注塑微结构复制性能及形态研究

论文摘要

微注塑技术可用于生产微小或含微细结构的塑料制品,具有制造成本低、生产周期短和易实现批量化生产等优点。目前,微注塑制品已被广泛用于微流控装置、生物医疗、光电通讯和微机电系统等领域,具有非常广阔的应用前景。然而,当前关于微注塑的研究主要集中于工艺参数和几何参数对制品复制性能的影响。鉴于此,本文循序渐进地从聚合物材料的流变特性、不同纵横比微结构的复制性能、微结构的表面形态以及微注塑制品的结晶形态等方面,对微注塑过程的若干问题进行研究。本文首先设计了小纵横比微结构,通过改变成型材料、工艺参数以及几何参数,研究了微结构的复制性能。研究表明:不同材料微结构的高度复制率有明显的差别,PMMA成型微结构的高度复制率在4.4~99.5%范围内,而PP成型微结构的高度复制率均大于92.3%;对于PMMA,熔体温度、模具温度和注射速度对微结构高度复制率有较大的影响,而保压压力和保压时间的影响很小;对于PP,熔体温度和注射速度对微结构宽度复制率的影响最为明显,而模具温度、保压压力和保压时间的影响较小;几何参数中,微结构的纵横比和位置对复制性能均有不同程度的影响。在上述基础上,通过改变微结构的布置形式、截面形状、表面粗糙度以及工艺参数,进一步研究了大纵横比微结构的复制性能。研究发现:在相同的工艺参数下,垂直布置微结构的填充长度要大于平行布置微结构的填充长度;按照三角形、矩形和半圆形截面的顺序,微结构的填充长度逐渐增大,并且这种现象在平行布置形式中更为明显;当微型腔表面粗糙度增大时,微结构的填充长度相应减小;此外,由于熔体填充阶段残余气体的阻力不同,两种布置形式中工艺参数对微结构填充长度的影响有所不同。为了研究微结构的表面形态,对各种条件下成型的微结构表面进行了扫描电子显微镜(SEM)观察,发现如下现象:平行布置微结构的表面非常清晰与光滑,没有出现任何明显的表面缺陷;垂直布置微结构的表面出现了不同程度的表面缺陷,并且表面缺陷程度与工艺参数、熔体在主型腔内的流动方向等因素有关,提高熔体温度与(或)注射速度能改善甚至完全消除此类表面缺陷;短射实验表明:成型微结构表面缺陷的产生主要与微流道入口位置的熔体温度和熔体压力以及微流道内熔体的冷却速率有关,而与微结构本身的截面形状关系不大。借助SEM和差示扫描量热仪,研究了不同尺寸注塑制品内部的结晶形态。对于普通注塑制品,整个厚度上晶片都呈无规则排列;当制品厚度逐渐减小时,从制品的表层开始逐渐出现取向晶片结构,并且取向晶片的密度随制品厚度的减小而增大;对于厚度仅为175μm的微注塑制品,在整个厚度上均出现了“类串晶”微晶结构。最后,本文结合实际研究了微流体混合器和精密光学透镜的成型过程。研究表明,掌握微结构的复制性能及形态的影响因素和影响规律对微注塑实际生产具有很大的指导意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 符号说明
• 第一章 绪论
• 1.1 研究课题背景
• 1.2 微注塑研究现状
• 1.2.1 微注塑机的发展
• 1.2.2 微注塑模具设计与制造
• 1.2.3 微注塑实验研究现状
• 1.2.4 微注塑数值模拟现状
• 1.2.5 微注塑中尚存在的问题
• 1.3 本课题研究的来源、内容和意义
• 1.3.1 课题来源和主要研究内容
• 1.3.2 本文的研究意义
• 第二章 微注塑数值模拟不容忽视的因素
• 2.1 微观黏度
• 2.2 壁面滑移
• 2.3 模具表面粗糙度
• 2.4 熔体-模壁间换热边界条件
• 2.5 基本方程的求解策略
• 2.6 本章小结
• 第三章 总体研究方案设计
• 3.1 研究方案
• 3.2 实验设备
• 3.2.1 微注塑机
• 3.2.2 微注塑模具
• 3.2.3 模具温度控制系统
• 3.3 本章小结
• 第四章 材料流变性能研究
• 4.1 实验材料
• 4.2 测试仪器与条件
• 4.2.1 剪切黏度
• 4.2.2 拉伸黏度
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 剪切黏度
• 4.3.2 拉伸黏度
• 4.3.3 流变性能综合分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 小纵横比微结构的复制性能研究
• 5.1 实验材料
• 5.2 实验设计
• 5.2.1 微结构设计
• 5.2.2 实验参数设置
• 5.2.3 实验结果表征方法
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 不同材料微结构复制性能对比
• 5.3.2 PMMA 微结构的复制性能
• 5.3.3 PP 微结构的复制性能
• 5.4 微结构复制性能的计算机模拟
• 5.4.1 准备工作
• 5.4.2 模拟结果分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 大纵横比微结构的复制性能研究
• 6.1 微结构布置形式
• 6.2 实验材料
• 6.3 实验设计
• 6.3.1 微结构模具嵌件设计
• 6.3.2 实验参数设置
• 6.3.3 实验结果表征方法
• 6.4 计算机模拟分析
• 6.4.1 网格处理方法
• 6.4.2 模拟参数设置
• 6.4.3 模拟结果表征方法
• 6.5 结果与讨论
• 6.5.1 微结构布置形式的影响
• 6.5.2 微结构截面形状的影响
• 6.5.3 成型参数的影响
• 6.5.4 表面粗糙度的影响
• 6.6 本章小结
• 第七章 微结构表面形态研究
• 7.1 实验设计
• 7.2 表面形态表征方法
• 7.3 结果与讨论
• 7.3.1 平行布置形式中微结构的表面形态
• 7.3.2 垂直布置形式中微结构的表面形态
• 7.3.3 微结构布置形式的选择依据
• 7.4 本章小结
• 第八章 微注塑与普通注塑制品的结晶形态比较
• 8.1 实验材料
• 8.2 实验设计
• 8.2.1 制品设计
• 8.2.2 实验参数设置
• 8.2.3 结晶形态表征方法
• 8.3 结果与讨论
• 8.3.1 SEM 观察结果
• 8.3.2 DSC 测试结果
• 8.3.3 结晶形态演变机理
• 8.4 本章小结
• 第九章 微注塑实例研究
• 9.1 微流体混合器
• 9.1.1 微流体混合器设计
• 9.1.2 实验材料
• 9.1.3 实验参数设置
• 9.1.4 实验结果表征方法
• 9.1.5 结果与讨论
• 9.1.6 微流体混合器性能评估
• 9.2 精密光学透镜
• 9.2.1 透镜与模具嵌件设计
• 9.2.2 实验材料
• 9.2.3 实验设计
• 9.2.4 相对折射率的测定方法
• 9.2.5 相对折射率的数值模拟
• 9.2.6 结果与讨论
• 9.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间取得的研究成果
• 致谢
• 附件