納米注塑成型被用作金屬和塑膠有力結(jié)合的技術(shù)，應(yīng)用越來越廣泛，美域同潤在精密模具 、精密注塑成型、納米精密注塑成型等技術(shù)上，始終走在行業(yè)前列。 盡管微型零件和特征是常規(guī)的成型，但當(dāng)零件壁厚小于1毫米時(shí)，聚合物熔體的性能還沒有被很好地理解。在這項(xiàng)研究中，確定了通過注射成型復(fù)制納米級(jí)特征的成型條件和材料特性的影響。納米級(jí)特征是納入模具的薄嵌件的一部分。

假設(shè)增加熔體溫度、模具溫度、注射速度和包裝壓力，應(yīng)該可以改善特征定義和深度比。在較高的熔體溫度下，材料可以流動(dòng)更長的時(shí)間來完成零件的填充，而較高的模具溫度將減緩冷卻，使更多的材料流向填充的末端。較高的注射速度會(huì)降低熔體的粘度，這是由于較高的剪切和伸長率以及剪切加熱造成的。較低粘度的熔體可望改善深度比和特征定義，因?yàn)椴牧峡梢愿菀椎亓魅胩卣??？焖偬畛湟矞p少了熔融聚合物在填充過程中的冷卻，因此，應(yīng)改善特征的復(fù)制。對(duì)于這種模具設(shè)計(jì)，填料壓力的作用類似于壓縮力，更高的壓力應(yīng)迫使熔體更接近腔壁。

表4：深度比的概率值。

表5：特征定義的概率值。

如圖2所示，深度比隨著熔體溫度的升高而增加。聚丙烯和聚苯乙烯的深度比因熔融溫度的增加而得到最大的改善，并表現(xiàn)出每Q值增加0.45%。

聚丙烯和聚苯乙烯的深度比因熔融溫度的增加而得到最大改善，每qC增加0.45%。聚碳酸酯顯示每qC增加0.40%，而PMMA受溫度影響較小，每qC增加0.22%。然而，特征定義受熔融溫度的影響較?。▓D3）。

圖2：熔體溫度對(duì)深度比的影響

圖3：熔體溫度對(duì)特征定義的影響

只有聚苯乙烯的特征定義隨著熔體溫度的升高而明顯增加。相比之下，模具溫度對(duì)聚碳酸酯和PMMA的特征定義（和深度比）影響更大。如圖4所示，聚丙烯和聚苯乙烯的特征定義并沒有隨著模具溫度的提高而發(fā)生明顯變化。

圖4：模具溫度對(duì)特征定義的影響

在材料性能方面，零件復(fù)制對(duì)熔體溫度的敏感性并沒有遵循傳統(tǒng)注塑成型的典型趨勢(shì)。一般來說，熔體溫度的提高對(duì)那些粘度隨溫度變化很大的材料（即具有高活性能）影響最大。然而，在更高的熔體溫度下，聚碳酸酯（Ea = 73 kJ/mol）的特征復(fù)制沒有改善，PMMA（Ea = 52 kJ/mol）和聚丙烯（Ea = 14 kJ/mol）的特征復(fù)制略有改善，而聚苯乙烯（Ea = 39 kJ/mol）則明顯增加。盡管聚苯乙烯、PMMA和聚丙烯表現(xiàn)出類似的剪切稀化水平和類似的粘度，但PMMA的深度比沒有受到熔體溫度變化的影響，而聚苯乙烯和聚丙烯的深度比有類似的改善。熔體溫度對(duì)聚碳酸酯的深度比有影響，因?yàn)榫厶妓狨]有剪切變薄，而且名義粘度比其他三種材料高，這對(duì)聚苯乙烯和聚丙烯也有影響。

模具溫度是影響聚碳酸酯和PMMA部件特征定義的一個(gè)重要因素。然而，提高模具溫度對(duì)聚丙烯和聚苯乙烯沒有影響。聚碳酸酯和PMMA的熔體粘度的溫度敏感性最高，熱擴(kuò)散性也最高。聚苯乙烯和聚丙烯具有類似的、較低的熱擴(kuò)散性，但活化能不同。盡管模具溫度在微模的填充中是一個(gè)更重要的因素[11,12]，但這些數(shù)據(jù)表明，模具溫度完全主導(dǎo)著納米特征的復(fù)制。

正如預(yù)期的那樣，良好復(fù)制納米特征的加工窗口非常小。對(duì)于大多數(shù)材料，熔體溫度范圍的低端不允許充分填充模具或產(chǎn)生特征不完整的部件。更高的溫度在聚苯乙烯中產(chǎn)生黑色斑點(diǎn)。因此，無定形材料的熔融溫度范圍約為20qC，聚丙烯為55qC。低熔體溫度和所有模具溫度的相互作用也造成了問題。低熔融溫度的PMMA在較高的模具溫度下表現(xiàn)出特征清晰度下降，可能是由于這種相互作用。

注射速度對(duì)特征復(fù)制的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于預(yù)期。更高的速度使深度比和特征定義略有改善，但這些影響對(duì)材料敏感。包裝壓力最初對(duì)特征復(fù)制的影響很小，因?yàn)樗┘拥膲毫τ行У貕嚎s了熔融聚合物。當(dāng)再次使用316qC熔體溫度、77qC模具溫度和20mm/s注射速度對(duì)聚碳酸酯進(jìn)行模塑時(shí)，20、35和50MPa的包裝壓力產(chǎn)生了75%的深度比和類似的特征定義等級(jí)。由于轉(zhuǎn)換壓力為35兆帕，這種行為證實(shí)了特征已經(jīng)冷卻。行為證實(shí)了特征在填充過程中已經(jīng)冷卻了。

表6列出了 "最佳 "加工條件和與這些條件相關(guān)的特征復(fù)制。高熔體和模具溫度、快速注射和較高的包裝壓力產(chǎn)生了最好的納米級(jí)特征的復(fù)制。所有四種材料都表現(xiàn)出類似的特征定義水平，但深度比非常不同。聚丙烯的深度比達(dá)到了模具深度的85%，而對(duì)照組（聚碳酸酯）的深度比為54%。聚苯乙烯和PMMA的深度比非常低，分別為29%和36%。這種行為表明，特征定義可能與熔體粘度有關(guān)，而深度比可能受模具表面和聚合物熔體之間的相互作用影響。聚丙烯的粘度最低，熱擴(kuò)散率低，而且是非極性的。聚苯乙烯和PMMA的粘度相似，但PMMA的熱擴(kuò)散率較高，而且比聚苯乙烯更有極性。聚碳酸酯的粘度比其他三種聚合物高得多，熱擴(kuò)散率最高，而且其名義極性與PMMA相似。然而，光學(xué)級(jí)聚碳酸酯的配方是為了達(dá)到正確的流動(dòng)水平，因此，其極性可能低于預(yù)期。因此，100%再現(xiàn)模具深度的能力可能與模具表面和聚合物熔體之間與表面張力有關(guān)的相互作用有關(guān)。模具表面和熔體的極性差異較大，可以更好地再現(xiàn)。此外，當(dāng)聚合物接近表面時(shí)，聚碳酸酯的轉(zhuǎn)變溫度會(huì)發(fā)生變化。因此，聚合物熔體的深度比差異可能與過渡溫度的可能變化有關(guān)。由于表面明顯影響納米特征的再現(xiàn)，凝固點(diǎn)的變化將影響深度比。

表6： 最佳的處理?xiàng)l件和由此產(chǎn)生的特征復(fù)制水平

4 結(jié)論

具有納米級(jí)特征的零件的成型導(dǎo)致了非常小的加工窗口。熔體溫度和模具溫度影響了熔體在模具凸起周圍的流動(dòng)能力，而模具溫度是影響特征定義的唯一加工參數(shù)。材料特性和特征復(fù)制結(jié)果的比較表明，模具溫度在納米尺度的聚合物流動(dòng)中完全占主導(dǎo)地位。

在納米級(jí)特征中聚合物的流動(dòng)占主導(dǎo)地位，熔體溫度的影響只存在于與模具溫度的相互作用。注射速度對(duì)復(fù)制的影響很小。熔體粘度對(duì)特征定義有很大影響，但深度比似乎與模具表面和聚合物熔體之間的相互作用有關(guān)。由于深度比隨著模具和聚合物熔體之間的極性差異增加而增加，這表明表面張力可能影響復(fù)制。或者，過渡溫度的變化可能影響熔體的凝固。這兩種原因都還在調(diào)查之中。

 Chinnawat Srirojpinyo ^*, Sung-hwan Yoon^* , Jun Lee^**, Changmo Sung^** , Joey L. Mead^* , and Carol M. F. Barry^*

*Department of Plastics Engineering, University of Massachusetts Lowell, [email protected]

**Center for Advanced Materials, University of Massachusetts Lowell 1 University Ave., Lowell, MA, 01854

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