EPDM包覆層注射成型模擬及工藝參數(shù)研究

劉奔奔，張 慧，李軍強(qiáng)，陳國輝，楊士山，彭 炯，何吉宇，李向梅，楊榮杰

(1.北京理工大學(xué) 材料學(xué)院，北京 100081；2.國家阻燃材料工程技術(shù)研究中心，北京 100081；3.北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所，北京 100074；4.西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安 710065；5.北京理工大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，北京 100081)

引 言

三元乙丙橡膠(EPDM)由于密度小、耐燒蝕和相容性好等特點(diǎn)，是目前自由裝填式發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥的理想包覆層材料[1-2]。EPDM包覆層需要通過注射成型工藝進(jìn)行加工[3-4]，將受熱熔融的膠料加熱塑化后注入模具內(nèi)成型，可實(shí)現(xiàn)高效一體化制備[5]。但是，注射成型工藝非常復(fù)雜，受材料流變性能、模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝參數(shù)等諸多因素影響，如溫度、澆口壓力和氣孔等[6-7]，僅僅依靠大量的實(shí)驗(yàn)和手工調(diào)試去尋找合適的工藝條件甚至設(shè)計(jì)合適的模具，不能滿足生產(chǎn)要求。隨著計(jì)算機(jī)工程軟件的發(fā)展,如Moldflow軟件[8]能夠準(zhǔn)確模擬聚合物在模具內(nèi)的流動(dòng)和填充過程，可較好地解決諸如澆口布置和流動(dòng)參數(shù)等問題，大大減少了模具設(shè)計(jì)和工藝參數(shù)的研發(fā)周期和成本。如，通過仿真模擬得到基體的流動(dòng)規(guī)律，預(yù)測氣穴和熔接線可能導(dǎo)致的缺陷，從而通過合理的模具設(shè)計(jì)避免這些缺陷的出現(xiàn)。然而僅僅依靠工藝模擬不能預(yù)測制品的力學(xué)等性能，仍需將模擬和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合綜合分析和研究。

因此，為了提高EPDM包覆層成型工藝的研發(fā)效率，降低成本，本研究以數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方式研究了EPDM包覆層注射成型過程中的流動(dòng)規(guī)律，得到合適的成型工藝參數(shù)，從而建立一套有效的工藝研究方法。通過模擬預(yù)測氣穴和熔接線的位置，分析溫度、流速和壓力對填充過程的影響。在此基礎(chǔ)上，利用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證模擬結(jié)果的合理性，同時(shí)通過拉伸實(shí)驗(yàn)確定壓力和注射速率對包覆層制品質(zhì)量和力學(xué)性能的影響，從而獲得合格制品的工藝參數(shù)。

1 包覆套筒模型和流變模型的建立

1.1 包覆套筒有限元模型的建立

套筒的幾何模型和部分尺寸如圖1所示。

套筒側(cè)壁高246mm，壁厚2mm，杯底為橢圓形，凸起12mm。澆口長20mm、寬3mm，澆口位置距離套筒開口一側(cè)邊緣126mm。本實(shí)驗(yàn)選取Moldflow精度最高的實(shí)體(3D)網(wǎng)格，自動(dòng)劃分網(wǎng)格，共生成四面體網(wǎng)格92707個(gè)，節(jié)點(diǎn)17161個(gè)，最大縱橫比68.6，平均18.63。有限元模型如圖1(b)所示。

圖1 套筒幾何尺寸和有限元模型Fig.1 Sleeve geometry and finite element model

1.2 包覆層的流變模型的建立

描述聚合物流變性能的本構(gòu)方程有牛頓流體、冪律和Carreau等模型[9]。用Carreau模型描述物料表觀黏度對剪切速率和溫度的依賴性，一般黏度的通用格式為：

η(γ,T)=F(γ)H(T)

(1)

式中：γ為剪切速率；F(γ)和H(T)分別表示黏度的剪切速率依賴性和溫度依賴性。

Bird-Carreau 冪律方程為：

(2)

式中：η∞為材料極限剪切速率時(shí)的黏度；η0為零剪切速率時(shí)的黏度；λ為材料的時(shí)間因子；n為冪律指數(shù)。

使用高壓毛細(xì)管流變儀測量包覆層在不同溫度下表觀黏度隨剪切速率的曲線，得到黏度—剪切速率的關(guān)系F(γ)；測量表觀黏度隨溫度的變化曲線，得到黏度—溫度的關(guān)系H(T)，最終得到F(γ)H(T)函數(shù)。經(jīng)過試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合，得到流動(dòng)方程為：

η(γ,T)={1301+6.03×108×

[1+(7855γ)2]-0.4407}×e[-0.04926×(T-418)]

(3)

2 數(shù)值模擬

使用Moldflow對包覆層成型過程中的澆口位置、氣孔缺陷、熔接線和流動(dòng)前沿溫度進(jìn)行模擬，同時(shí)對成型過程中的流動(dòng)規(guī)律和填充率進(jìn)行綜合分析，從而選擇出能夠保證包覆層成型的壓力、溫度和注射速率范圍。

2.1 澆口位置的確定

澆口位置的選擇對注射成型非常重要，能夠保證聚合物填充滿整個(gè)模具并且減少缺陷的產(chǎn)生。根據(jù)包覆層形狀，對比了頂部澆口和側(cè)面澆口兩種方式下在不同澆(入)口壓力下的填充率(溫度170℃)見圖2。圖2(a)結(jié)果顯示頂部澆口注射時(shí)流動(dòng)阻力大，所需入口壓力更大，流動(dòng)速率非常慢，最大只有7.4m/s,并且從頂部澆口將模具完全填充滿需50MPa。由圖2(b)可知，對于側(cè)面澆口，30MPa的澆口壓力即可填充滿，同時(shí)流動(dòng)速率較快。因此將澆口置于圓柱兩側(cè)更有利于成型并降低設(shè)備的要求。

圖2 不同澆口位置時(shí)澆口流動(dòng)速度—填充率的曲線Fig.2 Flow rate vs.fill percentage curves of different gate location

2.2 氣穴缺陷和熔接線的分析

包覆層在加工過程中，氣穴的產(chǎn)生是由流體前沿相聚造成空腔或熔料填充的末端氣體不能排出導(dǎo)致。熔接線是指兩股或多股熔體流動(dòng)前端相遇時(shí)形成的痕跡。氣穴分布和熔接線的模擬結(jié)果如圖3所示(170℃)，圖中藍(lán)色斑點(diǎn)即為預(yù)測氣穴出現(xiàn)的位置，主要分布于弧形頂端和開口邊緣。在氣穴和熔接線出現(xiàn)的位置，如果流體黏度較大，兩股流體的分子鏈不能充分穿插和融合，就會在此處產(chǎn)生缺陷，嚴(yán)重時(shí)會產(chǎn)生明顯外觀破裂，較輕時(shí)會影響該位置的力學(xué)性能。因此，根據(jù)模擬結(jié)果指導(dǎo)模具的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，將熔接痕位于分型面附近避免缺陷的出現(xiàn)。

圖3 氣穴和熔接線位置的模擬結(jié)果Fig.3 Simulation results of cavitation distribution and weld line

2.3 前沿溫度變化

通過流動(dòng)過程前沿溫度的分析，可以得出熔體前端在接觸模具各點(diǎn)時(shí)的溫度分布。模具溫度為常溫時(shí)，熔體溫度很高，在流動(dòng)前沿會形成一定的溫差。設(shè)定模具溫度為25℃時(shí)，不同注射溫度條件下，流體前沿溫度分布如圖4(a)所示，最前沿溫度比入口處溫度普遍下降約10℃，溫差較大，很難保證最終產(chǎn)品質(zhì)量。當(dāng)設(shè)定模具溫度與注射溫度相同時(shí)，流體前沿溫度分布如圖4(b)所示，溫差很小。因此在實(shí)際生產(chǎn)中需要將模具加熱到與澆口處溫度一致才能保證包覆層的充分填充。

圖4 溫度為25和170℃時(shí)的熔體前沿溫度分布圖Fig.4 Temperature distribution diagram of the melt front at 25 ℃ and 170℃

2.4 恒壓注射成型的模擬

加工溫度和注射速率是加工成型過程中最為重要的控制條件，因此，探究它們對制品的影響規(guī)律是非常有必要的。模擬澆口壓力條件與實(shí)際設(shè)備一致，最大為30MPa，溫度分別設(shè)為160、165、170℃；將注射速率低、中、高三擋對應(yīng)設(shè)備的7、12、17mm/s。

不同溫度和注射速率下，澆口壓力與填充比例的關(guān)系如圖5所示。填充規(guī)律為：物料勻速填充，澆口壓力隨著填充率的增加而上升，相同的填充比例時(shí)，澆口所需壓力：高速>中速>低速。最終壓力達(dá)到上限30MPa，進(jìn)入壓力控制階段。壓力驅(qū)動(dòng)物料進(jìn)一步充模，但物料流動(dòng)速度逐漸減慢。注射溫度對最終填充有決定性作用，溫度越高聚合物黏度越小，越有利于填充完全(如圖5d)，160℃未能充滿，而165、170℃時(shí)均能充滿。故預(yù)測的成型溫度為165℃以上，注射速率選中速和低速。

圖5 不同溫度下澆口壓力和填充率的關(guān)系 Fig.5 The relationship between gate pressure and filling percentage at different temperatures

3 成型工藝參數(shù)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 氣穴缺陷和熔接線的分析

為了清晰地看出實(shí)驗(yàn)過程中物料的流動(dòng)，在EPDM生膠中加入紅色染料，見圖6(a)。

結(jié)果顯示，膠料從注膠口沿弧形流道向模腔前后流動(dòng)，模腔中的空氣最終聚集到此處，無法排氣，從而造成頭部缺陷，見圖6(b)。

圖6 氣穴和熔接線的實(shí)驗(yàn)結(jié)果 Fig.6 Experimental results of cavitation distribution and weld line

圖6中，彩色線即為預(yù)測熔接線出現(xiàn)的位置，分布于距離兩個(gè)澆口等距的中心位置。熔接線通常只影響包覆層外觀，但當(dāng)其較粗較長時(shí)，會影響到產(chǎn)品的力學(xué)性能，在受外力時(shí)熔接線所在處容易裂開甚至斷裂[10]，如圖6(c)，因此需要提高模具各部位的定位精度，將熔接痕位于分型面附近，便于排氣和分離。

3.2 壓力和注射速率對EPDM性能的影響

注射壓力和注射速率是成型工藝的主要參數(shù)[9]。注射壓力越大，注入到模腔中的膠料就越多，硫化膠密度越高，越有利于提高膠料的性能，但注入膠料過多有可能造成應(yīng)力集中，反而使膠料的性能劣化；同時(shí)，注射壓力越高，能耗越高，對設(shè)備的破壞也越大。注射速率是決定注射機(jī)注入熔體的速率，它直接影響制品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。注射速率過快有可能造成膠料的焦燒，因此在上述模擬結(jié)果的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)探究了注射壓力和注射速率對包覆層制品最終性能的影響。

根據(jù)模擬的結(jié)果，選擇注射溫度為170℃。注射壓力為20、25、30MPa，注射速率為低檔(7mm/s)、中檔(12mm/s)、高檔(17mm/s)，得到制品的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率如表1所示。結(jié)果顯示，壓力為30MPa時(shí)，中低檔制備的制品的拉伸強(qiáng)度均大于2.4MPa，斷裂伸長率大于540%。同時(shí)考慮到生產(chǎn)效率等因素，選擇中等注射速率更為合理。

表1 EPDM的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率Table1 Tensile strength and elongation at break of EPDM samples

3.3 實(shí)際工藝參數(shù)的確定

在前期實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，得到初步的注壓參數(shù)：注壓溫度170℃，鍍鉻模具溫度170℃且噴涂脫模劑，注壓最大壓力30MPa，中等注射速率 (12mm/s)，注壓量為148cm3。

由該工藝注射成型的包覆層樣品見圖7。從圖7中可以看出，模具的流道板處沒有余膠，澆口處無明顯缺陷，制品表面沒有氣泡并且有一定光潔度，表明該工藝參數(shù)合格。從制備的包覆層樣品中隨機(jī)抽取頂部、中部、上部和球頭部位，分別測試4個(gè)點(diǎn)的厚度，測試結(jié)果見表2。同時(shí)，在包覆層樣品上、下表面飛邊部位以垂直于分型線方向裁取啞鈴型試樣，測試?yán)煨阅?，結(jié)果見表3。

圖7 優(yōu)化注壓工藝參數(shù)后制備的包覆層樣品Fig.7 Coating samples prepared by optimizing injection process parameters

表2 包覆層樣品各部位厚度測試結(jié)果Table 2 Thickness of each part of the coating sample

表3 包覆層樣品裁取啞鈴型試樣的拉伸性能Table 3 The tensile properties of dumbbell-shaped specimens cut from coating samples

包覆層樣品的合格要求為：不同部位的厚度均在1.8～2.2mm之間，拉伸強(qiáng)度大于3MPa，拉斷伸長率大于150%。由表2和表3的數(shù)據(jù)可見包覆層的厚度均勻，拉伸強(qiáng)度均大于3.7MPa并且斷裂伸長率大于740%，遠(yuǎn)大于合格產(chǎn)品的要求。因此，最終確定合格產(chǎn)品的工藝參數(shù)可確定為：注壓溫度170℃，鍍鉻模具溫度170℃且噴涂脫模劑，注射壓力30MPa，注射速率為中等速率(12mm/s)，注壓量為148cm3。

4 結(jié) 論

(1)使用Carreau模型擬合了EPDM包覆層黏度隨剪切速率和溫度變化的流變特性方程，通過Moldflow軟件對其注射成型過程進(jìn)行數(shù)值模擬分析，在擬合的基礎(chǔ)上，通過模擬和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法得到合適的工藝參數(shù)。

(2)選擇側(cè)面對稱的雙注射口更有助于成型，氣穴易于弧形頂部形成，熔接線位于兩個(gè)澆口等距的位置，模具的分型面應(yīng)與之一致有利于排氣和脫離。在注射過程中，模具未加熱，流動(dòng)前沿溫度溫差達(dá)10℃，選擇加熱模具和芯腔更為合適。在壓力上限30MPa下，預(yù)測的工藝參數(shù)為注射溫度高于165℃。

(3)使用拉伸試驗(yàn)驗(yàn)證所選范圍內(nèi)參數(shù)對制品力學(xué)性能的影響。設(shè)定溫度為170℃，注射壓力為20～30MPa，低、中、高注射速率，都可以獲得滿足要求的力學(xué)性能。進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)優(yōu)化，得到最優(yōu)工藝參數(shù)：注壓溫度170℃，鍍鉻模具溫度170℃且噴涂脫模劑，注射壓力30MPa，注射速率為中等速率(12mm/s)，注壓量為148cm3。