基于短玻璃纤维增强聚丙烯溢流腔的水辅助注射成型数值模拟

抽象

通过与有无溢流腔的水辅助注塑的侵水情况进行比较，从理论和常识可知，有溢流腔的水辅助注塑具有节省材料和能源等优点。然后，研究了熔体短丸尺寸、注水延迟时间、熔体温度和注水压力对渗透后水的渗透的影响，以及溢流腔短丸法水辅助注射成型过程中短纤维的取向分布。结果表明，熔体短射尺寸对其影响最大，其次是注水压力、注水延迟时间，最后是熔体温度。随着熔体短丸尺寸的增大，整个主腔残壁厚度变薄，短纤维沿熔体流动方向的取向变大，纤维取向变化程度变小。主要在前面一半的空腔,注水压力的减少,注水的延迟时间,和熔体温度,在前面的主腔的一部分,剩余壁厚变薄,沿着熔体流动方向的纤维取向变得更低,和纤维取向的变化程度变得更高;在主腔的后半部分，水的渗透和短纤维沿熔体流动方向的取向分布的影响不显著。

1.简介

流体辅助注射成型是一种新型的注射成型技术，利用高压流体将熔融的聚合物向前推进，形成中空或部分中空的产品。它包括气辅注射成型和水辅注射成型。由于气辅系统比水辅系统更加成熟，气辅注射成型首先进入了研究者的视野。随着科学技术的发展，水辅助系统的技术逐渐完善，水辅助注射成型逐渐进入研究领域。与气体相比，水具有导热系数高、比热容高、可循环利用等优点，因此水辅助注射成型可以缩短成型周期，降低生产成本，提高内表面平整度等[1，2]。因此，近年来，水辅助注塑成型中得到了广泛的关注。

在水辅助注射成型中，根据高压水注射前熔融聚合物是否充满主腔，可分为短冲水辅助注射成型和溢流水辅助注射成型。无论是短冲成型还是溢流成型，研究者主要关注工艺参数对透水长度、残壁厚度等宏观结构的影响[3]。例如，黄和邓[4]研究了水的渗透长度和PP的剩余壁厚的工艺参数的影响通过使用单因子方法弯曲的管件产品。张某等人。[五和Zhang等人[6[]研究了相关工艺参数对水辅助注塑制品剩余壁厚的影响。Polynkin等人[7[[endnoteref: 15]]模拟了水注射压力对水辅助注射成型圆管产品残余壁厚的影响。Pudpong等人[8[[endnoteref: 19]]利用Moldflow方法模拟了工艺参数对溢流水辅助注塑PP产品剩余壁厚的影响。Park等人[9通过实验和理论发现，工件的残余壁厚随着聚合物熔体温度和注水压力的增加而减小。唐青等、唐青等[10，11]研究了水的压力和水的延迟时间由实验水辅助共注射成型的剩余壁厚的影响。最近，研究人员还通过改变工艺参数和物理参数[进行了的水辅助注塑制品的微观结构和性能的控制相关的研究12]。如Wang等[13]制备聚丙烯/丙烯腈 - 苯乙烯共聚物产品具有四个质量比通过不同的水喷射压力和熔体温度和研究横向晶的形成机理。仙湖等。[14，15研究了不同分子量的HDPE对水辅助注射成型产品晶体形态的影响。海英等[16]研究的过程参数对通过实验和理论的短纤维圆周取向的效果。在文献调查，则对短射水辅助注射许多研究而不溢流腔成型。不过，也有对短射水辅助注塑基础上，溢出腔成型的研究较少。

在本文中，数值计算进行基于短射水辅助注射有和没有溢流腔成型。当具有和不具有溢流腔的短射成型是根据相同的工艺参数中所使用的残留的壁厚和水穿透长度进行比较。它是由常识和理论短注射溢流腔可以节省比短注入多种材料而不溢流腔证明。然后，工艺参数对由短射水辅助注塑与溢流腔模制的短纤维增强的PP产品残余壁厚和纤维取向分布度的影响进行了分析。同时，另一方面也拓宽了短射水辅助注塑成型的基本理论和实验研究的内容。

2.数值研究方法

短球水辅助注塑过程基于溢出腔,首次填充短玻璃纤维增强聚合物复合融入主腔,然后注入高压水主要腔融化向前推到溢出腔,最终使压力和冷却。由于高压水的介入，整个过程涉及很多工艺参数。熔体短射尺寸、注水延迟时间、熔体温度和注水压力是计算的主要研究对象。

3.数学模型和假设

基于溢流腔的水辅助注射成型既涉及带粘弹性熔体的短纤维增强聚合物复合材料，也涉及对牛顿流体的高压水。为使计算收敛并使计算过程符合实际成型条件，将数学模型简化如下:(1)保持流体中的密度、热容量和导热系数不变;(2)熔体与模具壁之间无滑移;(3)忽略表面张力、重力、惯性力和外力;(4)不考虑熔融结晶过程中的相变焓。由此得到三维非等温流动行为控制方程:

连续性方程：

动量方程：

能量方程: 在哪里是速度矢量，是温度，是时候，是压力,应力张量,为重力加速度矢量，是密度，粘度,热导率,是比热容，和是剪切速率。

为了描述的聚合物的流变学性能在模内流动流道的熔体，经典构方程反映短纤维增强的聚合物复合材料中的一个，所述白METZNER本构方程，选择： 在哪里是熔融温度，剪切模量,是零剪切粘度，是零剪切速率和粘度曲线的幂律区域之间的过渡区域的参数，幂律指数是多少 ， ， ， ，和是所有的物质常数。

在光纤定向模拟中，常用定向概率分布函数和定向张量来描述光纤定向。取向分布函数可以直接描述纤维的取向状态，但其复杂性限制了其应用。取向张量以取向分布函数矩阵的形式描述纤维的取向状态。在先前的研究中,标准Folgar-Tucker取向结合IRD的流体动力学模型方程模型理论上是一个有用的方法来确定各向同性的取向纤维集中悬挂,但当定量与相关实验观测相比,过度的方程显示不准确的预测。近年来，菲尔普斯-塔克各向异性旋转扩散(ARD)模型已经证明了处理初级各向异性纤维定向的能力;然而，依赖于HD张量的ARD张量通常难以应用。本文采用最近改进的iARD-RPR定位模型[17]被采用，其中不仅考虑纤维之间的相互作用，但也考虑纤维在三维空间中的旋转阻力。其表达式如下： 在哪里有两个可用参数:光纤与光纤的相互作用参数以及纤维-矩阵相互作用参数 ; 有一个参数 ，这是为了减缓纤维取向的响应速率。

本文选用的材料为莱昂德尔巴塞尔工业公司生产的质量含量为10%的短纤维增强聚丙烯(SGFPP)。根据上述方程，所涉及的物理参数见表1。

3.1。熔体前跟踪

引入了体积百分比函数来描述熔体前沿位置和流体渗透率随时间的变化。在这里, 被定义为流体相， 由于塑料的熔体相，而熔体前缘则位于 单位。由运动学过程产生的体积百分比分数的增加由以下平流方程决定: 在哪里是体积百分比分数;是速度矢量。

在本文中，基于描述短的白METZNER构方程纤维增强的聚合物复合材料和短纤维取向模型IRAD-PRP，数学模型是基于流体动力学的三个主要方程构成。使用有限体积法和熔融前跟踪方法中，三个流体方程，本构方程，并且基于给定的工艺参数和物理参数，计算纤维取向模式。

4.模型结构和工艺参数

带有溢流腔的短冲水辅助注塑，不同于一般的短冲水辅助注塑，增加了溢流腔。其模型主要由主腔、溢流腔、熔体喷射喷嘴和水喷射喷嘴组成。其主要结构参数:主腔尺寸为 ，溢流腔直径为Φ10.短射水辅助注射成型相比基于所述溢流腔，没有对短射水辅助注射而不溢流腔成型溢流腔。的示意图和物理图显示在图1图2， 分别。

本文首先比较了在相同工艺参数下，无溢流腔短冲成型和有溢流腔短冲成型的残壁厚度和侵水长度。接下来，进一步分析了工艺参数对带溢流腔的短冲水辅助注塑短纤维增强PP制品剩余壁厚和纤维取向分布程度的影响;研究的工艺参数如表所示2。

5.材料和实验

5.1。物料

实验使用短玻璃纤维增强聚乙烯(SGFPP，级Hostacom SB224-1, LyondellBasell Industries, Germany)。短玻璃纤维的质量含量使材料增强了10%。其流动指数MFI 和its density was 0.9 g/cc.

5.2。实验

实验平台主要由注塑机、注水系统和模具组成，如图所示3。实验采用单因素实验，其中注塑机主要实现熔体短粒尺寸和熔体温度，注水系统主要实现注水延时时间和注水压力。

5.3。理论和实验数据处理

5.3.1。剩余壁厚度及百分比

产品的残余壁厚是指填充后熔体的径向厚度，残余壁厚百分比是指残余壁厚与主腔直径的比值。残余壁厚的百分比越大，熔体被水穿透的截面越大，反之亦然。

5.3.2。纤维取向

纤维取向是指纤维沿熔体流动方向的取向值。方向值波动越大或方向值越混乱，方向变化程度越大。本文将主腔平均分为三段。在每个部分的末端，一个5毫米的环被切割(图4)，然后放入液氮容器中冷却半小时并进行脆性断裂处理。最后将脆性切片切片，置于导电胶载体平台上进行喷金(图)五）和扫描电子显微镜（图6)。

6.结果和分析

数字7展示了两种水辅助注射造型在熔体短射尺寸为75%时沿熔体流动方向的水侵度，注水延迟时间为1 s，熔体温度为230℃，注水压力为8 MPa。从图中可以看出，在有溢流腔的短冲水辅助注射成型过程中，主腔完全渗透水，而在没有溢流腔的短冲水辅助注射成型中，主腔渗透水超过一半。

短球的原因是水辅助注塑没有溢出腔,主腔的体积对应体积之和的融化渗透水和残余壁厚的体积,和融化被水渗透,剩余壁厚越小。相反，水渗透越少，残余壁厚越大。在短球与溢流水辅助注塑腔,虽然主要腔的体积等于体积之和的融化渗透水和残余壁厚的体积,与主腔溢流腔连接导致过度融化逐渐流入溢出腔过程中熔体被水渗透。在相同工艺参数下，与不带溢流腔的水辅助注塑成型相比，当采用带溢流腔的水辅助注塑成型时，熔体的透水时间更长，残余壁厚更薄;带溢流腔的短冲水辅助注塑更节省材料或能源，如熔体短冲尺寸。

因此，无论是在理论和常识，短射水辅助注塑与溢流腔成型比没有溢流腔更有利。随后，在水渗透和纤维取向分布沿着所述熔融金属流动方向不同工艺参数的影响将在短射水辅助注塑与溢流腔成型时进行分析。

6.1。渗水

数字8显示出带有溢出腔的短射水辅助注塑的熔体短丸尺寸为70%、75%、80%和85%时沿熔体流动方向的残余壁厚百分比;其他工艺参数为基本参数。从图中可以看出，随着熔体短丸尺寸的增大，残余壁厚百分比增大，残余壁厚呈增厚趋势。在注水口到主腔端部的距离处，熔体短丸尺寸越小，残余壁厚百分比越平越小，残余壁厚越均匀。这是因为随着熔体短喷丸尺寸的增大，水的穿透阻力增大，而在低温模具壁面上未被水穿透的熔体的冷却时间越长，影响越大。

数字9为带溢流腔的短冲水辅助注塑注射延迟时间分别为0 s、1 s、3 s和5 s时沿熔体流动方向的残壁厚度百分比;其他工艺参数为基本参数。从图中可以看出，随着注水延迟时间的延长，主腔前半部分残余壁厚百分比增大，后半部残余壁厚百分比基本不变。这是因为在高压水注入前，高温熔体主要停留在主腔的前半部分，随着模具低温壁冷却时间的延长，凝固层的厚度变大。高压水注入后，主腔前半部分的熔体通过主腔后半部分推入溢流腔。在此过程中，主腔后半部分的残壁厚度由模具表面和水冷周期决定。这段时间很短，导致后半段剩余壁厚的百分比基本相同。此外，可以看出，注水时间为0s时，残余壁厚百分比沿熔体流动方向最平。

数字10示出了沿着所述剩余壁厚度百分比熔体流动方向时，短射水辅助注塑与溢流腔模制的熔融温度为210℃，230℃，250℃，270℃，分别;其他工艺参数为基本参数。根据该图，作为熔融温度的升高，剩余壁厚度百分比相对降低，但不显著。其原因是，作为熔融温度的增加，熔体粘度减小，高压水推动熔体中的阻力减小，并且剩余壁厚度百分比也减小。

数字11shows that the residual wall thickness percentage along the melt flow direction when the water injection pressure of the short-shot water-assisted injection molding with the overflow cavity is 4 MPa, 6 MPa, 8 MPa, and 10 MPa, respectively; other process parameters are the basic parameters. It can be seen from the figure that as the water injection pressure increases, residual wall thickness percentage decreases, and the distribution of residual wall thickness is flatter along the melt flow direction, and the percentage of residual wall thickness in the latter half of the main cavity is almost the same. The reason is that as the water injection pressure increases, the water diameter becomes large when the high-pressure water enters from the water injection nozzle, thereby pushing the water penetration cross-section to be larger. In the latter half of the main cavity, the melt here is driven by the high-pressure water in the first half of the main cavity and continues to be pushed into the overflow cavity by the high-pressure water. During this process, the melt is pushed by the high-pressure water for a short time, resulting in a shorter time for the melt to be cooled by water and mold wall.

6.2。纤维取向分布的程度

数字12示出了沿着当熔化短射水辅助注塑与溢流腔模制的短射大小的熔体流动方向上的纤维取向分布为70％，75％，80％，和85％;其他工艺参数为基本参数。如可从图中可以看出，当熔融短射大小的增加，纤维取向较低，在纤维取向分布的变化程度是沿着熔融金属流动方向更高。根据短纤维增强的聚合物水辅助注射成型产品的特性，产品被分成壁层，核心层，并沿厚度方向水沟道层。在壁层和水通道层的纤维具有沿着所述熔融金属流动方向和低程度的变化的高取向，而在核心层中的纤维具有沿着所述熔融金属流动方向和高度变化的随机取向。其原因如下：如可从图中可以看出8，随着熔体短丸尺寸的增大，残余壁厚百分比增大，残余壁厚呈增厚趋势。残余壁厚的增厚是指壁面层和水道层的壁厚百分比越小，核心层的百分比越高，导致纤维沿熔体流动方向的取向较低，变化程度较高。

数字13shows that the fiber orientation distribution along the melt flow direction when the water injection delay time of the short-shot water-assisted injection molding with the overflow cavity is 0 s, 1 s, 3 s, and 5 s, respectively; other process parameters are the basic parameters. As can be seen from the figure, in the front half of the main cavity, as the water injection delay time is prolonged, the fiber orientation is lower and the degree of the fiber orientation change is higher along the melt flow direction. In the latter half of the main cavity, the change in the water injection delay time has little effect on it. The reasons are as follows: as can be seen from Figure9，随着水喷射延迟时间越长，在所述主腔的前半部，而在后半剩余壁厚度百分比剩余壁厚度百分比的增加基本上是相同的。随着水喷射延迟时间的延长，剩余壁厚在所述主腔的增加，残余的壁厚变厚的前半部的百分比，从而导致在所述壁的厚度增加芯层的百分比和较低的定向和高变化在沿熔体流动方向上的主腔体的前半部分中的纤维的程度。

数字14由图可知，当带溢出腔的短冲水辅助注塑熔体温度为210℃、230℃、250℃、270℃时，纤维取向沿熔体流动方向分布;其他工艺参数为基本参数。从图中可以看出，在主腔的前半部分，随着熔体温度的升高，纤维的取向值增大，纤维取向分布沿熔体流动方向的变化程度减小。在主腔的后半部分，熔体温度的变化对其影响不大。其原因如下：如可从图中可以看出10，随着熔体温度的升高，主腔前半部分的残余壁厚百分比减小，后半部分的残余壁厚百分比基本相同，但主腔的残余壁厚百分比不显著。与熔融温度的增加,残余壁厚的百分比在前面增加一半的主腔和剩余壁厚变稠,导致芯层的百分比增加壁厚和低取向和高变化程度的纤维在前面一半的主腔沿着熔体流动方向。

数字15表明当带溢流腔的短冲水辅助注塑的水注射压力分别为4 MPa、6 MPa、8 MPa和10 MPa时，纤维定向沿流向分布;其他工艺参数为基本参数。从图中可以看出，在主腔前半部分，随着注水压力的增大，纤维取向增大，纤维取向分布沿熔体流动方向的变化程度减小。在主腔的后半部分，熔体温度的变化对其影响不大。其原因如下：如可从图中可以看出11作为水喷射压力的增加，剩余壁厚度百分比在所述主腔的前半部降低，并且在后半剩余壁厚度百分比基本相同。与水的喷射压力的增加，残留的壁厚的所述主腔中的前半部分的百分比降低，且剩余壁厚变薄，造成核心层的壁厚的百分比降低，并且更高的取向和低变化度的沿熔体流动方向上的主腔体的前半部分中的纤维。

七，结论

的数值计算是通过结合粘弹性构方程白METZNER和纤维取向模型iARD-RPR然后通过实验验证进行。首先，短射水辅助注射有和没有溢流腔模塑的水的渗透条件相比较。从理论和常识，短射水辅助注塑与溢流腔成型比没有溢流腔更有利。然后，短射水辅助注塑与溢流腔的过程中，的影响熔体短射大小，水喷射延迟时间，熔融温度，和对水渗透后的渗透和的方位分布的水喷射压力沿熔体流动方向的短纤维进行了分析。

可知，熔体短束尺寸对水渗透后短纤维沿熔体流动方向的侵贯情况和取向分布影响最大，其次是注水压力、注水延迟时间，最后是熔体温度。在一定程度上，随着熔体短丸尺寸的增大，水渗透后残余壁厚变大，短纤维取向较低，纤维取向沿熔体流动方向变化程度较大;随着注水压力的增大，水渗透后残余壁厚变薄，短纤维的取向增大(特别是在主腔前半部)，纤维取向沿熔体流动方向变化的程度减小;随着注水延迟时间的延长，水渗透后残余壁厚变厚，主腔前半部分沿熔体流动方向短纤维方向变低，纤维方向变化程度增大;然而，水的渗透和短纤维在主腔后半段沿熔体流动方向的定向分布对熔体流动的影响不大;随着熔体温度的增加,渗水后剩余壁厚变薄,和短纤维的取向是高纤维取向变化的程度较低的熔体流动方向在前一半的主腔和渗水的影响和短纤维的取向分布以及熔体流动方向的下半年主要腔是最小的。

数据可用性

包括在此研究中的所有数据都可以在通过与相应的作者联系请求。

的利益冲突

作者声明他们没有利益冲突。

致谢

本课题是国家自然科学基金(NSFC, No. 21664002, No. 51563010, No. 51403165)和江西省科学技术协会(No. 51403165)资助的项目的一部分。GJJ161049)。

参考文献

1. M.骑士，“水注塑使得空心部分更快，”塑料技术第48卷，no。4，第42-47页，2002。查看在：谷歌学术搜索
2. T. Juntgen和W. MICHAELI，“水注射技术（WIT）作为有吸引力的替代和补充气体辅助注射成型（GAIM），”在ANTEC 2002 -会议论文集2002年，美国旧金山，第386-391页。查看在：谷歌学术搜索
3. S.-J。刘，“水辅助注射成型:综述”，国际聚合物加工第24卷第2期4，第315-325，2009。查看在：出版商的网站|谷歌学术搜索
4. 黄，邓志伟，“水辅助注射成型工艺参数的影响与优化”，应用聚合物科学杂志的第108卷，no。1, 228-235页，2008。查看在：出版商的网站|谷歌学术搜索
5. 中曾蒙，中华，杨。高，杨，“水辅助注射成型中空腔填充过程的模拟与分析”，机械工程学报卷。46，没有。8，第140-146，2010。查看在：出版商的网站|谷歌学术搜索
6. K.张，T.匡，刘H.，X.曾，邓Y.和H. Jasak，“基于黏弹性水辅注射充填工序的模拟分析，”高分子材料科学与工程第30卷，no。9，第93-96页，2014。查看在：谷歌学术搜索
7. A. Polynkin，L.白，J. F. T. Pittman等人，“水辅助注射成型：通过在与计算机模拟平行仪表化过程实验的见解和预测能力的发展，”。塑料、橡胶及复合材料第37卷，no。2-4, 131-141页，2008。查看在：出版商的网站|谷歌学术搜索
8. 周永明，“水辅助注射成型零件的残壁厚度分布之研究”，国立台湾大学机械工程研究所硕士论文。国际聚合物加工第28卷第2期5, 528-540页，2013。查看在：出版商的网站|谷歌学术搜索
9. H.公园，B. S.查，和B.李承晚“对剩余壁厚度工艺条件的影响的实验和数值研究和水辅助注塑成型中空制品的冷却和表面特性，”材料科学与工程研究进展，第15卷，文章编号161938,11页，2015年。查看在：出版商的网站|谷歌学术搜索
10. Kuang T.， Yu C.， Xu B.， l.s。"溢流流体辅助共注塑成型过程中渗透界面的实验研究"杂志高分子工程卷。36，没有。2，第139-148，2016。查看在：出版商的网站|谷歌学术搜索
11. T.-Q.旷，K.周，L.-X.吴，G.-F.周和L.-S.TURNG，“与在溢流水辅助共注射成型不同的横截面的管道的渗透接口的实验研究”，应用聚合物科学杂志的2016年第132期查看在：出版商的网站|谷歌学术搜索
12. 刘欣华，潘元华，郑国强等，“水辅助注射成型的实验趋势概述”，高分子材料与工程卷。303，没有。8，第1800035，2018。查看在：出版商的网站|谷歌学术搜索
13. b . Wang H.-x。黄,Z.-y。王，“水辅助注射成型PP/SAN共混物中穿晶的形成机理”，高分子学报，第8卷，第825-830页，2012。查看在：出版商的网站|谷歌学术搜索
14. X.柳，C.张，K.戴，G.征C.柳，和C.沉，“在水辅助注射成型HDPE羊肉串的意外的分子量依赖性，”用于先进技术的聚合物第24卷第2期2, 270-272页，2013年。查看在：出版商的网站|谷歌学术搜索
15. 刘欣华，潘玉华，彭志鹏等，“水辅助注射成型高密度聚乙烯的扭曲片状结构”，材料快报第172卷，no。1, 2016年第19-22页。查看在：出版商的网站|谷歌学术搜索
16. 周宏华，刘宏华，Kuang, Jiang Q.， Chen Z.， Li W.， "短纤维增强复合材料溢流水辅助注射成型管中短纤维周向的模拟与优化"，聚合物技术进展，第2019卷，文章编号6135270,10页，2019年。查看在：出版商的网站|谷歌学术搜索
17. H.-C.曾雅妮，R.-Y.张和C.-H许“现象的改善，以浓缩悬浮液的纤维取向的预测模型，”流变学杂志》第57卷，no。6, 1597-1631页，2013。查看在：出版商的网站|谷歌学术搜索

版权

版权所有:钟宇等这是一篇开放获取下发布的文章知识共享署名许可，其允许在任何介质无限制地使用，分发和再现时，所提供的原始工作正确的引用。