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摘要：本文通过探讨了熔体在注塑过程中发生不稳定流动的原因和主要影响因素，从注塑工艺和模具两方面出发，为不稳定流动提供改善方案。
关键词： 流变学 不稳定流动 粘弹性 注塑工艺 模具
The solutions of instability flow in injection
Huang Mingyu，Yang Hui，Yang Bo，Wang Dazhong
（Research and Development Center，National Engineering Laboratory for Plastic Modification and Processing, Kingfa Science and Technology Co., Ltd., Guangzhou 510520，China）
Abstract:the instability flow is the common injection defect in large parts which is caused by viscoelasticity. This paper reveals the roots and main factors from rheology and supplies the improvement proposals for injection molding process and mold.
Key words:rheology; instability flow; viscoelasticity; injection molding process; mold
一、 前言
随着工业的发展，工业对塑料的要求越来越高，一般的材料已经无法满足客户的要求，改性材料的在塑料工业中的地位越来越重。相当于原材料来说，改性材料中添加了助剂、填料等添加剂，体系比较复杂，必然会表现出不同于原材料的流动行为，本文通过分析造成多相体系熔体流动不稳定的原因，同时从模具和注塑工艺上提供解决方案。
二、熔体不稳定流动的原因分析
流变学是一门研究流动和变形的学科。挤出胀大、爬杆效应等流变现象已经表明：聚合物熔体除了具备粘性特征外，还同时具有弹性特征属于粘弹流体。粘弹流体在流动过程中包含有不可逆形变（粘性流动）和可逆形变（弹性回复）两种成分[1]。这种特殊的性质给聚合物的成型带来了许多不便。由于流动中得拉伸力，使聚合物分子产生弹性变形，这种弹性变形不能很快恢复，有一定的滞后时间。弹性形变恢复时会产生弹性行为。这种弹性行为对聚合物的加工与成型有巨大的影响，但最主要的弹性行为就是不稳定流动。所谓的不稳定流动，并非是流体在各部位的速度以及物流状态都不相同，而是指在任何一定部位速度及流动状态随时间变化而变化。
在挤出成型过程或毛细管流变仪测量中，当熔体挤出剪切应力超过某一个临界剪切应力后，挤出物表面开始出现畸变，出现流动不稳定现象。挤出的不稳定流动已经作为一种经典的奇异流变现象被众多的学者所研究[1]。挤出时，熔体出口模后不受约束，一旦出现流动不稳定行为，易于观察；而注塑时，熔体流动受模具型腔的限制，难以观察到流动状态的不稳定现象，所以文献中关于不稳定流动的研究主要集中在挤出领域，而在注塑领域的研究较少。
高聚物熔体受力被挤入较细的管道或模孔后，由于剪切应力的作用不仅使高分子链发生相对位移，而且使链段沿流动方向取向，同时主链的链长和键角也沿着流动方向伸展，即熔体不仅发生塑性流动，而且产生高弹及普弹形变[2]。在低剪切应力或低剪切速率的流动条件下，弹性形变较小，各种因素引起的小扰动容易受到控制，而在高剪切应力或剪切速率时，弹性形变增大，当弹性形变的储能达到或超过粘滞阻力的流动能量时，造成熔体沿模壁滑移，熔体突然增速，同时释放出能量然后再次与模壁粘着，从而再集中能量，再发生滑移[3][4]。这种过程周而复始，熔体在模具表面发生“时滑时粘”的压力或速度震荡，导致产品表面出现有规律的缺陷，离开浇口一段距离后在产品表面出现垂直流动方向、明暗交替的条纹[3]。这种缺陷与常规的“喷射”在机理和表现上都有明显的区别，由于其特征与虎皮相似常被称为“虎皮纹”。
图1 熔体在模具内不稳定流动示意图
Fig1 instability flow in mold
一般具有海-岛形态结构的共混体系都有黏度减小、弹性增大的性质变化，所以共混改性材料的弹性往往会更强。，更容易出现不稳定流动。添加了弹性体的材料如HIPS、汽车PP等，弹性行为最为明显。
三、熔体不稳定流动的解决方案
聚合物熔体流动不稳定的主要因素是聚合物熔体具备弹性。在弹性形变达到平衡之前，形变由大到小变化，呈非稳态流动；弹性形变达到平衡后，就只有粘性形变，进入稳定流动。
只有对聚合物熔体的弹性特性有充分的了解，才能找到解决方案。聚合物粘弹性的特点：
1、应力松弛。在恒温下保持一定的恒定应变时，材料的应力随时间而逐渐减小的力学现象。
2、滞后现象。粘弹材料的力学响应介于弹性与粘性之间，应变落后于应力一个相位角。
从上述内容可知，与聚合物弹性行为有关的因素分别为：应力、时间、温度、浇口尺寸。下面就从注塑工艺、模具两个个方面探讨如何利用弹性行为的主要影响因素解决熔体不稳定流动缺陷。
（1）工艺因素
熔体流动不稳定的根本原因是熔体积蓄的弹性能过高，故增加熔体温度、提高背压可降低熔体黏度、缩短松弛时间，有助于减少熔体在流动过程中积蓄的弹性能。通过降低黏度可降低经过浇口的剪切应力，从而降低弹性形变。而且温度高，链段运动受到内摩擦力小，松弛时间变短。图2是不同加工温度下软质PVC的产品外观，加工温度160℃时产品表面出现典型流动不稳定缺陷，表面呈波浪状；当加工温度达到180℃后流动平稳，产品表面光滑。对于软质PVC、TPE等软胶材料，增加熔体温度最为有效。
(a) 加工温度160℃
(a)barrel temperature 160℃
(b) 加工温度180℃
(b)barrel temperature 180℃
图2 不同加工温度对产品外观的影响
Fig2 appearances in different barrel temperature
增加模具温度是从另一个角度来改善虎皮纹。提高模温，一方面可以让熔体前沿保持较高的温度，减小流动过程中剪切应力，降低了流动过程积蓄的弹性能；另一方面，聚合物熔体的弹性形变是可回复的并具有一定的滞后性，增加模温可以使熔体保持较高的温度，可以在同样的时间内较快回复弹性形变。对于PP、HIPS等硬胶类材料，在大多数情况下增加模具温度比提高熔体温度更为有效。
（a）模温30℃ (b)模温80℃
(a)mold temperature 30℃ b)mold temperature 80℃
图3 不同模温对产品外观的影响
Fig3 appearances in different mold temperature
降低缺陷位置的注射速度也是一个有效的手段。使用高射速时，熔体经过浇口的剪切应力大，积累的弹性能很强，更容易出现不稳定流动。图4左边使用80%的射速，从产品表面可以看出熔体在模具型腔中跳跃形成波浪状表面；右边使用10%速度进行填充，熔体流动稳定，表面平整。对于硬胶材料而言，降低射速配合增加模温一起使用常常能取得比较好的效果。
图4 射速高、低对外观的影响
Fig4 appearances in different injection speed
（2）模具因素
熔体的剪切应力主要由浇注系统，其设计对是否出现不稳定流动有决定性作用。
模具使用冷流道时，注塑机喷嘴与冰冷的模具接触，导致喷嘴处的熔体温度低、弹性强，容易导致流动不稳定。模具的流道系统特别是主流道上，应开设足够的冷料井，其长度应为流道直径的2倍，用于储藏喷嘴冷料。
在三板模中，需要使用拉料销将流道留在定模上。在设计拉料销时，应避免将拉料销伸入流道中，导致流道变窄、剪切应力增强。
（a）错误的拉料杆设计 （b）正确的拉料杆设计
(a)incorrect sprue lock pin design (b)correct sprue lock pin design
图5 拉料杆的设计
Fig5 sprue lock pin design
增大尺寸流道和浇口可以有效的降低流动中的所需注射压力，减小弹性储能。流道的设计应以增大有效直径为目标，尽量使用截面为圆形或U形的流道，避免使用半圆形和扁平流道。同时流道上应抛光并使用圆滑过渡，避免出现尖角、直角强剪切设计。
(a) 错误的流道设计
(a)incorrect runner design
(b) 正确的流道设计
(b)correct runner design
图6 常见流道设计
Fig6 runner design
浇口也应该选择剪切较弱的直通式大水口、侧浇口或扇形浇口：——（1）
矩形浇口：——（2）
圆形浇口：——（3）
σ——剪切应力
——剪切速率
n——幂率指数
Q——浇口流量
W——矩形浇口的宽度
H——矩形浇口的高度
R——圆形浇口的半径
由公式（1）可知剪切速率对剪切应力有正相关的关系。由公式（2）可知，矩形浇口，浇口厚度的平方与剪切速率成反比关系，因此浇口越厚越好，一般为制件厚度的80%~90%，既能有效的降低剪切应力又便于去水口。由公式（3）可知，圆形浇口半径R的立方与剪切应力成反比，增大浇口半径可以快速有效的减少流动过程中的剪切应力。
当必须选用针点浇口时，浇口尺寸除了尽量大一些外，还需要在浇口对面增加冷料坑降低浇口剪切。
图7 冷料坑设计
Fig7 cold slug for pin-point gate
另外，浇口位置设置不当、制件流程过长，也会因为剪切应力过大而导致流动不稳定，这就需要在开发前期通过模流分析确定合适的浇口位置。
四、总结
熔体流动不稳定现象是一种在大型制件中比较常见的注塑缺陷，只有了解不稳定流动的本质，才能提出合理的改善方案。结合理论，通过对料温、模温、流道设计、浇口尺寸进行调整可以有效的解决不稳定流动，改善注塑产品的外观质量。
参考文献：
[1]吴其晔，巫静安.高分子材料流变学[M].北京：高等教育出版社，2010年10月1日，302~326
[2]Koki Hirano; Yoshiyuki Suetsugu; Toshitaka Kanai.Morphological. analysis of the tiger stripe on injection molding of polypropylene/ethylene-propylene rubber/talc blends dependent on based polypropylene design[J]. J. Appl Polym Sci., 104:192~199, 2007
[3]Bhaskar Patham, Paul Papworth, Krishnamurthy Jayaraman, Chichang Shu, Michael D. Wolkowicz. Flow marks in injection molding of polypropylene and ethylene–propylene elastomer blends: Analysis of morphology and rheology[J]. J. Appl Polym Sci., 96: 423~434, 2005
[4]Bulters, M. and Schepens, A.(2000),”the origin of the surface defect ’slip-stick’ on injection moulded products”, Proc. 16th Annual Meeting Polymer Processing Society, shanghai ,china
[4]张甲敏，乔月纯，杨胜凯。注塑制品流痕的形成原因及解决方法[J].《工程塑料应用》2006年第10期，35~37
关键词： 流变学 不稳定流动 粘弹性 注塑工艺 模具
The solutions of instability flow in injection
Huang Mingyu，Yang Hui，Yang Bo，Wang Dazhong
（Research and Development Center，National Engineering Laboratory for Plastic Modification and Processing, Kingfa Science and Technology Co., Ltd., Guangzhou 510520，China）
Abstract:the instability flow is the common injection defect in large parts which is caused by viscoelasticity. This paper reveals the roots and main factors from rheology and supplies the improvement proposals for injection molding process and mold.
Key words:rheology; instability flow; viscoelasticity; injection molding process; mold
一、 前言
随着工业的发展，工业对塑料的要求越来越高，一般的材料已经无法满足客户的要求，改性材料的在塑料工业中的地位越来越重。相当于原材料来说，改性材料中添加了助剂、填料等添加剂，体系比较复杂，必然会表现出不同于原材料的流动行为，本文通过分析造成多相体系熔体流动不稳定的原因，同时从模具和注塑工艺上提供解决方案。
二、熔体不稳定流动的原因分析
流变学是一门研究流动和变形的学科。挤出胀大、爬杆效应等流变现象已经表明：聚合物熔体除了具备粘性特征外，还同时具有弹性特征属于粘弹流体。粘弹流体在流动过程中包含有不可逆形变（粘性流动）和可逆形变（弹性回复）两种成分[1]。这种特殊的性质给聚合物的成型带来了许多不便。由于流动中得拉伸力，使聚合物分子产生弹性变形，这种弹性变形不能很快恢复，有一定的滞后时间。弹性形变恢复时会产生弹性行为。这种弹性行为对聚合物的加工与成型有巨大的影响，但最主要的弹性行为就是不稳定流动。所谓的不稳定流动，并非是流体在各部位的速度以及物流状态都不相同，而是指在任何一定部位速度及流动状态随时间变化而变化。
在挤出成型过程或毛细管流变仪测量中，当熔体挤出剪切应力超过某一个临界剪切应力后，挤出物表面开始出现畸变，出现流动不稳定现象。挤出的不稳定流动已经作为一种经典的奇异流变现象被众多的学者所研究[1]。挤出时，熔体出口模后不受约束，一旦出现流动不稳定行为，易于观察；而注塑时，熔体流动受模具型腔的限制，难以观察到流动状态的不稳定现象，所以文献中关于不稳定流动的研究主要集中在挤出领域，而在注塑领域的研究较少。
高聚物熔体受力被挤入较细的管道或模孔后，由于剪切应力的作用不仅使高分子链发生相对位移，而且使链段沿流动方向取向，同时主链的链长和键角也沿着流动方向伸展，即熔体不仅发生塑性流动，而且产生高弹及普弹形变[2]。在低剪切应力或低剪切速率的流动条件下，弹性形变较小，各种因素引起的小扰动容易受到控制，而在高剪切应力或剪切速率时，弹性形变增大，当弹性形变的储能达到或超过粘滞阻力的流动能量时，造成熔体沿模壁滑移，熔体突然增速，同时释放出能量然后再次与模壁粘着，从而再集中能量，再发生滑移[3][4]。这种过程周而复始，熔体在模具表面发生“时滑时粘”的压力或速度震荡，导致产品表面出现有规律的缺陷，离开浇口一段距离后在产品表面出现垂直流动方向、明暗交替的条纹[3]。这种缺陷与常规的“喷射”在机理和表现上都有明显的区别，由于其特征与虎皮相似常被称为“虎皮纹”。
图1 熔体在模具内不稳定流动示意图
Fig1 instability flow in mold
一般具有海-岛形态结构的共混体系都有黏度减小、弹性增大的性质变化，所以共混改性材料的弹性往往会更强。，更容易出现不稳定流动。添加了弹性体的材料如HIPS、汽车PP等，弹性行为最为明显。
三、熔体不稳定流动的解决方案
聚合物熔体流动不稳定的主要因素是聚合物熔体具备弹性。在弹性形变达到平衡之前，形变由大到小变化，呈非稳态流动；弹性形变达到平衡后，就只有粘性形变，进入稳定流动。
只有对聚合物熔体的弹性特性有充分的了解，才能找到解决方案。聚合物粘弹性的特点：
1、应力松弛。在恒温下保持一定的恒定应变时，材料的应力随时间而逐渐减小的力学现象。
2、滞后现象。粘弹材料的力学响应介于弹性与粘性之间，应变落后于应力一个相位角。
从上述内容可知，与聚合物弹性行为有关的因素分别为：应力、时间、温度、浇口尺寸。下面就从注塑工艺、模具两个个方面探讨如何利用弹性行为的主要影响因素解决熔体不稳定流动缺陷。
（1）工艺因素
熔体流动不稳定的根本原因是熔体积蓄的弹性能过高，故增加熔体温度、提高背压可降低熔体黏度、缩短松弛时间，有助于减少熔体在流动过程中积蓄的弹性能。通过降低黏度可降低经过浇口的剪切应力，从而降低弹性形变。而且温度高，链段运动受到内摩擦力小，松弛时间变短。图2是不同加工温度下软质PVC的产品外观，加工温度160℃时产品表面出现典型流动不稳定缺陷，表面呈波浪状；当加工温度达到180℃后流动平稳，产品表面光滑。对于软质PVC、TPE等软胶材料，增加熔体温度最为有效。
(a) 加工温度160℃
(a)barrel temperature 160℃
(b) 加工温度180℃
(b)barrel temperature 180℃
图2 不同加工温度对产品外观的影响
Fig2 appearances in different barrel temperature
增加模具温度是从另一个角度来改善虎皮纹。提高模温，一方面可以让熔体前沿保持较高的温度，减小流动过程中剪切应力，降低了流动过程积蓄的弹性能；另一方面，聚合物熔体的弹性形变是可回复的并具有一定的滞后性，增加模温可以使熔体保持较高的温度，可以在同样的时间内较快回复弹性形变。对于PP、HIPS等硬胶类材料，在大多数情况下增加模具温度比提高熔体温度更为有效。
（a）模温30℃ (b)模温80℃
(a)mold temperature 30℃ b)mold temperature 80℃
图3 不同模温对产品外观的影响
Fig3 appearances in different mold temperature
降低缺陷位置的注射速度也是一个有效的手段。使用高射速时，熔体经过浇口的剪切应力大，积累的弹性能很强，更容易出现不稳定流动。图4左边使用80%的射速，从产品表面可以看出熔体在模具型腔中跳跃形成波浪状表面；右边使用10%速度进行填充，熔体流动稳定，表面平整。对于硬胶材料而言，降低射速配合增加模温一起使用常常能取得比较好的效果。
图4 射速高、低对外观的影响
Fig4 appearances in different injection speed
（2）模具因素
熔体的剪切应力主要由浇注系统，其设计对是否出现不稳定流动有决定性作用。
模具使用冷流道时，注塑机喷嘴与冰冷的模具接触，导致喷嘴处的熔体温度低、弹性强，容易导致流动不稳定。模具的流道系统特别是主流道上，应开设足够的冷料井，其长度应为流道直径的2倍，用于储藏喷嘴冷料。
在三板模中，需要使用拉料销将流道留在定模上。在设计拉料销时，应避免将拉料销伸入流道中，导致流道变窄、剪切应力增强。
（a）错误的拉料杆设计 （b）正确的拉料杆设计
(a)incorrect sprue lock pin design (b)correct sprue lock pin design
图5 拉料杆的设计
Fig5 sprue lock pin design
增大尺寸流道和浇口可以有效的降低流动中的所需注射压力，减小弹性储能。流道的设计应以增大有效直径为目标，尽量使用截面为圆形或U形的流道，避免使用半圆形和扁平流道。同时流道上应抛光并使用圆滑过渡，避免出现尖角、直角强剪切设计。
(a) 错误的流道设计
(a)incorrect runner design
(b) 正确的流道设计
(b)correct runner design
图6 常见流道设计
Fig6 runner design
浇口也应该选择剪切较弱的直通式大水口、侧浇口或扇形浇口：——（1）
矩形浇口：——（2）
圆形浇口：——（3）
σ——剪切应力
——剪切速率
n——幂率指数
Q——浇口流量
W——矩形浇口的宽度
H——矩形浇口的高度
R——圆形浇口的半径
由公式（1）可知剪切速率对剪切应力有正相关的关系。由公式（2）可知，矩形浇口，浇口厚度的平方与剪切速率成反比关系，因此浇口越厚越好，一般为制件厚度的80%~90%，既能有效的降低剪切应力又便于去水口。由公式（3）可知，圆形浇口半径R的立方与剪切应力成反比，增大浇口半径可以快速有效的减少流动过程中的剪切应力。
当必须选用针点浇口时，浇口尺寸除了尽量大一些外，还需要在浇口对面增加冷料坑降低浇口剪切。
图7 冷料坑设计
Fig7 cold slug for pin-point gate
另外，浇口位置设置不当、制件流程过长，也会因为剪切应力过大而导致流动不稳定，这就需要在开发前期通过模流分析确定合适的浇口位置。
四、总结
熔体流动不稳定现象是一种在大型制件中比较常见的注塑缺陷，只有了解不稳定流动的本质，才能提出合理的改善方案。结合理论，通过对料温、模温、流道设计、浇口尺寸进行调整可以有效的解决不稳定流动，改善注塑产品的外观质量。
参考文献：
[1]吴其晔，巫静安.高分子材料流变学[M].北京：高等教育出版社，2010年10月1日，302~326
[2]Koki Hirano; Yoshiyuki Suetsugu; Toshitaka Kanai.Morphological. analysis of the tiger stripe on injection molding of polypropylene/ethylene-propylene rubber/talc blends dependent on based polypropylene design[J]. J. Appl Polym Sci., 104:192~199, 2007
[3]Bhaskar Patham, Paul Papworth, Krishnamurthy Jayaraman, Chichang Shu, Michael D. Wolkowicz. Flow marks in injection molding of polypropylene and ethylene–propylene elastomer blends: Analysis of morphology and rheology[J]. J. Appl Polym Sci., 96: 423~434, 2005
[4]Bulters, M. and Schepens, A.(2000),”the origin of the surface defect ’slip-stick’ on injection moulded products”, Proc. 16th Annual Meeting Polymer Processing Society, shanghai ,china
[4]张甲敏，乔月纯，杨胜凯。注塑制品流痕的形成原因及解决方法[J].《工程塑料应用》2006年第10期，35~37