周?chē)[天，吳旺青，魏國(guó)猛，蔣炳炎

（高性能復(fù)雜制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙，410083）

微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)的不斷發(fā)展對(duì)聚合物微小零件的先進(jìn)制造提出了更高要求。集質(zhì)量小、成本低、耐腐蝕、抗沖擊等諸多優(yōu)勢(shì)于一體的聚合物微小零件的作用越來(lái)越大[1]，但其成型制造面臨的材料浪費(fèi)嚴(yán)重、能耗較高等問(wèn)題也日益嚴(yán)峻。采用傳統(tǒng)螺桿注塑機(jī)生產(chǎn)微小零件時(shí)，通常有大量聚合物作為澆注系統(tǒng)而被浪費(fèi)[2]，而且高速高壓注射過(guò)程和變模溫技術(shù)的應(yīng)用既增加了設(shè)備能耗，又延長(zhǎng)了循環(huán)周期。德國(guó)IKV研究所[3]針對(duì)上述難題提出了超聲塑化新理念，基于該理念而發(fā)展的超聲塑化微注射成型技術(shù)可實(shí)現(xiàn)“按需上料”，且無(wú)需應(yīng)用變模溫技術(shù)即可實(shí)現(xiàn)微小零件的低速低壓成型，極大降低了設(shè)備能耗，縮短了成型周期。

國(guó)內(nèi)外研究與應(yīng)用實(shí)踐表明，超聲塑化微注射成型技術(shù)具有材料利用率高、設(shè)備能耗低、成型效率高的顯著優(yōu)勢(shì)，更能滿足復(fù)雜場(chǎng)合所需特定性能的特種塑料加工要求，在減少昂貴材料浪費(fèi)的同時(shí)，能適應(yīng)短周期的生產(chǎn)模式。在超聲塑化微注射成型過(guò)程中，聚合物顆粒在高頻超聲振動(dòng)作用下相互摩擦、擠壓并產(chǎn)生大量熱量后開(kāi)始熔融[4-5]。另外，高頻超聲的剪切作用使得相互纏結(jié)的分子鏈逐漸解纏并沿流動(dòng)方向取向[6]，輸出流動(dòng)性較強(qiáng)的熔體并完成充填、保壓、冷卻脫模。其中，塑化過(guò)程耗時(shí)較短，通常在3～8 s 內(nèi)完成，在“邊塑化邊注射”模式下，率先完成塑化后的熔體繼續(xù)受到超聲、澆口的剪切作用，對(duì)充填過(guò)程、充填后的樣品收縮率等產(chǎn)生影響。蔣炳炎等[7]通過(guò)溫度、壓力測(cè)定法對(duì)聚合物是否完全熔融進(jìn)行判定分析得到了完全塑化時(shí)間點(diǎn)，分析了塑化壓力對(duì)它的影響；張勝[8]研究了工具頭塑化壓力對(duì)塑化腔內(nèi)單位體積聚丙烯的塑化程度，并探究了塑化過(guò)程中不同材料相對(duì)密度隨塑化時(shí)間的變化情況。上述研究對(duì)聚合物塑化速率相關(guān)問(wèn)題開(kāi)展了定性分析，但沒(méi)有形成可以表征聚合物超聲塑化速率的量化指標(biāo)。現(xiàn)有工藝方面的研究也集中于超聲工藝參數(shù)對(duì)成型效果的影響，未量化超聲塑化工藝參數(shù)對(duì)聚合物塑化速率的影響規(guī)律。同時(shí)，當(dāng)前缺少超聲塑化微注射成型過(guò)程聚合物塑化速率測(cè)試方法、裝置與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

傳統(tǒng)意義上的塑化速率是表征注塑機(jī)螺桿塑化能力的指標(biāo)，單位時(shí)間內(nèi)的塑化量越高，表示螺桿的結(jié)構(gòu)質(zhì)量越好[9]。螺桿直徑、螺槽深度、螺桿轉(zhuǎn)速等都會(huì)對(duì)螺桿塑化能力產(chǎn)生影響，從而影響成型周期與生產(chǎn)效率。螺桿熔體輸送等理論可以描述注射螺桿的塑化能力，表征單位時(shí)間內(nèi)注射螺桿提供聚合物熔體的最大值。例如，鐘云晴等[10]基于擠出熔融模型用解析法計(jì)算熔融速率，并預(yù)測(cè)了螺桿的塑化能力。超聲塑化過(guò)程中沒(méi)有螺桿剪切作用，超聲波能量是輔助加熱手段以外唯一的能量源，且與聚合物的最大接觸面積（工具頭端面）僅約0.7 cm2。在超聲注塑成型中，聚合物顆粒的形態(tài)演變歷程與傳統(tǒng)螺桿注塑成型的形態(tài)演變歷程差異較大，且現(xiàn)有的主流注塑模式為“邊塑化邊注射”，其塑化、注射、計(jì)量、充填等過(guò)程尚沒(méi)有明確的劃分界線。而塑化、充填過(guò)程對(duì)整個(gè)超聲塑化工藝的效率、成型質(zhì)量影響較大，有必要對(duì)超聲塑化系統(tǒng)的塑化能力、塑化速率進(jìn)行定量表征，并探明其影響因素及規(guī)律。

為此，本文基于自主研制的超聲塑化微注射成型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)定量計(jì)算聚合物顆粒的塑化速率，研究超聲塑化工藝參數(shù)（注射速度、模芯溫度及超聲振幅）對(duì)典型聚合物PP塑化速率的影響規(guī)律，為制定超聲塑化工藝參數(shù)、優(yōu)化超聲作用時(shí)間提供參考，為提升超聲塑化工藝效率、建立聚合物超聲塑化速率的表征與測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

1.1.1 超聲塑化工藝

基于“邊塑化邊注射”的超聲注塑模式展開(kāi)研究，聚合物超聲塑化微注射成型工藝過(guò)程如圖1所示。圖1中，塑化腔與型腔保持連通狀態(tài)，通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)工具頭到達(dá)指定位置后開(kāi)啟超聲，在注射活塞的壓力作用下聚合物原料逐漸壓緊，同時(shí)，由超聲振動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生的高頻振動(dòng)經(jīng)工具頭作用于聚合物顆粒，相互摩擦、擠壓并產(chǎn)生大量熱后，靠近工具頭端面聚合物率先開(kāi)始熔融，在注射活塞壓力作用下相繼注射進(jìn)入型腔，完成充填過(guò)程，保壓、冷卻后脫模取件。

圖1 超聲塑化微注射成型過(guò)程示意圖Fig.1 Schematic diagram of ultrasonic plasticization microinjection molding process

1.1.2 超聲塑化速率量化表征方法

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)控制超聲作用時(shí)間定量研究聚丙烯顆粒的超聲塑化速率，表征方式為：在單位時(shí)間內(nèi)超聲將聚合物顆粒轉(zhuǎn)變?yōu)槿垠w，并計(jì)量進(jìn)入塑化腔特定型腔部分的質(zhì)量。超聲塑化過(guò)程中超聲作用時(shí)間如圖2所示。超聲觸發(fā)點(diǎn)設(shè)定在工具頭壓實(shí)階段的結(jié)束點(diǎn)，超聲作用時(shí)長(zhǎng)通過(guò)PLC 控制系統(tǒng)提前設(shè)定。為模擬微注射成型過(guò)程，超聲施加過(guò)程伴隨著注射活塞的同步運(yùn)動(dòng)，聚合物顆粒在注射活塞壓力下“邊塑化邊注射”，由4 個(gè)拉伸制件微型腔收集熔體樣品。

圖2 超聲塑化過(guò)程中超聲作用時(shí)間示意圖Fig.2 Schematic diagram of ultrasound duration during ultrasonic molding process

設(shè)定注射活塞運(yùn)動(dòng)行程H1，在同工藝參數(shù)組合及超聲振幅條件下進(jìn)行若干次實(shí)驗(yàn)，獲取充填率較高樣品及其所需的超聲作用時(shí)長(zhǎng)T1；調(diào)整注射活塞總行程至H2，獲取充填率較低的“短射”樣品及其所需的超聲作用時(shí)長(zhǎng)T2。分別收集如圖3（a）和圖3（b）所示的各組“充填不足”短射樣品及“充填較滿”的高充填率樣品。

圖3 各充填率樣品及其有效質(zhì)量部分示意圖Fig.3 Schematic diagrams of each filling rate sample and its effective mass

在2 個(gè)超聲作用時(shí)間、注射活塞行程下重復(fù)5組實(shí)驗(yàn)，計(jì)算各有效充填質(zhì)量的平均值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果采用差值法處理。將料筒外圓以外型腔中收集的熔體視為有效部分，如圖3（c）和圖3（d）所示，不同組間的有效充填部分質(zhì)量之差Δm即為2 次塑化成型過(guò)程得到的有效樣品質(zhì)量之差（m1-m2）。塑化速率E1計(jì)算公式如下：

式中：Δm為制件質(zhì)量差值；Δt為超聲作用時(shí)間差。

1.2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

使用自主研制的全電式超聲塑化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)完成PP 的塑化實(shí)驗(yàn)，收集其超聲塑化試樣。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要由機(jī)架、塑化模塊、模具、合模模塊、注射模塊組成，如圖4（a）所示。

圖4 超聲塑化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及模具Fig.4 Experiment platform and mould of ultrasonic plasticization

該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的塑化模塊主要由專(zhuān)用超聲電源與超聲振子組成。模具部分采用“一模四腔”結(jié)構(gòu)，如圖4（b）所示。4 個(gè)型腔均布于塑化腔周?chē)糜谑占酆衔锶垠w，型腔表面光滑且無(wú)微結(jié)構(gòu)，單次熔體收集總質(zhì)量最高可達(dá)0.35 g。模芯可在一定范圍內(nèi)加熱至一定溫度。合模模塊主要由合模電機(jī)、動(dòng)/定模固定板、導(dǎo)柱等組成，注射模塊主要由注射電機(jī)、注射活塞等組成。以上所述模塊一起構(gòu)成聚合物超聲塑化系統(tǒng)[11]，其相關(guān)具體參數(shù)如表1所示。

表1 超聲塑化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)參數(shù)Table 1 Parameters of ultrasonic plasticizing experiment platform

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

通過(guò)超聲塑化工藝窗口研究得到適宜聚丙烯超聲塑化成型的工藝參數(shù)組合區(qū)間，在此基礎(chǔ)上，通過(guò)正交試驗(yàn)法優(yōu)化工藝參數(shù)組合，獲取一組面向超聲塑化速率最大化的最優(yōu)工藝參數(shù)組合。實(shí)驗(yàn)對(duì)象選用典型聚合物聚丙烯（半結(jié)晶型），牌號(hào)為PPH5300，密度為0.9 g/cm3，熔點(diǎn)為175 ℃。

1.3.1 超聲塑化工藝窗口

為了獲得較優(yōu)工藝參數(shù)的組合和取值范圍，對(duì)超聲塑化工藝參數(shù)展開(kāi)分析并進(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn)。超聲塑化預(yù)定實(shí)驗(yàn)參數(shù)取值如表2所示。預(yù)實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下。

表2 超聲塑化預(yù)實(shí)驗(yàn)參數(shù)取值Table 2 Parameters values in pre-experiment of ultrasonic plasticization

1）實(shí)驗(yàn)前，由超聲振幅測(cè)量?jī)x測(cè)得工具頭端面振幅可調(diào)節(jié)范圍An～Am，在最小振幅An下對(duì)PP重復(fù)進(jìn)行3 組塑化實(shí)驗(yàn)，觀察充填情況并保存樣品。預(yù)實(shí)驗(yàn)以振幅最大值A(chǔ)m為定值展開(kāi)。

2）在振幅為Am、溫度為25 ℃條件下，調(diào)節(jié)注射速度，對(duì)PP 進(jìn)行塑化實(shí)驗(yàn)，觀察充填情況并保存樣品，記錄塑化壓力及超聲功率峰值。同時(shí)，記錄實(shí)驗(yàn)過(guò)程中同時(shí)滿足充填情況較好、無(wú)嚴(yán)重溢料情況、超聲功率及塑化壓力適中的實(shí)驗(yàn)組注射速度vn，作為步驟3）的基準(zhǔn)。注射速度調(diào)節(jié)范圍如表2所示。

3）在振幅為Am、注射速度vn下，調(diào)節(jié)模芯溫度，對(duì)PP進(jìn)行塑化實(shí)驗(yàn)。選擇常溫（25 ℃）為基準(zhǔn)，每隔25 ℃設(shè)置1 個(gè)模芯溫度，觀察并記錄樣品的溢料情況。模芯溫度調(diào)節(jié)范圍如表2所示。

根據(jù)此預(yù)試驗(yàn)結(jié)果，獲取各實(shí)驗(yàn)條件下PP 的塑化狀態(tài)、塑化過(guò)程超聲功率峰值、塑化壓力峰值、溢料情況等。由上述指標(biāo)均正常的工藝參數(shù)（超聲振幅、注射速度、模芯溫度）范圍組成超聲塑化工藝窗口，并對(duì)3個(gè)因素分別取3個(gè)水平，構(gòu)成三因素三水平正交試驗(yàn)方案。

1.3.2 超聲塑化正交試驗(yàn)方案

根據(jù)1.3.1 節(jié)確定的聚丙烯超聲塑化工藝參數(shù)組合，采用正交試驗(yàn)法展開(kāi)實(shí)驗(yàn)，將PP 的超聲塑化速率列為唯一評(píng)價(jià)指標(biāo)，開(kāi)展三因素三水平正交試驗(yàn)，影響因素及其水平設(shè)置如表3所示。

表3 超聲塑化速率影響因素-水平Table 3 Influencing factors and levels of ultrasonic plasticization rate

采用精密電子天平稱?。?.700±0.005）g聚合物顆粒置于塑化料筒中，設(shè)定注射過(guò)程程序并匹配相對(duì)應(yīng)的超聲作用時(shí)間，完成聚合物塑化及熔體收集過(guò)程。開(kāi)模取件并測(cè)量樣品的有效質(zhì)量，計(jì)算對(duì)應(yīng)的塑化速率。在同一工藝參數(shù)及條件下各組實(shí)驗(yàn)重復(fù)5 次，測(cè)量結(jié)果取平均值，記錄每份試樣對(duì)應(yīng)的平均塑化速率。正交試驗(yàn)表采用的是L9（34），正交試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)如表4所示。

表4 L9（34）正交試驗(yàn)方案Table 4 L9（34）orthogonal test scheme

2 結(jié)果與討論

2.1 超聲塑化工藝參數(shù)優(yōu)化

1）經(jīng)超聲振幅測(cè)量?jī)x測(cè)得工具頭端面振幅可調(diào)節(jié)范圍為42～60 μm。在最小振幅與較高注射速度下，PP 雖然完成塑化，但期間塑化峰值壓力偏大。為此補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)，當(dāng)振幅增大至48 mm 及以上時(shí)，塑化峰值壓力恢復(fù)正常。因此，超聲振幅取48，54和60 μm開(kāi)展后續(xù)實(shí)驗(yàn)。

2）當(dāng)注射速度為1.5 mm/s時(shí)，樣品出現(xiàn)降解、發(fā)黑等現(xiàn)象（如圖5（a）所示），增大至2.0 mm/s 時(shí)恢復(fù)正常；當(dāng)注射速度為3.0 mm/s 時(shí)，工具頭負(fù)載及超聲功率峰值開(kāi)始增大，分別達(dá)到20～25 MPa和600 W；當(dāng)注射速度為3.5 mm/s時(shí)，工具頭負(fù)載峰值Pmax超過(guò)35 MPa（如圖6所示），超聲功率峰值超過(guò)1 kW，塑化過(guò)程異常。為此，在1.5～2.0 mm/s范圍補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)注射速度達(dá)到1.8 mm/s 及以上時(shí)，降解發(fā)黑等現(xiàn)象消失。當(dāng)注射速度為3.0 mm/s及以下時(shí)，超聲功率峰值穩(wěn)定在600 W以下，塑化壓力峰值小于25 MPa。因此，注射速度取1.8，2.4和3.0 mm/s開(kāi)展后續(xù)實(shí)驗(yàn)。

圖6 塑化過(guò)程壓力變化曲線及其峰值Fig.6 Pressure change curve and its peak value in plasticizing process

3）低溫下塑化情況均正常，當(dāng)模芯溫度升至75 ℃及以上時(shí)，工具頭及注射活塞端面、料筒附近溢料現(xiàn)象逐漸加?。ㄈ鐖D5（b）所示），影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果精度。因此，選擇25，50 和75 ℃開(kāi)展后續(xù)實(shí)驗(yàn)。

圖5 超聲塑化樣品異常狀態(tài)Fig.5 Abnormal state of ultrasonic plasticization sample

綜上所述，由實(shí)驗(yàn)得到各參數(shù)及水平下PP 的塑化情況如表5所示。在該范圍內(nèi)進(jìn)一步細(xì)分水平取值，注射速度取1.8，2.4和3.0 mm/s；模芯溫度取25，50 和75 ℃；超聲振幅取48，54 和60 μm。正交試驗(yàn)在此三因素三水平條件下展開(kāi)。

表5 各水平下PP超聲塑化狀態(tài)記錄表Table 5 Conditions of PP under ultrasonic plasticization at all levels

2.2 超聲塑化工藝參數(shù)最優(yōu)組合

9 組試驗(yàn)中，每組試驗(yàn)重復(fù)5 次取平均值。每組試驗(yàn)條件及結(jié)果如表6所示，標(biāo)準(zhǔn)偏差在20%以內(nèi)。

對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果展開(kāi)極差分析，結(jié)果如表7所示。由表7中極差R可知，3個(gè)影響PP塑化速率的因素由大至小依次為注射速度、模芯溫度和超聲振幅。

分析表7中k可知，最優(yōu)水平組合為“A3B3C2”，即“60-3-50”組合，與直觀實(shí)驗(yàn)結(jié)果（表6試驗(yàn)號(hào)第9 組）顯示的一致。在超聲振幅為60 μm，注射速度為3 mm/s，模芯溫度為50 ℃時(shí)，塑化速率最大。根據(jù)各因素對(duì)應(yīng)不同水平的指標(biāo)均值ki表達(dá)各因素水平對(duì)PP 塑化速率的影響趨勢(shì)，結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，最優(yōu)水平組合為“A3B3C2”，由此確定各因素水平取值對(duì)塑化速率的影響程度。為進(jìn)一步驗(yàn)證該條件下實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性及可重復(fù)性，在該條件下重復(fù)5組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)所得樣品質(zhì)量及塑化速率如表8所示（超聲時(shí)長(zhǎng)之差為0.9 s）。

表6 超聲塑化速率正交試驗(yàn)結(jié)果Table 6 Orthogonal test results of ultrasonic plasticization rate

表7 超聲塑化速率極差分析表Table 7 Range analysis table of ultrasonic plasticizing rate

表8 “60-3-50”組合驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)Table 8 "60-3-50"verification experiment

結(jié)果顯示，在該工藝參數(shù)組合下，PP 的平均塑化速率達(dá)236.22 mg/s（比其他工藝參數(shù)組合的大），標(biāo)準(zhǔn)偏差為7.762 mg/s。

2.3 工藝參數(shù)對(duì)超聲塑化速率的影響

1）注射速度是影響PP 塑化速率最顯著的因素。當(dāng)注射速度小于1.8 mm/s 時(shí)，樣品出現(xiàn)降解發(fā)黑、溢料等現(xiàn)象，推測(cè)是由于在低速注射下聚合物顆粒供給過(guò)慢，已完成塑化的熔體沒(méi)有及時(shí)完成充填，較長(zhǎng)時(shí)間地滯留在塑化腔內(nèi)，在超聲作用、聚合物顆粒間擠壓、剪切等共同作用下出現(xiàn)“過(guò)度塑化”的現(xiàn)象，宏觀表現(xiàn)為降解、發(fā)黑等現(xiàn)象。另外，持續(xù)的超聲作用也使得聚丙烯的黏度呈下降趨勢(shì)[12]，熔體流動(dòng)性隨之增強(qiáng)。因此，工具頭及注射活塞環(huán)狀間隙的流動(dòng)阻力減小，進(jìn)而導(dǎo)致溢料發(fā)生。當(dāng)注射速度大于3.0 mm/s 時(shí)，由于聚合物顆粒接觸工具頭速率過(guò)高，熔體生成速率無(wú)法匹配聚合物顆粒供給速率，導(dǎo)致不斷有聚合物顆粒擠壓工具頭端面，工具頭負(fù)載峰值與超聲功率峰值偏大，塑化過(guò)程表現(xiàn)出異常。

圖7所示為各因素水平對(duì)指標(biāo)均值k的影響趨勢(shì)。由圖7可知：在合理的注射速度范圍內(nèi)，注射速度的提升對(duì)“邊塑化邊注射”模式下的超聲塑化速率有積極影響。當(dāng)注射速度從1.8 mm/s 增至3.0 mm/s 時(shí)，k提升約81.4%，該注射速度范圍在對(duì)應(yīng)超聲作用的塑化能力范圍之內(nèi)，提升注射速度既增大了聚合物顆粒供給速率，也加快了熔體在型腔內(nèi)的充填過(guò)程，降低了提前固化的風(fēng)險(xiǎn)，這在熔點(diǎn)較高的材料中表現(xiàn)得更為明顯。由于塑化與充填都加快，塑化速率顯著提高。另外，功率密度是影響超聲塑化過(guò)程的直接因素，對(duì)聚合物的超聲塑化程度及塑化速率具有顯著影響。在某些超聲波降解領(lǐng)域，相較于能量強(qiáng)度，能量密度更值得關(guān)注，因?yàn)樗苯臃从沉四芰亢纳⑶闆r。超聲波通過(guò)工具頭振動(dòng)輸出的功率密度不僅決定了聚合物的塑化效率，而且在一定程度上反映了超聲能量利用效率。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，提升注射速度加快了熔體充填進(jìn)入型腔，也增大了未塑化顆粒接觸工具頭端面的速率及壓力，平均超聲功率從200～400 W提升至600～800 W，塑化速率也隨之大幅提升。

圖7 各因素水平對(duì)指標(biāo)均值k的影響趨勢(shì)Fig.7 Influencing trend of each factor level on k

2）模芯溫度對(duì)聚合物熔體在型腔中的充填情況也存在一定影響。對(duì)聚合物顆粒來(lái)說(shuō)，熔融塑化速率在很大程度上取決于熱量的來(lái)源及其大小。曾廣勝等[13]發(fā)現(xiàn)振動(dòng)場(chǎng)的引入可以增加黏性耗散熱（增加材料熔融塑化的熱量來(lái)源），從而提高熔融速率。與之相反，在超聲塑化過(guò)程中，高頻超聲振動(dòng)作用下聚合物相互摩擦、擠壓產(chǎn)生的大量熱成為主要“熱源”。YANG 等[14]引入超聲振動(dòng)維持熔體前沿溫度來(lái)防止提前固化，因此，超聲塑化在常溫甚至低溫下也完全可以實(shí)現(xiàn)，但通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，熔體所處的型腔溫度也對(duì)塑化過(guò)程產(chǎn)生了一定影響：在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中將模芯溫度從25 ℃提升至50 ℃，k提升約26.8%，繼續(xù)升高溫度至75 ℃，k下降，這說(shuō)明模芯溫度對(duì)塑化速率也具有一定調(diào)控作用。由于模芯溫度低于熔體溫度，當(dāng)聚合物熔體在模芯流道中流動(dòng)時(shí)，熔體的能量向模芯傳遞，從而導(dǎo)致熔體溫度降低，流動(dòng)性下降。提高模芯溫度可以有效減緩熔體能量喪失，在一定程度上可維持熔體前沿溫度，改善充填情況。因此，一定程度的模芯加熱可以減小后續(xù)熔體的充填阻力，提高熔體的整體充填長(zhǎng)度，從而提升塑化速率。而當(dāng)模芯溫度繼續(xù)升高時(shí)，金屬模具與塑化腔之間的導(dǎo)熱會(huì)導(dǎo)致設(shè)備整體溫度升高，聚合物熔體流動(dòng)性在原基礎(chǔ)上進(jìn)一步增強(qiáng)，工具頭及注射活塞周?chē)囊缌犀F(xiàn)象也逐漸加劇，導(dǎo)致收集的有效熔體質(zhì)量減小。同時(shí)，與之對(duì)應(yīng)的短射實(shí)驗(yàn)中由于型腔收集熔體量較少，型腔內(nèi)充填阻力極小，所以，料筒處溢料現(xiàn)象不明顯，導(dǎo)致型腔的熔體收集率反而較高。對(duì)比之下，2個(gè)實(shí)驗(yàn)中型腔收集的熔體質(zhì)量之差偏小，因此，表現(xiàn)出塑化速率“不升反降”的現(xiàn)象。

為進(jìn)一步提升塑化速率，需要進(jìn)行因素實(shí)驗(yàn)，研究模芯溫度對(duì)聚合物塑化速率影響，找到最佳模芯溫度，或者減小工具頭及注射活塞與料筒之間環(huán)狀配合間隙來(lái)減少溢料現(xiàn)象，提升塑化速率檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3）除了直接影響聚合物顆粒塑化、注射過(guò)程外，超聲振幅增大對(duì)塑化速率提升也存在促進(jìn)作用，當(dāng)超聲振幅從48 μm 增大到60 μm 時(shí)，k提升約20.2%。聚合物是大分子鏈段結(jié)構(gòu)，超聲振動(dòng)力場(chǎng)的引入使得聚合物高分子鏈段之間、鏈段內(nèi)部的摩擦、剪切及擠壓作用加劇，改變振幅甚至可以直接影響聚合物相對(duì)分子質(zhì)量及其分布[15]，在宏觀上則表現(xiàn)為促進(jìn)了聚合物的熔融塑化的過(guò)程。增大超聲振幅相當(dāng)于促進(jìn)了這種作用：超聲振幅越大，對(duì)聚合物分子鏈段結(jié)構(gòu)造成的影響越劇烈，聚合物顆粒在該作用下的塑化速率也就越快。充填方面，增大超聲振幅也提升了熔體充填速率。蔣炳炎等[16]認(rèn)為，聚合物熔體在大振幅超聲作用下持續(xù)劇烈振動(dòng)，分子鏈運(yùn)動(dòng)活性增加，且分子鏈取向逐漸與流動(dòng)方向相一致，熔體的黏度降低，流動(dòng)性能加強(qiáng)。熔體流動(dòng)性增強(qiáng)導(dǎo)致充填過(guò)程阻力減小，熔體較快速地完成充填，宏觀上表現(xiàn)為塑化速率提升。DORF 等[17]在進(jìn)行PEEK 的超聲塑化實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，增大振幅時(shí)，注射速度也需增加，從而減少超聲作用時(shí)間，對(duì)提高制品機(jī)械性能有積極影響。因此，加大振幅并提高注射速度，可在維持甚至提高機(jī)械性能的情況下減少超聲作用時(shí)間，提高整體塑化速率。

3 結(jié)論

1）采用自主搭建的超聲塑化微注射實(shí)驗(yàn)平臺(tái)測(cè)試聚合物超聲塑化速率具有一定可行性。

2）超聲塑化工藝參數(shù)組合的變化對(duì)PP 的塑化速率有顯著影響，最優(yōu)水平組合如下：超聲振幅為60 μm，注射速度為3 mm/s，模芯溫度為50 ℃，本在此驗(yàn)條件下的最大塑化速率為（232±5）mg/s。

3）增大超聲振幅、提高注射速度、適度加熱模芯均能提升塑化速率，影響程度由大至小依次為注射速度、模芯溫度、超聲振幅。

4）升高模芯溫度對(duì)提升熔體流動(dòng)性具有一定促進(jìn)作用，但加速熔體充填的同時(shí)也會(huì)加劇溢料現(xiàn)象，應(yīng)優(yōu)化工具頭、注射活塞與料筒之間環(huán)形間隙的配合來(lái)降低溢料的程度，提升超聲塑化速率檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。