注塑成型中结晶形态演化的数值模拟

摘要

和低分子材料不同,结晶聚合物的结晶往往不完善、只能部分结晶、结晶过程也较复杂。和静态条件相比,聚合物在流场作用下的结晶行为有了很大改变,通常剪切缩短了聚合物的成核诱导时间,增加了成核密度,缩短结晶过程。同时剪切使聚合物的结晶形态发生变化,形成不同的取向结构,产生比静态条件下更丰富的结晶形态,如片晶、柱晶、串晶等。反过来,熔体中晶体的出现对聚合物的流变性能也有影响,流场与结晶间这种作用是相互的。注塑成型时,聚合物从熔融到固化成型经历了非等温、非平衡的流动状态,最终制品呈现出互异的、多层的晶体聚集态结构,对制品的性能,如尺寸精度、尺寸稳定性、热传导系数、模量、强度等力学、光学性能产生重大影响。
　　 目前对流动诱导结晶的研究主要集中在结晶动力学和形态学两个方面,研究方法主要采用实验观测和数值模拟,本文结合流动诱导结晶实验现象,对结晶动力学和晶体形态进行了数值模拟,主要工作如下:
　　 (1)流动使分子发生取向,倾向于形成晶核,在流变学中,第一法向应力差反应了流变行为中的弹性部分,因此利用流动诱导活化晶核数目与第一法向应力差的关系模型,研究流动对晶体成核密度的影响,进而基于晶核三维有序生长的假设,利用Avrami方程研究了剪切对聚合物结晶动力学的影响。考察了不同剪切速率、剪切时间下晶核数目、结晶诱导时间和结晶度的发展,指出剪切对聚合物结晶的加速作用。熔体中少量晶体的出现对材料的流变行为产生重大影响,利用熔体标准化粘度与结晶度的关系模型,模拟了不同剪切条件下结晶聚合物熔体粘度随时间的发展,并基于聚合物结晶过程两相模型,分析了结晶过程熔体应力随时间的发展变化。
　　 (2)晶体在流场的作用下,不断的移动和转动而发生取向,聚合物由晶相、非晶相两相组成,将晶体视为刚性哑铃,晶体与熔体间的相互作用与两者的摩擦系数有关。根据熔体流场信息、结晶度和晶相松弛时间求解取向张量变化方程,根据二阶取向张量计算晶体取向因子,考察剪切条件下晶体呈现出的自由取向、沿流动方向取向或垂直流动方向取向等不同的取向状态。
　　 (3)注塑成型时,聚合物从熔融到固化成型经历了非等温、非平衡的流动状态,欲了解注塑制品的物理信息首先必须知道加工中材料经历的热机历史。采用欧拉法求解连续性、运动、能量方程得到型腔内部各单元在欧拉坐标下的流场信息,然后建立拉格朗f=1坐标根据流体的速度追踪物质点的运动轨迹,记录其经历的热机历史。考察了不同模温、熔体温度,对制品不同截面上共计9个点的温度史和剪切史的影响。
　　 (4)根据熔体物质点经历的温度史和剪切史,基于流场作用下分子链伸展情况与晶体形态的关系,研究了不同熔体温度、不同模温对注塑制品皮层厚度、球晶直径和串晶长度的影响。模温或熔体温度越高,制品皮层越薄,中心层球晶直径越大,皮层单位体积串晶长度越短。