一种用于注塑成型的微观壁面滑移模型建立方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及注塑成型，特别是涉及一种用于注塑成型的微观壁面滑移模型建立方 法。
【背景技术】
[0002] 微注塑成型的零件特征尺寸已达到微米级。受微尺寸效应的影响，粗糙度、湿润度 等微观因素对填充行为的影响程度相应变大。当聚合物熔体在零件壁面所承受的剪切应力 大于某一临界值时，聚合物熔体将沿着壁面滑移。现有微观壁面滑移模型主要有以下四种： 第一种是一般用于宏观变形的基于缠结-解缠机理的广义Navier壁面滑移模型，未考虑微 注塑零件尺寸细小引起的尺寸效应；第二种是基于熔体滑移速度和壁面剪切应力关系的壁 面滑移模型；第三种是在第二种的基础上建立的考虑临界壁面剪切应力的壁面滑移模型， 第二、三种都是假设聚合物熔体黏度大小不变的情况下，也未考虑微注塑零件尺寸大小，然 而受到微尺寸效应的影响，聚合物熔体黏度大小是随着零件特征尺寸的减小而减小的；第 四种是基于微尺度效应对聚合物熔体壁面滑移影响的微观壁面滑移模型，也没有考虑微注 塑成型的零件特征尺寸大小。上述四种微观壁面滑移模型的压力差模拟误差值和填充率模 拟误差值比较大，不能精确模拟聚合物材料流动特性的数值。
【发明内容】
[0003] 本发明所要解决的技术问题是弥补上述现有技术的缺陷，提供一种用于注塑成型 的微观壁面滑移模型建立方法。
[0004] 本发明的技术问题通过以下技术方案予以解决。
[0005] 这种用于注塑成型的微观壁面滑移模型建立方法，基于宏观黏度模型、分子链段 长度和微型零件特征尺寸，确定毛细管流变实验方案，获得一组微型零件注塑实际壁面滑 移速度V s，且宏观壁面滑移模型的关系式如下：
[0006] Vs= α τ wm (I)
[0007] 公式（1)中：
[0008] vs:实际壁面滑移速度，单位m/s ;
[0009] α :滑移系数；
[0010] τη:剪切应力，单位MPa ;
[0011] m :幂律指数。
[0012] 这种用于注塑成型的微观壁面滑移模型建立方法的特点是：
[0013] 依次有以下步骤：
[0014] 1)引入微观修正因子Φ对宏观黏度模型进行修正，
[0016] 公式⑵中：
[0017] Φ :微观修正因子；
[0018] n 。:微型零件注塑宏观黏度值；
[0019] n 。:微型零件注塑实际黏度值；
[0021] 公式（3)中：
[0022] Φ :微观修正因子；
[0023] η。:零剪切黏度，单位MPa. s ;
[0024] γ :剪切速率，即聚合物熔体流动速度相对微流道半径的变化速率，单位S S
[0025] η:非牛顿指数；
[0026] τ $ :剪切变稀行为开始时的剪切应力，单位MPa ;
[0027] 在对应同等参数条件下基于宏观黏度模型，即可推出一组微观修正因子值；
[0028] 2)考虑高分子流动是通过链段的相继跃迀实现的，将反映高分子流动特征的分子 链段长度^和作为微结构的最小宏观尺寸的微型零件特征尺寸d的比值设为微观影响因
[0029] 3)建立微观修正因子Φ与微观影响因子^之间的关系式，并利用最小二乘法拟 Cl 合出其参数值，即：
[0031] 公式⑷中：
[0032] Φ :微观修正因子；
[0033] T :聚合物熔体初始温度，单位K ;
[0034] k :模型系数；
[0035] 4)将微观修正因子Φ与微观影响因子^之间的关系式（4)代入宏观壁面滑移模 a 型关系式（1)，获得反映黏度变化和零件特征尺寸的微观壁面滑移模型关系式（5)如下：
[0037] 公式（5)中：
[0038] vs:实际壁面滑移速度，单位m/s ;
[0039] α :滑移系数；
[0040] τ η:剪切应力，单位MPa ;
[0041] m :幂律指数；
[0042] Ie:分子链段长度，单位nm ;
[0043] d :微型零件特征尺寸，单位μπι ;
[0044] 确定毛细管流变实验方案，在不同的剪切速率或注射压力条件下，获得一组微型 零件注塑实际壁面滑移速度 Vs，拟合出微观壁面滑移模型的参数，所述微观壁面滑移模型 的参数，包括滑移系数α、幂律指数m和模型系数k。
[0045] 所述剪切速率是聚合物熔体流动速度相对微流道半径的变化速率，单位s、
[0046] 所述注射压力是在微注塑时将聚合物熔体注射进入微型流道所需的压力，单位 MPa0
[0047] 本发明的技术问题通过以下进一步的技术方案予以解决。
[0048] 所述宏观黏度模型是Cross宏观黏度模型，其关系式如下：
[0050] 公式（6)中：
[0051] η :剪切黏度，单位MPa. s ;
[0052] η。:零剪切黏度，单位MPa. s ;
[0053] γ:剪切速率，单位s S
[0054] η:非牛顿指数；
[0055] τ $:剪切变稀行为开始时的剪切应力，单位MPa。
[0056] 所述步骤1)的微观修正因子Φ〈1，由于微观流动中聚合物材料黏度值比宏观黏 度值小，基于Cross宏观黏度模型的黏度模拟值比实际微观流动黏度值大。
[0057] 所述步骤3)建立的微观修正因子Φ与微观影响因子I之间的关系式，是指数函 d 数关系。
[0058] 所述步骤4)的微观壁面滑移模型建立方法中，聚合物熔体与壁面有相对运动，其 速度为壁面滑移速度。
[0059] 所述壁面滑移速度与聚合物熔体实际黏度值有关。因为聚合物熔体黏度值变小， 更有利于熔体流动，则所述壁面滑移速度增大。
[0060] 所述壁面滑移速度与微型零件特征尺寸有关。因为微型零件特征尺寸变小，则微 流道尺寸变小，注射压力变大，熔体分子间的剪切作用增大，导致分子间相互作用力减弱， 使聚合物熔体黏度下降，更有利于熔体流动，则所述壁面滑移速度增大。
[0061] 本发明的技术问题通过以下再进一步的技术方案予以解决。
[0062] 基于建立的微观壁面滑移模型进行有限元模拟计算，依据聚合物材料属性，在不 同剪切速率条件下微注塑有限元数值模拟时得到的微流道入口和出口的压力之差，即是微 注塑压力差模拟值；相应进行毛细管流变实验时得到的微流道入口和出口的压力之差，即 是微注塑压力差实验值。
[0063] 基于建立的微观壁面滑移模型进行有限元模拟计算，依据聚合物材料属性，在不 同注射压力条件下微注塑有限元数值模拟时的聚合物熔体填充微流道长度与微流道总长 度之百分比，即是微注塑填充率模拟值；相应进行毛细管流变实验时得到的聚合物熔体填 充毛细管长度与毛细管总长度之百分比，即是微注塑填充率实验值，有限元数值模拟时的 所述微流道总长度与相应进行毛细管流变实验时的所述毛细管总长度相等。
[0064] 本发明与现有技术相比的有益效果是：
[0065] 本发明的微观壁面滑移模型建立方法，考虑影响壁面滑移的微观黏度变化和微型 零件特征尺寸因素，显著提高对聚合物熔体流动特性预测的准确性。
【附图说明】
[0066] 图1是本发明【具体实施方式】一在不同剪切速率下对零件特征尺寸直径350 μπι的 微型圆柱件进行微注塑有限元数值模拟得到的微注塑压力差模拟值与毛细管流变实验得 到的实验值的对比曲线图；
[0067] 图2是本发明【具体实施方式】一在不同剪切速率下对零件特征尺寸直径500 μπι的 微型圆柱件进行微注塑有限元数值模拟得到的微注塑压力差模拟值与毛细管流变实验得 到的实验值的对比曲线图；
[0068] 图3是本发明【具体实施方式】二在不同注射压力下对零件特征尺寸直径200 μπι的 微型圆柱件进行微注塑有限元数值模拟得到的微注塑填充率模拟值与毛细管流变实验得 到的实验值的对比曲线图；
[0069] 图4是本发明【具体实施方式】二在不同注射压力下对零件特征尺寸直径300 μπι的 微型圆柱件进行微注塑有限元数值模拟得到的微注塑填充率模拟值与毛细管流变实验得 到的实验值的对比曲线图。
【具体实施方式】
[0070] 下面结合【具体实施方式】并对照附图对本发明进行说明。
【具体实施方式】 [0071] 一
[0072] -种用于注塑成型的微观壁面滑移模型建立方法，基于聚苯乙烯（Polystyrene， 缩略词PS)材料建立的分子链段长度和零件特征尺寸微观壁面滑移模型，步骤如下：
[0073] 1)基于宏观黏度模型，引入微观修正因子Φ ;
[0074] 确定毛细管流变实验方案，在剪切速率分别为1700、2200、2900、3700、4900、 6300、830081下进行注塑实验，测得微型零件注塑实际黏度值11"11_;然后对应同等参数 条件下基于Cross宏观黏度模型，模拟出一组微型零件注塑宏观黏度值ri_ra，其中τι。= 2992. 498Pa · s，τ *= 27360Pa，η = 0. 24 ;依据微型零件注塑实际黏度值n 。与微型零 件注塑宏观黏度值的关系式，即可推出一组微观修正因子Φ值；
[0075] 2)基于分子链段长度和微型零件特征尺寸，确定微观影响因子#; 4 〇 ?)〇2
[0076] 依据实际材料，PS材料分子链段长度为2. Onm，故微观影响因子为一7- _ ' 5
[0077] 3)对应聚合物材料的分子链段长度和微型零件特征尺寸，建立微观修正因子与微 观影响因子之间关系式；
[0078] 依据实际问题，通过差示扫描量热法测得PS材料玻璃化转化温度91. 07°C，PS材 料比定压热熔2100X/(kg. K)，导热系数0. 18W(m. k)，密度927. 7kg/m3,微注塑初始温度 230 0C ；
[0079] 确定微观修正因子Φ值和微观影响因子4值二者之间的关系式为指数函数关系 式，即：
[0081] 其中，T为聚合物熔体初始温度，单位K ;k为模型系数；
[0082] 利用最小二乘法拟合出上述指数函数关系式中模型系数k = 30. 4,则建立的微观 修正因子Φ与微观影响因子1之间关系式如下： Cl
[0084] 4)基于微观修正因子，建立反映黏度变化和零件特征尺寸的微观壁面滑移模型， 在剪切速率分别为1700、2200、2900、3700、4900、6300、8300s 1下进行毛细管流变实验，测 得微注塑实际壁面滑移速度V