水辅助注射成型制品质量的缺陷及工艺优化研究概述

张 伟，柳和生,*，余 忠,，章 凯，陈忠仕

(1.南昌大学聚合物成型研究室，南昌 330031；2.东华理工大学化学生物与材料学院，南昌 330013；3.上饶师范学院江西省塑料制备成型重点实验室，江西 上饶 334001)

0 前言

流体辅助注射成型主要由气体辅助注射成型(GAIM,gas-assisted injection molding)和水辅助注射成型(WAIM,water-assisted injection molding)组成[1-8]。WAIM相较于GAIM最大不同之处是注射介质用更容易获得的水代替了氮气。除水比氮气更易获得优势之外，水还有如下一些性质：不可压缩性，使得成型制品表面更光滑、残余壁厚更均匀[9-13]，穿透更平稳，成型制品质量更好、更轻，对生产中空直径较大制品和具有厚薄结合制品更有优势[14-15]；冷却效果好，使得水辅制品冷却更快，大大缩短了制品成型周期,降低成本[16-21]；热导率是氮气的40倍，比热容是氮气的4倍，进一步缩短了成型周期及降低了生产成本。

20世纪70年代初水辅注射成型技术问世以来，由于当时注射水装置产生的水压不高、流速太低，成型结果令人非常不满。直到2000年10月底利用该技术加工出全塑料超市手推车，该技术逐渐成为了相关研究者们的焦点。至今为止，取得了一定的研究成果。文中主要对该技术所涉及的一些更加深入问题及解决方案进行了归纳，如：水穿透过程不稳定、变截面处熔体堆积现象及指状效应等制品宏观现象及其相对应优化，制品表面光洁度、纤维取向及分布、不同区域晶体结构等制品微观现象及其相对应优化。

1 制品宏观现象及其相对应优化

前期，对制品宏观现象研究主要集中在水穿透长度、中空率、中空偏差率等方面。目前，研究者越来越深入研究发现其实影响这些方面的本质因素在于水穿透过程不稳定性、变截面处熔体堆积现象等。

1.1 水穿透过程不稳定性及其优化

在水辅注射成型中，水对熔体有2次穿透过程。第一次是当高压水通过喷嘴进入模具沿阻力最小方向推动聚合物熔体向前形成中空制品。第二次是在保压期间，由于熔体温度下降导致熔体体积收缩时水渗透到熔体内部形成第二次穿透现象。第一次水的穿透行为非常复杂而且很难去控制。在第一次穿透中，Liu等[22-24]通过可视化技术观察到高压水穿透熔体的过程是不稳定的，当提高注水压力时，穿透过程中熔体前沿极易产生喷泉效应。张增猛等[25]通过模拟发现水推动熔体充模的初始阶段极易会产生湍流旋涡，并且随着水不断推动聚合物熔体前移逐渐产生分层界面的不稳定现象；通过调节注水速率来改变注水压力，进而能够很好地改善注水口的湍流效应和熔体充模过程中分层流动界面的不稳定性。刘旭辉等[26-27]通过可视化技术研究了短射法水辅注射成型中熔体充模流动行为，发现当水穿透被注水喷嘴冷却后形成的高黏度熔体后极易产生不稳定的现象，并且极可能导致靠近模壁的熔体产生回流效应。同时又进一步通过示踪技术发现当增加注水延迟时间时，聚合物熔体壳层的高黏度层向芯层增加，导致穿透过程中熔体在水道层附近产生回流层。并且随着熔体填充量和熔体温度的增加，回流层数也会随之增加，可以通过适当增加注水压力和熔体温度来完全消除回流现象[28]。匡唐清等[29-30]发现水的湍流效应和较低的注水压力都会导致水穿透初始阶段的不稳定现象，通过增加注水延迟时间能有效地削弱在低注水压力下水穿透初始阶段的界面不稳定现象。

1.2 变截面处熔体堆积现象及其优化

在高压水推动高温膜熔体之前，由于熔体在进入模具变截面入口处的循环流动和模具的冷却作用极易导致在变截面处形成高黏度的聚合物凝固层，而且随着时间和熔体的注射速度的增加越积越多，严重影响了成型制件的质量[31]。Yang等[32]通过数值模拟发现在水辅注射成型制品模型的下游的变截面处会有少量的熔体堆积现象。Liu等[33]通过单一变量法研究了工艺参数和过渡区域模具形状对WAIM聚丙烯管件过渡截面处(收缩和膨胀过渡段)熔体堆积现象的影响，结果发现影响圆管件模具变截面收缩和扩张过渡段处的熔体堆积长度都主要受工艺参数注水延迟时间和熔体短射量的影响，随着注水延迟时间和熔体短射量的增加而变长，且上游扩张区过渡段的熔体堆积长度的远远大于下游收缩区过渡段的长度。同时还发现当短射量增大到一定程度时，熔体堆积长度急剧增加。相比于GAIM,WAIM圆管件的熔体堆积现象更小。此外，可以通过在过渡截面处加入45 °的圆角来很好地改善过渡区域的熔体堆积现象。

1.3 指状效应及其优化

指状效应是指高压水推动聚合物熔体偏离预期设计的水道，进入制品薄壁区域形成指状分支。严重的指状效应会显著地降低成型制品的力学性能等。Liu 等[34]以了解水辅注塑复合材料成型制件中指状效应的形成机理为研究目的，通过单因素法研究了7参数对短玻纤增强聚合物水辅助注射成型制品指状效应的影响。发现主要影响制品指状效应形成的工艺参数是注水压力、注水延迟时间和熔体短射量，可以通过降低熔体温度、模温、水温以及注水压力，增加注水延迟时间和熔体短射量来降低指状效应。同时还发现制品指状现象的形成不仅与工艺参数有关，还和复合材料纤维含量与注水水道的几何形状有关，且相比GAIM,WAIM制品具有更严重的指状效应，通过降低复合材料中纤维含量和使用半圆形水道或者增大注水水道的高度和厚度比可以很好地降低指状效应。Lin等[35-36]进一步研究了聚合物材料的相关性能和注水水道形状(包括纵横比和圆角几何形状)对指状效应的影响，发现聚合物材料的黏度或者温度梯度的一个很小变化都会影响到制品的指形化，当使用无定形材料时能很好地降低制品的指状效应。此外，还通过对比三角形、半圆形、矩形这3种水道形状对制品指状效应的影响发现使用三角形注水通道成型的制品极易产生指状效应，使用矩形水道能够很好地降低成型制品的指状效应。Sannen等[37]通过研究发现WAIM 高密度聚乙烯制品比WAIM 聚丙烯制品更容易产生指状效应，可以通过适当地降低保压时间和增加熔体流动指数来降低指状效应。Yang等[38]通过Fluent模拟发现在可变横截面和L形水道中极易产生指状效应，在变截面处可以通过适当尺寸的圆角平滑过渡来有效地减少指状效应。

2 制品微观现象及其相对应优化

在制品的微观方面往往与制品的力学性能联系密切，特别是制品的纤维取向和晶体类型等。同时，制品的纤维取向分布以及晶体结构分布也越来越受到国内外研究学者重视。

2.1 纤维取向分布及其优化

纤维增强聚合物复合材料具有强度高，比模量大，抗腐蚀性能好，特别是纤维增强聚合物复合材料不仅能够很好地提高注塑产品的力学性能，而且具有质量轻、可塑性好等一系列优点。现在已经成功地应用于汽车行业以塑代钢实现产品的轻量化等[39-40]。Liu等[41]1 423研究了含15 %玻璃纤维的聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)WAIM 平板制品的纤维取向分布，实验发现，水辅注射成型制品中纤维取向分布与传统注射成型制品中纤维的分布有很大区别。传统注射成型制品中一般只能观察到壳层和芯层两个区域的纤维取向，而水辅助注模制品中的纤维取向可以分为壳层、芯层和水道层3个区域。WAIM制品的壳层纤维在填充初期受到强烈的剪切作用而主要在流动方向形成取向，而芯层的纤维取向往往杂乱无章，这与传统注射成型类似。由于水道层受到的剪切力不像壳层那么大，填充速率大，故主要在沿倾斜于流动方向形成取向。Huang等[42]研究了WAIM纤维增强聚丙烯复合材料制品在不同位置沿厚度方向的纤维取向的影响。通过扫描电子显微镜(SEM)发现靠近水道末端位置的纤维沿流动方向取向有序区域的相对厚度远远大于接近水道位置的有序区域，而近水道位置的纤维取向有序区域的相对厚度远远大于传统注射成型的制品纤维取向区域。这主要与WAIM工艺中熔体内部的剪切场和水的良好冷却效果有关。可以通过增加注水压力和降低熔体温度来促使WAIM纤维增强聚合物复合材料制品中的纤维更多地沿着流动方向形成取向。

2.2 不同区域晶体结构及其优化

制品的结晶度、晶体类型和结构等微观性能是直接影响制件的力学性能，也一直是学者们的研究重点。Liu和Lin[41]1 421-1 422研究了熔体温度、模具温度、注水温度等工艺参数对制品结晶度的影响，发现在相同的工艺条件下，制品壳层的结晶度大于水道层的结晶度，注水温度是影响制品结晶度最明显的工艺参数。此外，还发现在相同工艺条件下气体辅助成型的制品的结晶度高于水辅注射成型制品的结晶度。Liu等[43]进一步研究了WAIM聚酰胺6(PA6)制品中不同位置的晶体类型，发现γ晶体主要分布在制品靠近壳层区域，且随着切片位置与壳层距离的增加制品内部γ晶体分布越来越少，α晶体越来越多，到了芯层区域主要分布的α晶体，这主要与制品内部的温度分布有关。此外，还发现可以通过增加注水温度来提高制品的结晶度。Huang和Deng[44]利用差示扫描量热法(DSC)对WAIM PA6弯管制品2个不同位置(近注水口、水道末端)的沿厚度方向的结晶度进行了初步的研究发现在近水端的芯层结晶度最高、芯层的结晶度最小；而水道末端的3个区域的结晶度差不多高，但小于近水端芯层的结晶度，这主要与制品的冷却效率相关联。这一结论黄汉雄课题组其他人也得到了验证[45]。黄汉雄等[46]利用偏光显微镜(PLM)进一步研究了WAIM 聚丙烯制品近注水口P1和远离注水口P2沿厚度方向上晶体的结构，发现由于水的良好的冷却效果，在2个位置的水道层附近区域主要分布的是致密的小球晶结构，且随着与水道层距离的增加，水的冷却效果降低球晶结构变得形状无规则，到了芯层主要分布直径较大且无序的球晶。而在2个位置壳层区由于熔体内部剪切作用强度不同晶体结构也不同，近水端P1在强剪切力下促使形成取向片晶，水道末端P2在弱剪切力下无法形成取向结晶，主要分布球晶。Liu等[47]通过实验也发现了WAIM 和传统注射成型(CIM)等规聚丙烯(iPP)制品的壳层区域分布有小球晶且球晶直径随着与壳层的距离增加变大。此外，还发现CIM iPP制品球晶尺寸远大于WAIM iPP制品球晶尺寸，这主要与高压水的穿透作用和快速冷却作用有关。Wang和Huang[48-49]对WAIM 聚丙烯制件壳层、芯层、水道层的晶体类型进行了研究，利用DSC发现WAIM 聚丙烯制品的这3个区域主要分布的是α晶体，通过降低熔体温度可以使壳层和水道层形成少量的γ晶体，但是对晶体的结构影响甚微，然而可以很显著地影响WAIM 聚丙烯/SAN制品结晶度和晶体取向分布。而且SAN对制品晶体结构也非常明显。此外，还发现SAN可以诱导制品中形成更多的β晶体，并且调整了聚丙烯/SAN混合制品晶体结构，并且沿厚度方向的晶体取向得到了显著增加。这一现象在WAIM iPP 制品也得到验证[50-51]。Liu等[52]通过研究聚合物材料的相对分子质量对制品晶体结构的影响发现具有较低相对分子质量的聚乙烯WAIM制品更容易形成取向串晶。

3 结语

虽然水辅注射成型相对于传统注射成型和气体辅助注射成型优势明显，但是高压水的引入导致水辅注塑比传统注射成型和气体辅助注射成型更加复杂，制品成型过程中容易出现较多问题。根据国内外的研究现状，制品的研究主要集中在工艺参数对制品性能的影响，包括水穿透的不稳定性、变截面处熔体堆积现象、指状效应和相形态等相关的研究。

现在关于水辅注塑的研究已经取得了较大的进步，主要集中在工艺对宏观方面的制品性能的改善。关于微观、力学性能、寻找更多种类注塑材料以及废料的回收等方面的研究仍是研究重点。

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