微注塑成型充模流动中熔体粘度和壁面滑移的研究

论文摘要

应用微注塑成型方法成型的微小塑件,因其具有尺寸精度高、质量一致性好以及适于批量化生产等特点,在生物医疗、信息通讯、航空航天、光学电子等MEMS系统产品中,有着广阔的应用前景。但微小塑件的注塑成型,因受微尺度效应的影响,成型过程中表现出许多明显与普通注塑成型不同的流动现象,因而成为近年来微注塑成型理论研究的热点之一。本文借鉴宏观充熔体模流动的基本方程,在全面分析了微注塑成型充模流动特点及影响因素的基础上,基于Eringen和Dkada的非线性粘性流体连续理论,针对微通道中熔体的流动特性,通过对Cross-WLF七参数粘度模型的修正,建立了考虑微尺度下分子取向影响的粘度数学模型;同时在分析微通道表面粗糙度、熔体弹性效应等因素对流动的影响以及壁面滑移机理的基础上,应用Uhland壁面滑移模型并对其进行修正,得到了考虑熔体弹性影响的微尺度壁面滑移数学模型。应用所建的微尺度粘度模型,以Polyflow软件为工具,对PS材料在不同尺寸方形截面微通道中的流动行为进行了数值模拟,结果表明,当微通道尺寸在数十微米以下时,此粘度模型能够明显的反映出分子取向的影响作用;而对壁面滑移模型,同样采用Polyflow软件对PS、PMMA、PP和HDPE材料,在不同尺寸圆形截面微通道中流动时的压力差及壁面滑移速度进行了数值模拟。结果显示,壁面滑移有利于减小熔体流动阻力,增加流动速度。采用双料筒毛细管流变仪,对PS、PMMA、PP和HDPE四种聚合物熔体在口模直径分别为350μm、500μm和1000μm的微通道中的压力差值及滑移速度进行了试验测试。结果显示,PS、PMMA、PP和HDPE四种聚合物熔体的压力差均随通道尺寸的减小而增大,其中HDPE变化幅度最大;而PS、PMMA和PP的壁面滑移速度也随剪切应力的增加而明显提高,其中非结晶性材料PS和PMMA其滑移速度随着温度的升高和通道特征尺寸的减小其变化幅度较大。最后将350μm、500μm口模的试验结果与模拟结果进行比较,得出:HDPE材料其试验与模拟结果中的压力差值相差较大,PP材料其两者的滑移速度有较大偏差,而PS和PMMA材料其两者的压力差和速度分布相近,说明本文所建的滑移模型适合表征非结晶性材料熔体的流动特性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题的背景与研究意义
• 1.1.1 课题的背景
• 1.1.2 课题研究的意义
• 1.2 微注塑成型技术的国内外研究概况
• 1.2.1 微注塑成型理论
• 1.2.2 微注塑成型数值模拟
• 1.2.3 毛细管流变试验研究
• 1.3 论文的主要内容
• 2 熔体充模流动的理论分析
• 2.1 引言
• 2.2 宏观充模流动过程的理论基础
• 2.2.1 粘性流体力学的基本方程
• 2.2.2 传统注塑成型中熔体流动行为的数学模型
• 2.3 微注塑成型充模流动影响因素分析
• 2.3.1 温度的影响
• 2.3.2 排气的影响
• 2.3.3 熔体的表面张力和重力的影响
• 2.3.4 尺度效应的影响
• 2.4 微注塑成型中熔体流动行为的数学模型
• 2.5 本章小结
• 3 微尺度粘度模型和壁面滑移模型的建立
• 3.1 引言
• 3.2 微尺度粘度模型的建立
• 3.2.1 宏观粘度模型
• 3.2.2 微尺度粘度模型的建立
• 3.3 熔体的壁面滑移研究分析
• 3.3.1 微尺度下熔体壁面滑移的影响因素
• 3.3.2 壁面滑移的产生机理
• 3.3.3 宏观壁面滑移模型
• 3.3.4 微尺度下壁面滑移模型的建立
• 3.4 本章小结
• 4 微注塑成型充模流动模拟分析
• 4.1 引言
• 4.2 微注塑成型数值分析
• 4.2.1 模拟软件介绍
• 4.2.2 粘度模型的数值分析
• 4.2.3 壁面滑移数值模拟分析
• 4.3 本章小结
• 5 毛细管流变实验
• 5.1 流变测量仪器及原理
• 5.1.1 常用试验测量仪器
• 5.1.2 试验仪器
• 5.1.3 壁面滑移速度的测定方法
• 5.2 壁面滑移的试验研究
• 5.2.1 试验条件与方法
• 5.2.2 聚合物熔体入口压力降的对比分析
• 5.2.3 壁面滑移速度的对比分析
• 5.3 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢