CN102490329A

CN102490329A - 一种利用聚合物pvt关系特性的等比容工艺控制方法

Info

Publication number: CN102490329A
Application number: CN2011104153619A
Authority: CN
Inventors: 谢鹏程; 张盛桂; 丁玉梅; 杨卫民
Original assignee: Beijing University of Chemical Technology
Current assignee: Beijing University of Chemical Technology
Priority date: 2011-12-13
Filing date: 2011-12-13
Publication date: 2012-06-13

Abstract

本发明公开了一种利用聚合物PVT关系特性的等比容工艺控制方法，注射过程是：第一步，根据材料的类别和特性获得注射成型材料的PVT曲线，在曲线中得到A-B-C-D-E-F的工艺路线，A-B-C段是注射充模阶段；第二步，先在最大的保压压力下恒压保压一段时间，然后再进行等比容保压，C-D段为等压压缩阶段；第三步，D-E段是等比体积保压阶段，型腔的物料不再变化，随着型腔温度的降低，型腔中的物料不会倒流或者增加，熔体的保压压力由PVT数据库提供的物性参数，用Tait方程来计算得到的；最后，E-F段是常压冷却阶段。本发明采用了先恒压保压再转等比容保压，由于在恒压保压过程中，熔体还处于流动状态，不会引起太大的保压取向，翘曲变形小，质量重复精度高。

Description

一种利用聚合物PVT关系特性的等比容工艺控制方法

技术领域

本发明涉及到高分子材料加工领域，特指一种利用聚合物PVT关系特性的注塑成型制品等比容工艺控制方法，该方法基于聚合物的PVT特性曲线，采用等比体积保压过程控制，能够提高制品的尺寸均匀性、减小翘曲变形，同时提高制品质量重复性。

背景技术

聚合物材料从粒料(或粉料)经过塑化、填充、压缩、保压、冷却定形成为制品，这是注射成型的一般过程。在这些过程中保压阶段的控制是影响制品质量的关键，只有对保压阶段进行优良的控制，制品的表面质量、尺寸精度、质量重复等要求才能得到保证。虽然在保压阶段这方面的研究中，已有很多研究成果。但是，如何将保压过程与现有的聚合物PVT数据库建立起联系，是提高制品质量的关键。

聚合物的PVT特性，即压力(P)、比容(V)、温度(T)之间的相互关系，是聚合物材料的本质属性，三个参数属于工艺参数，在聚合物的生产、加工以及应用等方面有着十分重要的作用。无论聚合物的状态如何，压力、温度、比容这三个状态参数都会按照一定的规律变化，与加工手段和条件无关。在注塑成型过程中，聚合物材料被加热成熔融态，并在很高的压力下注射到模具型腔中，经历了从高温、高压到迅速冷却和压力下降的过程，之后由熔融态转变为固态，同时聚合物材料的各种物性参数也经历了一连串剧烈的变化，这都和温度T、压力P有很大的关系。特别是聚合物的比容V决定着最终成型制品的性能和质量。若最终成型制品的密度太小，会导致强度不够；若密度不均匀则会产生内部残余应力发生翘曲变形等。

使每次成型的制品保持相同的尺寸、重量、收缩率，是注射成型控制所要达到的目标。所以质量重复精度就是评价注射机精度的一项重要指标。研究表明，影响制品质量重复精度的因素很多，但本质区别则是不同制品中比容V的差异。注射成型中无论采用何种过程控制方式都无法脱离对材料PVT关系的依赖，并可在材料PVT关系曲线中找到对应的加工路径。不同控制方法得到的注塑制品重复精度之所以存在差别，根本原因是所采用的控制方法对材料PVT参数控制重复精度的差别。目前，现有的注射成型机的控制方式，大都是针对聚合物熔体的压力和温度这两个变量的单独控制，而且保压过程并没有与聚合物的PVT数据库建立起联系。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种利用聚合物PVT关系特性的等比容工艺控制方法，将聚合物材料的PVT特性真正地应用到实际生产工艺中，达到提高制品的表面质量、质量重复精度高等的要求。

本发明基于聚合物材料的物性参数数据库，利用修正的双域Tait方程描述PVT特性曲线，提出了在等比容控制下，压力随着温度下降的变化曲线，得到了一种利用聚合物PVT关系特性的注塑成型制品等比容工艺控制方法。根据模腔压力的范围和熔体的加工温度范围，利用惩罚函数内点法，优化计算出在达到最小比容积下，所需要的模腔压力和熔体温度。由于在等比容控制下，聚合物熔体在模腔中几乎不会再流动，因此在冷却过程中不会引起较大的取向力；在等比容保压结束后，模腔压力也较小，聚合物的冷却收缩较均匀，因此能够有效地减小翘曲变形。

本发明一种利用聚合物PVT关系特性的等比容工艺控制方法的具体技术方案如下：第一步，根据材料的类别和特性，获得注射成型材料的PVT曲线，确定成型工艺路线，在曲线中得到A-B-C-D-E-F的工艺路线，如说明书附图1所示。在图中，A-B-C段是注射充模阶段，即物料在螺杆的推动下，流经喷嘴、流道，注入并充满型腔；第二步，由于现有的注塑机的最大保压压力无法满足注塑制品“零收缩率”所需的压力，所谓“零收缩率”是指制品经过熔融加工到冷却定型后的比容积与常压下物料的比容积相等。因此，本发明的保压过程是先在最大的保压压力下恒压保压一段时间，然后再进行等比容保压，以能够应用于实际生产过程，故有了C-D段，为等压压缩阶段，物料在保压压力的作用下继续进入型腔以补偿因压缩冷却引起的体积收缩，此时D点的确定犹为关键，将在下面的具体实例予以详解；第三步，D-E段是等比体积保压阶段，即型腔的物料不再增加或减少(即不再变化)，随着型腔温度的降低，保压压力有规律的减少以保证型腔中的物料不会倒流或者增加，因此此时的熔体几乎不再流动，而此时熔体的保压压力由PVT数据库提供的物性参数，用Tait方程来计算得到的；最后，E-F段是常压冷却阶段，评价制品的收缩率s指标由以下公式(1)来决定。

S = \frac{\sqrt[3]{V_{2}} - \sqrt[3]{V_{1}}}{\sqrt[3]{V_{2}}} \cdot 100 % . . . (1)

上式中V₁为加工聚合物在常温常压下的比容，V₂为聚合物在浇口冻结后的比容。上述采用的等比容保压方式的切换点是根据聚合物材料的特性参数决定的并以温度为切换控制信号。当进入等比容保压控制时，每采集一次温度随即改变一次保压压力，而注塑机控制器的输出驱动为交流伺服电机，能够实现这种快速改变保压压力。

本发明的优点是：(1)将聚合物的PVT数据库与实际生产应用建立一种联系，综合考虑到了现有注塑机的硬件水平，折衷采用了先恒压保压再转等比容保压，由于在恒压保压过程中，熔体还处于流动状态，不会引起太大的保压取向，这样既减小了聚合物的比容，保证成型制品的收缩率，又能够实现等比容保压。(2)恒压保压控制转等比容保压控制是由聚合物的物性参数来决定的，这就排除了复杂的模腔形状、喷嘴流道阻力等因素的干扰，使得制品质量的重复精度高。(3)在等比容保压下熔融物料将不再流动，这将大大地减小物料的取向作用力。在保压结束后，模腔压力也较小，聚合物的冷却收缩较均匀，因此能够有效地减小翘曲变形。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

图1本发明一种利用聚合物PVT关系特性的等比容工艺控制方法中注塑成型聚合物PVT描述的等比容工艺路线。

图2本发明一种利用聚合物PVT关系特性的等比容工艺控制方法中聚合物的比容积、温度、压力的关系曲线。

图3聚合物PP在图1中的D-E段(等比容控制)下压力的变化曲线。

具体实施方式

本发明一种利用聚合物PVT关系特性的等比容工艺控制方法的具体实施方式如下：首先，根据不同材料的物性参数，获得注射成型材料的PVT曲线，确定成型工艺路线。在PVT曲线中得到A-B-C-D-E-F的工艺路线，如图1所示，点A是注射成型过程的起点，从A点开始，熔融的物料从喷嘴注射进入型腔，B点为安装在型腔内的传感器监测到压力温度信号的时刻，即刚刚接触到熔体的时候，温度会突然上升直到最大值，压力也会有一定上升，但变化值不大，压力上升斜率与注射压力和注射速度有关。直到C点时熔体自由地充满型腔(大约填充满型腔的95％)，开始进入压缩阶段。由于注射过程很快，所以A到C经过的时间很短，因此可认为此过程为等温增压过程，在图3-2中表现为一条很短的竖直线段。此后聚合物在注射压力的作用下继续进入型腔并且被压缩，型腔内的压力迅速上升到最高点D，此时注射机程序控制注射压力转为保压压力，D点称为转压点，C-D过程相对于A-C稍长，在此阶段熔体温度会有一定的下降。然后，型腔内的熔体在模具内冷却收缩，更多的熔体在保压压力的作用下进入型腔进行补缩，此过程一直持续到浇口冻结点E，此时模具型腔内的熔体无法通过浇口倒流，喷嘴处的熔体也无法继续补塑进入型腔，型腔内的物料质量不变，E点称为保压结束点。从E开始进入冷却阶段，制品在模具内冷却到F点，制品在此过程中一边收缩，一边由于模具紧紧闭合，逐渐消除取向和变形，此阶段决定了成型制品的尺寸精度。F点之后，制品被顶出模具，自由冷却到自然状态G点。

在图1中，A-B-C段是注射充模阶段，C-D段为等压压缩阶段，D-E段是等比体积保压阶段，E-F段是常压冷却阶段。其次，确定好再注塑机的最大保压压力下，模腔所能达到的最大压力，由模腔压力的范围和熔体的加工温度范围，利用惩罚函数内点法，优化计算出在达到最小比容积下，所需要的模腔压力和熔体温度，从而确定好D点的温度和压力值。最后，建立一个人机交互界面，该界面能够根据PVT数据库计算出在D-E段(等比容控制)，压力随着温度变化的曲线，将优化计算到的熔体温度和模腔压力值输入到人机交互界面中，就可计算出在等比容控制下所需的目标压力值，将此目标压力值作为参考信号去控制保压压力。以聚合物PP为例，在实际加工过程中，熔体温度为493K，模腔内的最大压力为90MPa。考虑到等比容控制起始点应在转变点温度之上，故由惩罚函数内点法优化计算在此条件下的最小比容积。如图2所示，在实际注塑机的保压条件下，所能达到的最小比容积为1.2283cm³/g，转等比容积控制的温度点为443K(即图1中D点的温度值)。故当型腔温度为443K时，开始转等比容保压，保压结束点的温度为浇口冻结的温度值，故D-E段的等比容积保压压力变化曲线如图3所示。而聚合物的比容积值由转压点的起始点决定，即V₂＝1.2283cm³/g，而常温常压下PP聚合物的固体密度为0.872975g/cm³，即比容积为V₁＝1.1455cm³/g，则由制品的收缩率计算公式(1)，将V₁，V₂代入式中，有s＝2.30％。

Claims

1.一种利用聚合物PVT关系特性的等比容工艺控制方法，其特征在于：第一步，根据材料的类别和特性获得注射成型材料的PVT曲线，确定成型工艺路线，在曲线中得到A-B-C-D-E-F的工艺路线，A-B-C段是注射充模阶段，物料在螺杆的推动下，流经喷嘴、流道，注入并充满型腔；第二步，先在最大的保压压力下恒压保压一段时间，然后再进行等比容保压，C-D段为等压压缩阶段，物料在保压压力的作用下继续进入型腔以补偿因压缩冷却引起的体积收缩；第三步，D-E段是等比体积保压阶段，型腔的物料不再变化，随着型腔温度的降低，保压压力有规律的减少以保证型腔中的物料不会倒流或者增加，熔体的保压压力由PVT数据库提供的物性参数，用Tait方程来计算得到的；最后，E-F段是常压冷却阶段。

2.根据权利要求1下所述的一种利用聚合物PVT关系特性的等比容工艺控制方法，其特征在于：所述的等比容保压方式的切换点是根据聚合物材料的特性参数决定的并以温度为切换控制信号，每采集一次温度随即改变一次保压压力，而注塑机控制器的输出驱动为交流伺服电机。