超聲波輔助注塑成型技術(shù)原理與應(yīng)用的研究

殷伊凡，林榮川，洪朝陽

（1.集美大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，福建 廈門 361012；2.宏發(fā)電聲有限公司，福建 廈門 361012）

超聲波輔助注塑成型技術(shù)原理與應(yīng)用的研究

殷伊凡1，林榮川1，洪朝陽2

（1.集美大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，福建 廈門 361012；2.宏發(fā)電聲有限公司，福建 廈門 361012）

本文先介紹了超聲波輔助注塑成型技術(shù)的原理以及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，然后介紹了其主要應(yīng)用領(lǐng)域和對未來的展望。

超聲輔助注塑成型技術(shù)；機(jī)理；應(yīng)用領(lǐng)域；未來展望

近年來聚合物材料在微系統(tǒng)和超薄制件領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用，傳統(tǒng)成型技術(shù)一般通過高溫高壓的使熔體流動性增強(qiáng)來使塑料熔體充填微小型腔，但是充填過程中型腔體積微小導(dǎo)致塑料極易冷卻和充填型腔阻力增大，成型塑件應(yīng)力增大，表觀質(zhì)量下降，并且能耗大，成本高，等許多不利之處。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

超聲波在聚合物注射成型中的應(yīng)用研究相對較少，相關(guān)理論及實(shí)驗(yàn)裝置也不夠成熟，研究主要包括實(shí)驗(yàn)研究、數(shù)值模擬以及新型超聲振動注射機(jī)的研制等。國外AstierJ.F.等人[1]發(fā)明了如圖1所示的超聲振動裝置。該裝置的振動頻率為20KHz～40 KHz在注射階段，通過超聲波發(fā)生器對流經(jīng)振動體的聚合物熔體施加高頻振動，從而使熔體粘度降低、流動性提高。

國內(nèi)四川大學(xué)高分子材料工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的Chang Lu等人[2]利用超聲波在液體中的空化效應(yīng)，設(shè)計了如圖2所示的超聲振動裝置，進(jìn)行了超聲振動對PS制品和PS/HDPE共混物制品熔接痕強(qiáng)度影響的研究。

圖1 作用于模具和噴嘴之間的超聲振動裝置

圖2 應(yīng)用液體空化效應(yīng)的超聲振動注射成型系統(tǒng)

2 超聲作用對塑料熔體作用機(jī)理

幾乎所有的高分子溶液在超聲波的作用下，都發(fā)生了分子鏈斷裂，高分子的平均分子量隨著超聲波作用時間增加而逐漸降低，并在一段時間后分子量趨于恒定達(dá)到極限分子量。當(dāng)超聲波與大分子物質(zhì)接觸時，物質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)具有很高的加速度，從而產(chǎn)生劇烈的機(jī)械運(yùn)動，高分子物質(zhì)隨著高速振動和剪切作用引起共價鍵的斷裂，從而導(dǎo)致降解，當(dāng)降解達(dá)到極限鍵長時，分子鏈斷鍵過程停止。對聚合物施加超聲振動，使聚合物材料塑化均勻，以解決注塑成型時出現(xiàn)的充填不勻的現(xiàn)象。高聚物分子與流動性數(shù)學(xué)關(guān)系模型以及振動場的參數(shù)對其影響。

式中,

ηw為熔體粘度；

Nc為熔體單位體積中高分子鏈總數(shù)目。

N為生成纏結(jié)點(diǎn)的數(shù)目；

M為解除纏結(jié)點(diǎn)的數(shù)目；

Ei為熔體能量場中第i種形式能量場具有的能量；

Ki為第i種形式的能量場對解纏結(jié)的作用系數(shù)。

振動場是一種能量場，聚合物熔體的剪切振動和壓力振動是兩種不同形式的振動場。由（2）公式可知，對聚合物熔體施加振動，高分子鏈纏結(jié)和解纏結(jié)作用的平衡關(guān)系必然向解纏結(jié)方向移動，使分子鏈解纏結(jié)點(diǎn)的數(shù)量增加，纏結(jié)點(diǎn)的生成數(shù)量減少。因而，高分子網(wǎng)絡(luò)纏結(jié)點(diǎn)的總數(shù)減少，熔體粘度下降。

（1）振動參數(shù)的影響

在聚合物熔體振動時，振動能量是通過振動源傳入熔體的，振動參數(shù)決定了振動能量的大小。在本實(shí)驗(yàn)設(shè)備中，振動頭是振動的傳入點(diǎn)，振動頭動能的大小決定了傳入熔體的能量多寡。

振動具有的動能為：

式中，

E為振動頭的動能；

m為振動頭的質(zhì)量；

A為振幅；

ν為振動頭的振動速度；

f為振動頻率。

（2）振動頻率影響

可見，振動頻率越高，振動傳遞給熔體的能量就越大，高分子鏈纏結(jié)和解纏結(jié)的動態(tài)平衡向解纏結(jié)方向移動，結(jié)果是纏結(jié)生成點(diǎn)減少，解纏結(jié)點(diǎn)增加，平衡態(tài)的纏結(jié)點(diǎn)數(shù)量降低,熔體粘度下降。由于式（2）所示的動平衡從低級向高級移動時所需能量是不斷增加的，因此，開始時熔體粘度下降迅速，但粘度下降到一定程度時就趨于平緩。

（3）振幅影響

同理，根據(jù)式（3），振幅增大，振動傳遞到熔體體系的能量也增加，高分戶網(wǎng)絡(luò)中纏結(jié)點(diǎn)總數(shù)下降，熔體粘度下降，粘度與振幅之關(guān)的關(guān)系類似于粘度與振動頻率之間的關(guān)系。

3 主要應(yīng)用領(lǐng)域

微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的快速發(fā)展，微型塑件以其體積小、重量輕、成型時能耗低、效率高等特點(diǎn)，在生物醫(yī)療、環(huán)境工程、光學(xué)通信、精密儀器、航空航天、化學(xué)分析與檢測等工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，而且隨著生活水平提高，對制件外觀要求提高，超薄件大量使用。

4 未來展望

超聲輔助成型技術(shù)，由于在微制件領(lǐng)域和超薄件領(lǐng)域的表現(xiàn)突出的特點(diǎn)，隨著未來的更進(jìn)一步的研究，比如在超聲振子的設(shè)計，定位，環(huán)境的適應(yīng)性，未來將很好的大規(guī)模在企業(yè)應(yīng)用，并且實(shí)現(xiàn)對微制件和超薄件的大規(guī)模生產(chǎn)。

5 總結(jié)

為提高聚合物熔體的流動性，以及充填型腔性能，提高超薄件和微制件的成型質(zhì)量，本文介紹了超聲輔助注塑成型技術(shù)，并且闡述了國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，以及超聲作用機(jī)理。

[1]ASTIER JF，F(xiàn)EYTIATB，BESSAGUETL，etal.Vibration-aided feed device for amolding apparatus:US,4500280[P].1985（2）：19.

[2]LI J，GU0 SY，SLAZAK R，et al.In situ compatibilization of PS/EPDM blends during ultrasonic extrusion[J].Macromol.Chem.Phys，2005（206）：2429-2439.

The Research ofPrinciple and App lication ofUltrasonic Assisted Injection Molding Technology

YIN Yi-fan1，LIN Rong-chuan1，HONGChao-yang2
（1.InstituteofMechanicalEngineering，JiMeiUniversity，Xiamen Fujian 361012，China；2.Xiamen Hongfa Electroacoustic Co.，Ltd.，Xiamen Fujian 361012，China)

In this article first introduces the principle of ultrasonic assisted injection molding technology and its research situation athome and abroad,then introduces itsmain application fieldsand prospect for the future.

ultrasonic assisted injectionmolding technology；principle；application field;future

TQ320.63

B

1672-545X（2014）04-0238-02

2014-01-03

福建省區(qū)域科技重大項(xiàng)目（2013N31010065）

殷伊凡（1989—），男，山西晉城人，碩士研究生，研究方向：超聲輔助注塑成型。