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超声塑化在微注射成型领域的应用研究 |
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作者：中南大学机电工程学院 李俊 蒋炳炎 来源：雅式工业专网 |
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超声波在聚合物加工领域的研究与应用正蓬勃发展。本文结合超声波在聚合物加工领域的国内外研究现状，介绍笔者所在研究室将超声波应用於微注射成型的研究进展，并对超声波在聚合物微注射成型领域的未来发展方向进行了展望。
超声波加工处理技术的基本原理
超声波是频率高於20kHz的物质介质中的一种弹性机械波。20世纪80年代以来，随着功率超声设备的普及，超声波在各行业中得到广泛的使用。
超声波加工和处理技术的物理基础是超声波的四个基本作用：
1）线性的交变振动作用，也就是利用超声波在媒体中传播时，使媒体粒子作交变振动，并引起媒体中的应力或声压周期性变化，从而引起一系列次级反应。
2）大振幅振动在媒体中传播时会形成锯齿形波面的周期性激波，在波面上造成很大的压强梯度，因而产生局部高温高压等一系列特殊效应。
3）振动的非线性会引起相互靠近的柏努力，由粘度的周期性变化引起的直流平均粘滞力等，这些直流力可以说明一些定向作用、凝聚作用等力学效应。
4）空化作用，这是超声波在液体媒体中出现的一种重要的基本作用。在声场中，液体的气泡可能逐步生成并扩大然後突然破灭，在气泡的急速崩溃中，气泡内出现高温高压，在气泡附近的液体中形成局部强烈的激波，因而产生一系列次级效应。
以上四种基本作用导致了五种效应：力学效应、热学效应、光学效应、电学效应及化学效应。目前超声波广泛地使用在各行业，正是使用它的这五种效应。随着各学科的相互渗透，超声波在聚合物行业的研究和应用正越来越广。
聚合物超声塑化与流变测试装置
超声波在聚合物加工领域的研究现状
目前，国内外学者在超声波应用於挤出成型、微热压成型、超声塑化等聚合物加工方面，做了许多探索性的研究。
在超声波应用於挤出成型方面，超声波对聚合物熔体各方面性能的研究已比较深入。四川大学材料工程国家重点实验室针对超声波聚合物降解和聚合物共混挤出进行了深入研究。在超声波降解过程中，超声波能减小聚合物熔体的分子量，使结晶温度升高，也能降低熔体表观粘度，导致拉伸强度下降；在超声波聚合物共混挤出成型过程中，超声波能使混合粒子尺寸减小，分布更为均匀，改善共混物的机械性能，也能影响晶核生长行为，增加结晶温度和结晶度，同时还能明显降低共混物的口模压力和熔体表观粘度，改善流动性能。
在超声波应用於微热压成型方面，日本的Harutaka Mekaru通过带有微结构模仁的超声波工具头振动加热塑料工件表面来压印微结构，发现超声振动加热压印微结构在改善聚合物流动性能方面有极佳表现。微结构复制实验显示，超声振动加热压印成型的制品精度良好。
在超声塑化方面，超声波对聚合物熔体的塑化质量研究尚处於起步阶段。德国亚琛大学IKV研究所将超声波引入到聚合物的微量塑化过程中，改善了聚合物的塑化质量，得到了具有良好均质性的聚合物；湖北工学院将超声波、机械振动和高剪切微磨引入到聚合物的塑化过程，发现一定频率的超声波对聚烯烃的结晶起着积极的作用，聚合物的塑化效果良好。
超声波应用於微注射成型的研究进展
零件重量以毫克为度量单位或几何尺寸以微米为度量单位的微注射成型技术始於20世纪80年代，以容易实现低成本、大规模商品化生产等优势逐渐成为MEMS技术得以推广应用的关键技术之一。作为一门新兴技术，微注射成型技术在发展过程中面临着微型腔充填困难、微制品微观组织结构不均等诸多挑战。为解决微注射成型技术中遇到的困难，中南大学模具技术研究所在将超声波应用於微注射成型方面做了大量的研究。
聚合物超声塑化模型及塑化过程研究
聚合物的塑化质量是影响微注射成型的重要因素。将超声波应用於微注射成型，首先需要研究超声外场作用下聚合物的熔融塑化过程，分析超声振动力场对聚合物粘弹性能和表观粘度的影响、超声空化场对聚合物熔融塑化速率的影响，在此基础上建立聚合物超声熔融塑化物理模型。
通过对超声外场作用下聚合物熔融塑化过程的理论分析与研究，课题组研制了聚合物超声塑化与流变测试装置，并且进行了相关的超声波熔融塑化实验。实验结果表明超声波能使聚合物熔融，探明了聚合物在超声波作用下熔融过程。聚合物超声熔融塑化过程中，工具头端面和周围的聚合物固体颗粒在超声振动作用下，相互之间剧烈摩擦熔融产生熔膜，随着熔融过程的继续，工具头端面附近的固体颗粒全部熔融并形成一个圆柱形熔池，在超声振动和塑化压力的双重作用下，熔池以工具头为中心，向周围延伸，直至塑料颗粒全部熔融。
图1 聚合物超声熔融塑化物理模型
超声塑化的本质机理研究
利用理论分析和仿真研究聚合物超声波熔融塑化的本质机理，结果表明：聚合物超声波熔融塑化过程存在三个生热效应，即摩擦生热效应、粘弹性热效应以及超声空化效应。摩擦生热效应与超声波声压幅值、超声波频率以及聚合物的摩擦系数成正比；粘弹性热效应与应力、应变、应力和应变的相位角以及超声波频率成正比；超声波空化效应在较低的超声波频率（20 KHz）、一定的超声波声压幅值（1.4 MPa）、较低的塑化压力（1.25 MPa）和适宜的聚合物熔体运动粘度(1.2685 m2/s)情况下更加剧烈。
图3 塑化样品的纵断面SEM照片
超声塑化对聚合物微观形态的影响研究
实验研究的材料为高密度聚乙烯。高密度聚乙烯从熔体冷却结晶时，在无应力或流动情况下倾向於生成球晶，从图3可以看出两种塑化方式得到的物料由於自然冷却过程中没有应力或流动，所以它们都生成球晶，但是两种球晶的大小有很大差距。加热熔融塑化生成的球晶比较大，直径有500左右，而超声塑化生成的球晶就比较小，直径只有200左右。因此超声波熔融塑化得到的聚合物样品晶粒更小，更均匀；从图中还可以看出，超声塑化的聚合物微观组织结构比加热熔融塑化聚合物的微观组织结构更均匀，超声波塑化效果比加热熔融塑化效果更好。
超声塑化的能耗研究
节能是当代技术的发展方向，能耗就成为新技术的重要指标。表1 超声塑化与注塑机能耗对比表
 超声塑化的塑化速率、单位元元能耗及与实验室德国进口的阿博格Arburg 370S注塑机的对比见表1。可见，超声波熔融塑化方式和Arburg 370S注塑机的塑化能耗基本相同，而超声塑化作为一种新技术，在能耗方面还有较大的改善空间。并且超声波熔融塑化的聚合物熔体具有更均匀的微观组织结构。
从超声波熔融塑化方式和加热熔融塑化方式、Arburg 370S注塑机的能耗方面的比较，可以看出，超声波熔融塑化方式不仅在节能方面有很大的发展潜力，而且在塑化效果方面存在很大的优势。
超声塑化微注射成型机的研制
由於超声塑化在改善聚合物的结晶形态、降低熔体的表观粘度、节能等方面的优势，研制超声塑化微注射成型机就成为微注射成型技术发展的重要方向之一。
中南大学模具技术研究所在分析传统的螺杆式注射成型机螺杆塑化结构的基础上，参考国内外最新的微注射成型机，设计开发了超声塑化微注射成型机，其具有以下特点：
(1) 超声塑化微注射成型机的塑化部分是通过超声工具头的振动，将能量传递给聚合物熔体，通过超声波的作用来完成塑化工作；
(2) 单次塑化量和注射量均较小(<6cm3)，因此对注射精度的控制，即精密计量的要求更高；
(3) 采用全电动式驱动系统，即由伺服电机带动滚珠丝杠来实现微注射成型中的精密计量；
(4) 多个驱动电动机，使各动作相对独立，实现部分动作的复合动作，缩短成型周期；
(5) 由於注射行程短，注射速度高，超声塑化微注射成型机的驱动单元具备相当快的反应速度，以保证设备能达到所需注射压力。
前景展望
微注射成型过程中，流道浅、模腔小，面临着塑料熔体充填困难，易出现充填不足的挑战，并且聚合物熔体的塑化质量对成型过程与制品质量具有显着的影响。
超声波应用於聚合物塑化可改善聚合物的结晶形态、降低熔体的表观粘度、节能等方面的优势，必将使超声塑化微注射成型技术成为微注射成型的重要发展方向。
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(8/20/2010) |
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