第4章 塑胶如何流动

【國立勤益技術學院CAE實驗室】講義模流分析基礎入門謝慶雄博士 編著 版權所有允許下載、複製、列印，但禁止販售或用於商業用途.tw/第四章 塑膠如何流動？熔融的熱塑性塑膠呈現黏彈性行為(viscoelastic behavior)，亦即黏性流體與彈性固體的流動特性組合。當黏性流體流動時，部分驅動能量將會轉變成黏滯熱而消失；然而，彈性固體變形時，會將推動變形的能量儲存起來。日常生活中，水的流動就是典型的黏性流體，橡膠的變形屬於彈性體。除了這兩種的材料流動行為，還有剪切和拉伸兩種流動變形，如圖4-1 (a)與(b)。在射出成形的充填階段，熱塑性塑膠之熔膠的流動以剪切流動為主，如圖4-1(c)所示，材料的每一層元素之間具有相對滑動。另外，當熔膠流經一個尺寸突然變化的區域，如圖4-1(d)，拉伸流動就變得重要多了。圖4-1 (a)剪切流動；(b)拉伸流動；(c)模穴內的剪切流動(d)充填模穴內的拉伸流動熱塑性塑膠承受應力時會結合理想黏性流體和理想彈性固體之特性，呈現黏彈性行為。在特定的條件下，熔膠像液體一樣受剪應力作用而連續變形；然而，一旦應力解除，熔膠會像彈性固體一樣恢復原形，如圖4-2 (b)與 (c)所示。此黏彈性行為是因為聚合物在熔融狀態，分子量呈現雜亂捲曲型態，當受到外力作用時，將允許分子鏈移動或滑動。然而，相互糾纏的聚合物分子鏈使系統於施加外力或解除外力時表現出彈性固體般的行為。譬如說，在解除應力後，分子鏈會承受一恢復應力，使分子鏈回到雜亂捲曲的平衡狀態。因為聚合物系統內仍有分子鏈的交纏，此恢復應力可能不是立即發生作用。圖4-2 (a)理想的黏性液體在應力作用下表現出連續的變形；(b)理想的彈性固體承受外力會立刻變形，於外力解除後完全恢復原形；(c)熱塑性塑膠之熔膠就像液體一樣，在剪切應力作用下而連續變形。然而，一旦應力解除，它就像彈性固體一般，部分變形會恢復原形。4-1 熔膠剪切黏度熔膠剪切黏度(shear viscosity)是塑料抵抗剪切流動的阻力，它是剪切應力與剪變率的比值，參閱圖4-3。聚合物熔膠因長分子鏈結構而具有高黏度，通常的黏度範圍介於23000 Pa（水為 10-1 Pa，玻璃為1020 Pa）。圖4-3 以簡易之剪切流動說明聚合物熔膠黏度的定義水是典型的牛頓流體，牛頓流體的黏度與溫度有關係，而與剪變率無關。但是，大多數聚合物熔膠屬於非牛頓流體，其黏度不僅與溫度有關，也與剪切應變率有關。聚合物變形時，部份分子不再糾纏，分子鏈之間可以相互滑動，而且沿著作用力方向配向，結果，使得聚合物的流動阻力隨著變形而降低，此稱為剪變致稀行為（shearing-thinning behavior），它表示聚合物承受高剪變率時黏度會降低，也提供了聚合物熔膠加工便利性。例如，以兩倍壓力推動開放管線內的水，水的流動速率也倍增。但是，以兩倍壓力推動開放管線內的聚合物熔膠，其流動速率可能根據使用材料而增加215倍。介紹了剪切黏度的觀念，再來看看射出成形時模穴內的剪變率分佈。一般而言，材料的連接層之間的相對移動愈快，剪變率也愈高，所以，典型的熔膠流動速度曲線如圖4-4（a），其在熔膠與模具的介面處具有最高的剪變率；或者，假如有聚合物凝固層，在固體與液體介面處具有最高的剪變率。另一方面，在塑件中心層因為對稱性流動，使得材料之間的相對移動趨近於零，剪變率也接近零，如圖4-4（b）所示。剪變率是一項重要的流動參數，因為它會影響熔膠黏度和剪切熱（黏滯熱）的大小。射出成形製程的典型熔膠剪變範圍在102 105 1/s之間。圖4-4 （a）相對流動元素間運動之典型速度分佈曲線； ( b)射出成形之充填階段的剪變率分佈圖。聚合物分子鏈的運動能力隨著溫度升高而提高，如圖4-5所示，隨著剪變率升高與溫度升高，熔膠黏度會降低，而分子鏈運動能力的提升會促進較規則的分子鏈排列及降低分子鏈相互糾纏程度。此外，熔膠黏度也與壓力相關，壓力愈大，熔膠愈黏。材料的流變性質將剪切黏度表示為剪變率、溫度與壓力的函數。圖4-5 聚合物黏度與剪變率、溫度、及壓力的關係4-2 熔膠流動之驅動-射出壓力射出機的射出壓力是克服熔膠流動阻力的驅動力。射出壓力推動熔膠進入模穴以進行充填和保壓，熔膠從高壓區流向低壓區，就如同水從高處往低處流動。在射出階段，於噴嘴蓄積高壓力以克服聚合物熔膠的流動阻力，壓力沿著流動長度向聚合物熔膠波前逐漸降低。假如模穴有良好的排氣，則最終會在熔膠波前處達到大氣壓力。壓力分佈如圖4-6所示。圖4-6 壓力沿著熔膠輸送系統和模穴而降低模穴入口的壓力愈高，導致愈高的壓力梯度（單位流動長度之壓力降）。熔膠流動長度加長，就必須提高入口壓力以產生相同的壓力梯度，以維持聚合物熔膠速度，如圖4-7所示。圖4-7熔膠速度與壓力梯度的關係根據古典流體力學的簡化理論，充填熔膠輸送系統（豎澆道、流道和澆口）和模穴所需的射出壓力與使用材料、設計、製程參數等有關係。圖4-8顯示射出壓力與各參數的函數關係。使用P表示射出壓力，n 表示材料常數，大多數聚合物的n值介於0.150.36 之間，0.3是一個適當的近似值，則熔膠流動在豎澆道、流道和圓柱形澆口等圓形管道內所需的射出壓力為：熔膠流動在薄殼模穴之帶狀管道內所需的射出壓力為：熔膠的流動速度與流動指數(Melt Index, MI) 有關，流動指數也稱為流導flow conductance），流動指數是熔膠流動難易的指標。實際上，流動指數是塑件幾何形狀（例如壁厚，表面特徵）及熔膠黏度的函數。流動指數隨著肉厚增加而降低，但是隨著熔膠黏度增加而降低，參閱圖4-9。射出成形時，在特定的成形條件及塑件肉厚下，熔膠可以流動的長度將根據材料的熱卡性質與剪切性質而決定，此性質可以表示為熔膠流動長度，如圖4-10所示。圖4-8 射出壓力與使用材料知黏滯性、流動長度、容積流率和肉厚的函數關係圖4-9流動指數相對於壁厚與黏度關係圖4-10熔膠流動長度決定於塑件厚度和溫度將射出成形充填模穴的射出壓力相對於充填時間畫圖，通常可以獲得U形曲線，如圖4-11，其最低射出壓力發生在曲線的中段時間。要採用更短的充填時間，則需要高熔膠速度和高射出壓力來充填模穴。要採用較長的充填時間，可以提供塑料較長的冷卻時間，導致熔膠黏度提高，也需要較高的射出壓力來充填模穴。射出壓力相對於充填時間的曲線形狀與所使用材料、模穴幾何形狀和模具設計有很大的關係。圖4-11射出壓力相對於充填時間之U形曲線最後必須指出，因為熔膠速度（或剪變率）、熔膠黏度與熔膠溫度之間交互作用，有時候使得充填模穴的動力學變得非常複雜。注意，熔膠黏度隨著剪變率上升及溫度上升而降低。高熔膠速度造成的高剪變率及高剪切熱可能會使黏度降低，結果使流動速度更加快，更提高了剪變率和熔膠溫度。所以對於剪變效應很敏感的材料本質上具有不穩定性。4-2-1 影響射出壓力的因素圖 4-12針對影響射出壓力的設計與成形參數進行比較。參數需要高射出壓力可用低射出壓力塑件設計肉厚塑件表面澆口設計澆口尺寸流動長度成形條件熔膠溫度模壁（冷卻劑）溫度螺桿速度選擇材料熔膠流動指數圖4-12 射出壓力與設計、成形參數、材料的關係4-3 充填模式充填模式(Filling Pattern)是熔膠在輸送系統與模穴內，隨著時間而變化的流動情形，如圖4-13所示。充填模式對於塑件品質有決定性的影響，理想的充填模式是在整個製程中，熔膠以一固定熔膠波前速度(melt front velocity, MFV)同時到達模穴內的每一角落；否則，模穴內先填飽的區域會因過度充填而溢料。以變化之熔膠波前速度充填模穴，將導致分子鏈或纖維配向性的改變。圖4-13 電腦模擬之熔膠充填模式的影像4-3-1 熔膠波前速度與熔膠波前面積熔膠波前的前進速度簡稱為MFV，推進熔膠波前的剖面面積簡稱為 MFA，MFA可以取熔膠波前橫向長度乘上塑件肉厚而得到，或是取流道剖面面積，或者視情況需要而取兩者之和。在任何時間，容積流動率 = 熔膠波前速度(MFV) 熔膠波前面積(MFA)對於形狀複雜的塑件，使用固定的螺桿速率並不能保證有固定的熔膠波前速度。當模穴剖面面積發生變化，縱使射出機維持了固定的射出速度，變化之熔膠波前速度仍可能先填飽模穴的部份區域。圖 4-14 顯示在鑲埋件(insert)周圍熔膠波前速度增加，使鑲埋件兩側產生高壓力和高配向性，造成塑件潛在的不均勻收縮和翹曲。圖4-14 熔膠波前速度(MFV)和熔膠波前面積(MFA)。MFV之差異會使得塑料分子(以點表示)以不同方式伸展，導致分子與纖維配向性的差異，造成收縮量差異或翹曲。在射出成形的充填階段，塑膠材料的分子鏈或是填充料會依照剪應力之作用而發生配向。由於模溫通常比較低，在表面附近的配向性幾乎瞬間即凝固。分子鏈和纖維的配向性取決於熔膠之流體動力學和纖維伸展的方向性。在熔膠波前處，由於剪切流動和拉伸流動的組合，不斷強迫熔膠從肉厚中心層流向模壁，造成噴泉流效應(fountain flow effect)，此效應對塑件表層的分子鏈纖維配向性的影響甚鉅。請參閱圖4-15之說明。圖4-15 塑件表層與中心層之纖維配向性塑件成形之MFV愈高，其表面壓力愈高，分子鏈配向性的程度也愈高。充填時的MFV差異會使得塑件內的配向性差異，導致收縮不同而翹曲，所以充填時應儘量維持固定的MFV，使整個塑件有均勻的分子鏈配向性。MFV和MFA是流動平衡的重要設計參數。不平衡流動的MFA會有突然的變化，當部分的模穴角落已經充飽，部分的熔膠仍在流動。對於任何複雜的幾何形狀，應該將模穴內的MFA變化最小化，以決定最佳的澆口位置。流動平衡時，熔膠波前面積有最小的變化，如圖 4-16所示。圖4-16 (a) MFA變化導致的平衡與不平衡流動；及(b)其對應的充填模式。4-4 流變理論流變學(rheology)是探討材料受力後變形和流動的加工特性，包括剪變率、剪切黏度、黏彈性、黏滯熱、拉伸黏度等等。熔融塑膠大多呈現擬塑性行為，即根據指數律(power law)，n 1塑膠受剪應力而運動時，其黏度隨剪變率增加而降低，此現象稱為高分子材料的剪稀性(shear thinning)。通常廠商比較常提供的塑膠特性指標是流動指標MI (Melt index)，一般塑膠的MI值大約介於125之間，MI值愈大，代表該塑膠黏度愈小，分子重量愈小；反之，MI值愈小，代表該塑膠黏度愈大，分子重量愈大。MI值僅僅是塑膠剪切黏度曲線上的一點。(註：黏度單位1 cp = 0.001 Pas， cp = centipoise, Pa = N/m2)其他影響塑膠性質的因素包括分子量的大小及分子量分佈、分子配向性、玻璃轉移溫度和添加物等。(1) 分子量的大小及分子量分佈塑膠的特性之一就是分子量很大，分子量分布曲線和其聚合的方法及條件對於所製造出來的成型品有密切影響。分子量大者璃轉移溫度Tg較高，機械性質、耐熱性、耐衝擊強度皆提昇，但是黏度亦隨分子量增大而提高，造成加工不易。就分子量分佈而言，短分子鏈影響拉伸及衝擊強度，中分子鏈影響溶液黏度及低剪切熔膠流動，長分子鏈的量影響熔膠彈性。(2) 玻璃轉移溫度(glass transition temperature, Tg)其意思即高分子鏈開始具有大鏈結移動，也就是脫離硬綁綁的玻璃態，開始較具延展性的溫度。而Tg的大小對於塑膠性質有很大的影響，所以往往成為判斷塑膠性質的重要指標，玻璃態時顯現出類似玻璃的剛硬性質，但於橡膠態時，又變成較軟之橡膠性質。(3) 分子配向性塑膠材料原來的性質會隨著外來的因素和作用力而改變，例如聚合物熔膠的黏度(表示材料流動阻力)隨分子量增加而增加，但隨溫度增加而減少。更進一步，作用於材料的高剪應力所造成的分子配向性也會降低塑膠熔膠的黏度。(4) 添加劑、填充材料、及補強材料對於聚合物的影響包括安定劑、潤滑劑、塑化劑、抗燃劑、著色劑、發泡劑、抗靜電劑、填充材料、及補強材料等等可以用來改變獲改善塑膠的物理性質和機械性質。【國立勤益技術學院CAE實驗室】講義模流分析基礎入門謝慶雄博士 編著 版權所有允許下載、複製、列印，但禁止販售或用於商業用途.tw/