短纤维增强聚合物水辅助注射成型机理研究

Short-fiber reinforced polymers (SFRP) have been widely used in industrial fields due to their good mechanical properties, easy forming and low costs. Meanwhile, water-assisted injection molding (WAIM) has gotten more and more attention because of its unique advantages in product properties, cycle time and costs. But few research reports have been found about WAIM of SFRP , and thus the knowledge about its forming mechanism is very little. In theoretical and experimental study on WAIM of SFRP ,this project will consider the viscoelastic properties of polymers and turbulence behaviors of water injection, and establish more accurate mathematical models and kinetics models of fiber orientation. It will disclose the influence of the material parameters, processing parameters and injection mold configurations on the field parameters and orientation distribution during the filling stage of WAIM of SFRP. Further analyses on the apparent and internal qualities of the products will be made. Finally, this project will present guiding ideology and principle of optimization about molding process and injection mold design. It can provide theoretical and technical supports for industrial application of WAIM of SFRP.

短纤维增强聚合物由于其良好的机械性能、易加工和费用低廉等特点已在工业领域得到广泛应用。水辅助注射成型技术也因其在制件性能、生产周期和成本等方面的独特优势而越来越受到国内外学者和业界的重视。目前关于短纤维增强聚合物水辅助注射鲜有研究，因此对其成型机理的认知还存在不足。本项目拟通过对短纤维增强聚合物水辅助注射成型的理论和实验研究，考虑聚合物黏弹性以及注水湍流形态的影响，建立更为符合实际的数学模型和纤维取向动力学模型，揭示短纤维增强聚合物的材料参数、成型工艺参数及模具结构对水辅助注射填充过程中各场量和纤维取向分布的影响，进而分析对制件表观和内在质量的影响，最终提出科学且实用的成型工艺制订和模具设计的指导思想和优化原则，为短纤维增强聚合物水辅助注射成型的工业化应用提供理论与技术支持。

本项目主要针对短纤维增强聚合物水辅助注射成型机理开展研究：.（1）确定了水辅助注射成型的基本控制方程和短纤维取向预测模型，开展了水辅助注射成型数值模拟，分析了短纤维取向机理，结合张量方程和层板理论，对短纤维进行了轴向、周向和径向取向定量表征。研究结果表明，高压水充填过程使得靠近水道部位的短纤维进行了二次取向调整，整个残余壁厚中，短纤维以轴向取向为主，周向取向次之，径向取向最弱，其中水道附近短纤维趋于自由取向特征。.（2）采用人工神经网络和遗传算法混合建模方法，建立了主要影响因素与残余壁厚、短纤维取向张量的数学模型，分析了其中非线性影响关系。研究结果表明，熔体温度、注水延迟时间和注水温度对残余壁厚均匀性有重要影响；注水压力、熔体温度和注水温度对短纤维取向度的影响显著，随着注水压力和熔体温度的升高，短纤维取向度降低，随着注水温度的升高，短纤维取向度上升。.（3）为了提高短纤维增强聚合物水辅助注射成型制件的抗压性能，考察了主要工艺参数对短纤维周向取向张量分量的影响，研究结果表明短纤维周向取向张量分量随熔体温度和注水压力的增加而增加，而与注水延迟时间的变化关系则相反。通过对工艺参数的优化，获得最大短纤维周向取向张量分量值为0.23。.针对三种不同流道截面型腔的水穿透行为及流道中间端处短玻纤取向分布进行了研究。研究结果表明：①随着聚合物熔体注射量的减少、聚合物熔体温度的提升、注水压力的增大、注水延迟时间的缩短及短玻纤质量含量的减少，短射法水辅注射成型中三种不同流道截面制品的水穿透长度减短及残余壁厚减薄，溢流法也发生类似变化。②在相同成型工艺参数变化的情形下，圆形流道截面制品水穿透长度最短及残余壁厚最薄，其次是上圆下方形流道截面，最后是方形流道截面，溢流法也发生类似变化。③在相同成型工艺参数变化的情形下，圆形流道截面制品短玻纤沿聚合物熔体流动方向取向度最高，其次是上圆下方形流道截面，最后是方形流道截面。