模溫對塑件表皮層形成分子結構演變形態(tài)及界面行為影響的數(shù)值模擬.pdf

1、注塑成型是非牛頓的高溫聚合物熔體在壓力作用下通過澆注系統(tǒng)填充常溫型腔的一個非常復雜的物理過程。熔體在流動過程中因高速剪切以及與冷模具表面接觸而伴隨著熔體固化、收縮甚至結晶行為。塑件表面質量的優(yōu)劣直接影響著制品外觀形態(tài)的好壞和力學性能（如強度和剛度）的優(yōu)劣。熔體在流動過程中因進澆方式、產品結構形式以及制品壁厚不均等原因容易造成兩股或者多股流體匯流而形成熔接痕，進而影響制品的表面質量和力學屬性。在熔體充模、表皮層形成過程中宏觀尺度上所觀測到

2、的復雜流動現(xiàn)象，主要由粘彈性流體本身的微觀結構所決定。因此，對于熔體微觀分子構型的形態(tài)演變模擬研究具有重要的科學意義和使用價值。
　　本文基于注塑成型過程中聚合物-模仁模型，采用從頭算起的通用型Compass力場、三維周期性邊界、初速度Boltzmann分布取樣和Ewald求和等方法，模擬研究聚合物熔體在不同模具溫度型腔中的充填過程。在導入的面心立構 Ni晶胞模型基礎上，切割晶面、擴展晶胞和添加三維周期邊界得到初始金屬模具模型；采

3、用幾何優(yōu)化，退火處理和動力學弛豫等方法優(yōu)化模型；NVT動力學模擬使得Ni金屬處于不同的工作溫度狀態(tài)?；贜i模仁模型的晶格參數(shù)，借助于集合了三種能量最小法的Smart法優(yōu)化初始聚合物分子鏈模型，引入Compass立場、Ewald求合法和三維周期邊界構建聚合物分子鏈晶胞模型，且對其進行一系列的優(yōu)化處理；采用NVT系綜和精準性較高、收斂率較快的NHL溫控法MD模擬使聚合物晶胞模型處于熔融狀態(tài)。借助于Build Layer模塊，構建聚合物-模

4、仁實驗模型，并在模型上添加一個3 nm的真空層。本文以PP為實驗材料，構建容納了4條聚合物為100的iPP分子鏈所構成的鏈團模型，基于MD模擬實驗研究了注塑成型過程中表皮層充模行為的分子機制。進一步實現(xiàn)研究了注塑充模過程中兩股熔體前沿匯流時分子構型的可視化。構建6條、聚合物為100的PP分子鏈模型，優(yōu)化處理后使其處于熔融狀態(tài)；采用層模塊構建兩股熔體匯流的分子模型?；谝陨蟽煞N分子模型以及對聚合物熔體充模行為進行適當?shù)睾喕图僭O，模擬研究

5、了在溫度和壓力耦合作用下，模具溫度對制品表皮層充模行為和熔接痕形成的影響。通過MD模擬計算得到不同溫度下的PP體系體積和溫度的變化情況，借助于NPT系綜模擬得到iPP的Tg為249.5 K，與前期工作的模擬及實驗結果較吻合，說明所構建模型可應用于MD法求解注塑成型過程中高分子鏈的運動狀態(tài)和統(tǒng)計規(guī)律。
　　研究結果表明：聚合物分子鏈和金屬模仁之間的結合主要依賴于范德華力，MSD變化趨勢說明模溫能有效地提高分子鏈段的活躍性。保壓階段的

6、密度分布，模型形態(tài)演變以及填充率等說明，模具表面溫度的升高，有利于熔體分子的擴散和運動，致使分子鏈的松弛，解纏結和遷移行為更容易發(fā)生，使得制品表面質量得到提升。此外，納米型腔的充填主要發(fā)生在保壓階段，且存在一定的空隙。冷卻脫模結果反應了保壓階段分子鏈受壓力作用進入型腔而產生了一定的內應力，脫模之后，內應力得到釋放，致使塑件發(fā)生一定的形狀變形和彎曲變形。
　　熔接痕模擬實驗結果表明，熔體匯流時從開始的清晰界面逐漸過渡變成模糊，到最后

7、的界面消失，熔體相容。從體系的界面能和不同熔體間的重疊厚度圖可知，模溫有利于提高熔體匯流時的熔接效果。保壓階段，熔體在溫度-壓力耦合作用下，晶胞發(fā)生了明顯的體積收縮變化，密度增大，與宏觀的保壓補縮現(xiàn)象相吻合。分析其MSD圖可知，MSD由開始的近似線性變化轉變成了近似指數(shù)形式變化，這說明體系由在原始位置附近振動過渡到了愛因斯坦擴散，再到最后的取向變形的一個過程。用熔體間的重疊厚度來表征熔接痕的熔接效果，發(fā)現(xiàn)模具溫度的升高對熔體匯流的熔接有