微观因素对微注塑成型中熔体充模流动的影响

【摘要】微观熔体充模流动涉及的影响因素较多，相互作用关系复杂，主要包括模具和熔体温度、模具的结构因素以及一些微观因素。本文主要介绍熔体的表面张力、惯性力和重力、微观粘度、壁面滑移等微观因素对微注塑成型中熔体充模流动的影响。

【关键词】微注塑成型；溶体流动；微观因素

1.引言

微观熔体充模流动涉及的影响因素较多，相互作用关系复杂，但其区别于宏观充模流动的主要特征是其熔体流动通道与型腔的截面尺寸及充填熔体的量微小，由此引发的充模流动中的许多因素明显与宏观充模过程不同。宏观充模流动中可被忽略的影响因素，在微观条件下可能成为主要因素；而宏观条件下影响熔体流动的主要因素，在微观条件下可能变得并不重要而被忽略。这些可能的因素包括模具和熔体温度、模具的结构因素以及一些微观因素，本文简要介绍熔体的表面张力、重力、惯性力、微观粘度、壁面滑移等微观因素对高聚物熔体微尺度下流动的影响。

2.熔体表面张力

当液体存在与气体的分界面时，在液体表面部分可划出一表面层，处在表面层以下的液体分子，在各方向上受到周围分子的作用力引力与斥力处于平衡状态，而处在表面层的液体分子，受到内部液体分子的吸引力与其外部气体分子的吸引力不相平衡，其合力垂直液面指向液体内部。在这一不平衡的分子合力作用下，表面层的液体分子都力图向液体内部收缩。表面张力便是用来描述表面层这一特征。

表面张力可表示为表面张力系数与湿周（流体与固体壁面的接触长度）的乘积，即，其中为表面张力系数，为湿周。在流体流动过程中，表面张力既可能促进流体流动也可能抑制其流动，形成如图1所示的流动前沿模型。图1（a）表示接触角小于90º时，表面张力可促进流体流动：图1（b）表示接触角大于90º时，表面张力具有抑制流体流动的作用。其作用原理也可用液面弯曲产生的附加压强来解释，附加压强可以按以下公式进行计算[1]：

表面张力在许多工程问题中都可以忽略不计，但是当问题对象的尺度减小，表面力的作用逐渐大于体积力的作用，此时就必需考虑表面张力的影响[2]。由于表面张力与特征尺度的一次方成正比，因此随着尺度的减小，表面张力的影响将相对增大。另外，表面张力的作用使得流道中的气泡更加难以排除，气泡的存在将对微流体的过流性能产生影响。即使无气泡存在，表面张力引起的表面压差在流体对微细通道的初期填充过程中也起重要作用。Gravesen等强调通道内存在气泡的影响，如果存在气泡，由于表面张力影响，会使压降增大。第一次填充通道时的气泡可能就会在通道滞留，很难完全消除。

3.微观粘度

多项研究表明，流体在微通道中的流动行为与常规尺度通道中的流动有很大的不同。试验观察表明，水、硅油、酒精、聚合物溶液等流体在微小通道壁面附近的粘度比常规尺寸下的粘度高50%-80%[3]。一些学者认为聚合物溶液的这种粘度增大，是分子链的缠结或分子链与通道壁面的粘结作用所致。当高聚物分子链的回转半径与通道的尺寸相比不可忽略时，这个现象是很常见的。Eringe等[4]认为当聚合物分子链的均方旋转半径与通道的尺寸相比不可忽略时，其粘度与传统粘度模型之间会出现偏差，并基于粘性流体非局部连续理论，结合分子取向效应，建立了针对聚合物溶液的粘度模型如下：

4.惯性力和重力

在传统的宏观树脂成型中，同属质量力的惯性力和重力通常被忽略。而在微浇注成形中是否应被考虑，至今没有一个明确的定论。一种观点认为，聚合物熔体的微观结构可以看作成团的大分子链缠结在一起，分子链之间必然有很大的间隙。当微小熔体流动时，惯性力和重力应该看成作用在分子链上，从而使得它们的影响增大。另一种观点认为随着特征尺寸的减小，作为特征尺寸二次方的惯性力和特征尺寸三次方的重力，其作用程度会越来越小，即微尺度下流体流动中重力和惯性力的影响可以忽略[5]。

对于微尺度下熔体的惯性力和重力，可用无量纲参数Te和Oa进行量纲分析。Te和Oa分别表示惯性力与粘性力之比，重力与粘性力之比，即：

5.壁面滑移

壁面滑移是聚合物熔体粘弹性行为的重要特征之一。大量的研究表明，在一定条件下熔体会沿着壁面滑动，产生壁面滑移[6]。目前，普遍认可的壁面滑移形式主要有两种，一种是以粘-滑（stick-slip）的形式出现，即当熔体在壁面承受的剪切应力超过某一临界剪切应力时，发生壁面滑移；另一种滑移以整体滑移（full-slip）的形式出现，熔体的流动近似为柱塞式运动。

壁面滑移的产生机理十分复杂，人们在试验研究和微观分析的基础上，把流体力学原理同微观分子结构结合起来，对熔体壁面滑移的形成机理提出了各种不同的解释。目前，较为一致的观点主要有三种。一种观点认为在熔体流动的通道壁面上总是粘附着一个薄层，当熔体所受剪切应力超过某一临界值时，粘附薄层内侧的熔体分子和流动的本体分子间发生解缠而随之流动，其分子链运动的速度比按经典连续介质力学计算的速度要大，从而表现为熔体沿壁面滑移。这被称为熔体壁面滑移的缠结—解缠机理，如图2（a）所示。另一种观点认为当熔体在通道壁面处的剪切应力超过某一临界剪切应力时，粘附于通道壁面的分子会因解吸附而发生相对滑动。这称为壁面滑移的吸附—解吸附机理，如图2（b）所示。还有一种观点认为壁面滑移是缠结—解缠和吸附—解吸附同时发生，熔体流动时具体发生哪种壁面滑移要取决于聚合物熔体的弹性、分子结构以及它与通道壁面的粘附性等因素。对吸附能力强的通道壁面而言，缠结一解缠结是造成壁面滑移的主要原因，由此产生的滑移多以粘—滑的形式出现；对吸附能力弱的通道壁面材料而言，吸附—解吸附是产生壁面滑移的主要原因，而此时产生的滑移很可能为整体滑移[7]。如果浇注微流道为硅胶材质，通道壁面属于弹性体，表面能很低，熔体与壁面相互作用弱，因此，熔体很可能会发生整体滑移，有益于熔体在微型腔中的充填。

6.总结

本文分析了微尺度下高聚物熔体充填过程中模具和熔体温度、模具型腔壁面粗糙度、表面张力、微观粘度、惯性力及重力、壁面滑移对熔体流动充填的影响。结果表明，除微观粘度的作用可以忽略外，其它因素对熔体在微尺度下的充填都有一定的影响。

参考文献

[1]于同敏，李又民，徐斌.微注塑成型充模流动中的表面张力[J].高分子材料科学与工程，2009，12（25）.

[2]景思睿，张鸣远.流体力学[M].西安：西安交通大学出版社，2001：10-11.

[3]孙民华等.Al熔体粘度的突变点及与熔体微观结构的关系[J].金属学报，2000，11.

[4]A.C.Eringen，K.Okada.A lubrication theory for fluids with microstructure[J].Int.J.Eng.Sci.1995，33，2297-2308.

[5]庄俭.微注塑成型充模流动理论与工艺试验研究[D].大连理工大学，2007.

[6]吴其哗，巫静安.高分子材料流变学[M].北京：高等教育出版社，2002：296-316.

[7]徐斌，王敏杰，于同敏，赵丹阳.微尺度效应对聚合物熔体壁面滑移影响的研究[J].材料工程，2008，10：16-24.