泉流動。

如圖2 所示，在填充階段，塑料以相對較快的速度進入模具并形成表皮，這意味著部件的表皮總是由成型料筒中熔池前方的塑料形成，也就是最靠近噴嘴尖的塑料。如果將熔池想象成圖2所示的10 個部分，則第一到第七部分是形成部件表皮的部分。在一副冷流道模具中，噴嘴頂端的塑料最終會成為澆口上的表皮。

保壓是為了對注射之后發生的收縮進行補償。理論上，應該在注射階段結束后以容量減少的速度加入塑料，在保壓階段注入的塑料來自于第八、第九和第十部分，就在螺桿尖端的正前方。

圖3 通過顏色從透明到黃色的變化反映了部件的成型過程。澆口有一個透明的表皮，熔池后面的黃色部分出現在澆口和部件的內部，澆口的橫截面也清楚地顯示了這一點。從部件可以看出，澆口附近的區域被黃色的塑料包著，這就是最后進入型腔用來補償收縮的塑料。此圖清楚地顯示了噴泉流動。

這種噴泉流動的物理現象也有助于我們理解注射成型過程的幾個階段，以及出現的缺陷和其他現象：

銀紋：這是一種常見的缺陷，表現為在部件上出現帶有光澤的條紋，它由熔體中的揮發物引起（如圖4 所示）。揮發物是由塑料中的水分、添加劑或塑料的降解以及熔體中混入的空氣所產生。揮發物處在模具表面和塑料熔體之間，阻止了熔體貼附模具鋼的紋理，從而導致在部件上出現發光或銀色的外觀。這些揮發物還可能附著在模具的表面，導致條紋的產生。

壓力限制條件: 當塑料進入模具并經歷噴泉流動時，冷凝層會變得越來越厚，流道變得越來越小（如圖5 所示）。此時塑料必須通過一個較小的通道、流過較長的距離才能到達填充末端。為保持螺桿注射速度的恒定，就要不斷增加所需的壓力。如果所需的壓力達到機器的最大壓力，實際的螺桿注射速度就會減慢，這被稱為壓力限制條件，它可能會導致部件填充和部件質量問題。因此，注射速度的設置必須確保熔體前鋒在到達填充末端之前不會冷凝。

真空氣泡：真空氣泡常見于由硬質材料如聚碳酸酯、丙烯酸或聚苯乙烯制成的部件的較厚部分。如果保壓不足，氣泡就會產生。當塑料填充型腔時，沿型腔壁的塑料冷卻，同時內部熔體由內向外收縮，形成真空氣泡。真空氣泡可以被認為是內部凹陷，必須填補額外的塑料才能將其充滿，這些塑料來自于螺桿尖端前方的熔體。

氣泡：如果模具排氣不足，當塑料流動形成表皮時，空氣可能會被困在部件中，形成氣泡。由于空氣的存在，部件不能得到進一步的填充，因此，排氣是解決這種缺陷的方法。

分子和纖維在表面的取向：在注射階段，熔融的塑料分子總是朝著流動的方向取向。一旦這些取向的分子接觸到冷的模具，就會在這種取向狀態下冷凝。內部的分子在保壓階段還沒有凝固，因此開始松弛，這種松弛導致取向喪失，使得厚的部件擁有帶有定向的外層和無定向的內層，這種情況對于采用玻璃纖維或其他纖維填充的塑料來成型部件同樣如此，玻璃纖維或其他纖維會在部件的表皮層取向。

總之，噴泉流動在注射成型中的作用有很多。雖然它只是一個簡單的概念，卻對質量有著很大的影響。因此，要想成為一個更好的加工商，就必須考慮到這一點。