型腔嵌件及利用型腔嵌件制备制品的方法与流程

本发明涉及两种相同或者不同聚合物注射成型的模具型腔嵌件，该嵌件可实现多股二次熔体对一次熔体的独立稳定穿透并最后成型，且还涉及一种利用该型腔嵌件制备制品的方法，属于聚合物成型加工领域。

背景技术：

多熔体多次注射成型(Multi-Melt Multi-Injection Molding，M³IM)是一种由普通注射成型(Conventional Injection Molding，CIM)发展起来的，目前被普遍使用与研究的一种新型聚合物注射加工方法，属于多流体多次注射成型(Multi-Fluid Multi-Injection Molding，MFMIM)的一种，其成型过程主要包括一次熔体短射半充填型腔，在一次熔体尚未冷却定型时二次熔体注射推动一次熔体填满型腔并穿透一次熔体进入副腔，形成“皮-芯”结构(包覆结构)。

与CIM相比，M³IM具有二次熔体的穿透作用，其一次熔体与二次熔体熔体在型腔中的流动状态与简单的单次注射完全不同。而与气辅注射成型(Gas Assisted Injection Molding，GAIM)及水辅注射成型(WaterAssisted Injection Molding，WAIM)相比，M³IM的二次流体为熔体，粘度与摩擦系数更大，扩散系数则更小，因而与一次熔体界面间的相互作用更加复杂。由于在二次熔体注射过程中，一次熔体处在模壁的刚性约束与二次熔体的柔性约束之间，受到二次熔体的拖曳与穿透作用，二次熔体则受到一次熔体的拖曳作用，在两种熔体界面上形成复杂的剪切流动场与相互作用，加上从模壁至熔体芯层的温度梯度场，构成了M3IM加工过程中的复杂耦合外场，在这种复杂的耦合外场下聚合物的凝聚态会发生多层次性的演变，形成短程有序，长程高度取向的结构，在制品的各层次上沿流动方向生成多种结晶形态或者多种晶型。由于二次熔体的推动和填充，M³IM制品一般比CIM制品具有更完善的形态尺寸稳定性如制品表面的收缩、应力翘曲、凹痕等制品缺陷出现的情况相对减少；另外由于不同层次上的多元化结构，因此M³IM制品具有较CIM制品更优异的力学性能，并更有希望被赋予功能化特征，如包覆导热结构，静电屏蔽结构或介电、压电结构等，实现注射成型制品的单次加工功能化。但需要强调的是，M³IM与普通的共注射成型(Co-Injection Molding)或夹芯注射成型(Sandwich Injection Molding)并不相同，M³IM是采用了一个独立可拆分的注射单元进行二次熔体的注射，对一次熔体造成了高速的、完全的穿透，这正是共注射或夹芯注射成型中所竭力避免的“刺穿”现象(Breakthrough)。在穿透过程中，二次熔体前端对于一次熔体的相对速度明显大于共注射或夹芯注射成型，在两种熔体界面上产生的相对流动以及应变更充分，更有利于取向结构的产生。

目前已有学者通过构造相应的模具，成功地制备了单股二次熔体穿透一次熔体的M³IM制品(专利申请号201510654476.1)。但单股二次熔体穿透一次熔体的M³IM制品只具有一个熔体间的相互作用界面，当两种熔体的相互作用较弱时将极大地限制约束界面对两种熔体产生的影响，且单股二次熔体穿透一次熔体的宏观形态结构较为单一，对后期的赋形与功能化将产生很大的局限性。如果增加M³IM过程中的约束界面的数目，增加两种聚合物之间相互作用的面积，将可能有希望发现在流场下的更多不同的聚合物取向结构，使M³IM往功能化和外形结构系统化的研究领域进一步拓宽。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述问题，提供一种型腔嵌件及利用型腔嵌件制备制品的方法，本发明使得不同股数的二次熔体能够独立稳定地穿透一次熔体，增加了一次熔体与二次熔体相互作用的界面数，在降低模具制造维护成本，提高生产实验效率的同时为提高M³IM制品的各项力学性能如冲击韧性、拉伸强度和界面剥离强度等，以及M³IM制品的结构多样化与性能功能化的研究提供了新的条件与基础。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种型腔嵌件，包括嵌件主体、一次熔体注射冷流道、二次熔体多股注射机构、引流道和副腔，所述一次熔体注射冷流道和二次熔体多股注射机构均连接在型腔的一端，所述副腔通过引流道连接在型腔的另一端。

所述二次熔体多股注射机构包括二次熔体注射冷主流道及多条分流道，多条分流道的一端与二次熔体注射冷主流道连接，另一端与型腔连接。

所述二次熔体注射冷主流道的直径大于分流道的直径。

所述一次熔体注射冷流道通过一次熔体注射浇口与型腔连接，所述二次熔体多股注射机构通过二次熔体注射浇口与型腔连接。

所述一次熔体注射浇口呈圆柱形结构，所述二次熔体注射浇口呈锥形结构。

所述型腔为矩形结构，且型腔的宽度3.5～4.5倍于型腔的厚度。

所述引流道为鱼尾形结构。

所述嵌件主体上设置有紧固螺钉孔和测温孔。

所述的型腔嵌件还包括锁紧楔，所述锁紧楔上设置有锁紧斜面和与紧固螺钉孔对应的锁紧楔螺孔。

一种利用型腔嵌件制备制品的方法，包括如下步骤：

(1)在1000～1850Bar的注射压力下，将一次熔体以25～35ccm/s的注射速度注入温度为80～100℃的型腔内并形成短射熔体；

(2)在注射一次熔体后的10s以内，在1500～2299Bar的注射压力下，将多股二次熔体同时以15～38.4ccm/s的注射速度注入型腔内并形成穿流熔体，多股二次熔体推动一次熔体填满型腔，并穿透一次熔体经引流道进入副腔；

(3)经冷却保压定型后获得成品。

所述一次熔体在190～200℃的条件下熔融塑化形成。

所述二次熔体在200～220℃的条件下熔融塑化形成。

本发明的有益效果：

一、本发明使得不同股数的二次熔体能够独立稳定地穿透一次熔体，增加了一次熔体与二次熔体相互作用的界面数，且多股二次熔体的加入增加了两相聚合物之间作用的面积，一次熔体在型腔中所受到的约束界面由原先的单个变为了现在的两个、三个甚至四个，产生的剪切流动效果更显著，两种聚合物之间的相互作用更加复杂，在各层次上能够产生的结构变化也更加丰富。在降低模具制造维护成本，提高生产实验效率的同时为M³IM制品结构多样化与性能功能化的研究提供了新的条件与基础。

二、本发明中嵌件的装配符合相应的注射系统以及模具，定位及锁紧楔的加入及布局设计能保证一次熔体与二次熔体顺利进入嵌件型腔，且注射过程中不发生嵌件装配面的飞边溢料，以及分型面的飞边与溢料。二次熔体的穿透一次熔体的股数可通过更换式型腔嵌件灵活可变，从两股到三股再到四股可通过不同的型腔嵌件进行更换，在增加了二次注射熔体股数的同时，成功地调控了制品的外观尺寸及形态，满足实验过程中对注射成型制品微观尺寸精度的要求，对后续的加工与研究建立了基础。

三、本发明适用的聚合物范围广泛，经过实验验证，一般加工性能较好的通用聚合物如各种粘度的聚丙烯，聚乙烯，聚苯乙烯等能很好地适用于本发明，对于其他可加工的工程类塑料，如聚碳酸酯等，也在实验中获得了可行性验证。

四、本发明设备制作简单且维护成本低，使用简便，易于携带与更换，使用精度高。由此设备所得制品的形态结构可根据所使用的不同二次熔体分流道数目的嵌件随意更换得到，分别可得到二次注射熔体数目为两股，三股和四股的M³IM制品，且制品的外观尺寸较为精确，最后制品的功能化性能可根据选用的聚合物种类，填料的种类以及加工工艺参数灵活地赋予和调节，力学性能也较单股穿透的M³IM制品更优异，制品内部的微观结构也更加地多样化。

五、本发明的制备方法中，重点的改进之处在于进一步地调节了二次熔体注射时的型腔温度以及注射压力和速度。型腔温度的设置使得一次熔体能够在型腔中保持较好的流动状态，便于一次熔体的穿透和稳定流动；另外二次熔体注射时的注射压力及速度的设置，对于一般常见聚合物如PE、PP等而言，能够使二次熔体在穿透一次熔体时稳定地流动并顺利穿透一次熔体进入副腔。并不是注射压力越高，注射速度越大，就一定能够使每股二次熔体都稳定流动并分别穿透一次熔体进入副腔的。

附图说明

图1为实施例1的结构示意图。

图2为实施例1中锁紧楔的结构示意图。

图3为实施例1中二次熔体穿透一次熔体制备制品的过程示意图。

图4为利用实施例1所得制品的外观示意图。

图5为实施例2的结构示意图。

图6为利用实施例2所得制品的外观示意图；图中标记为：1、嵌件主体，2、型腔，3、一次熔体注射冷流道，4、一次熔体注射浇口，5、二次熔体注射冷主流道，6、分流道，7、二次熔体注射浇口，8、引流道，9、副腔，10、紧固螺钉孔，11、测温孔，12、锁紧楔，13、锁紧楔螺孔，14、锁紧斜面。

具体实施方式

实施例1

一种型腔嵌件，包括嵌件主体1、一次熔体注射冷流道3、二次熔体多股注射机构、引流道8和副腔9，所述主体内开设有型腔2，所述一次熔体注射冷流道3和二次熔体多股注射机构均连接在型腔2的一端，所述副腔9通过引流道8连接在型腔2的另一端。

本实施例中，所述二次熔体多股注射机构包括二次熔体注射冷主流道5及多条分流道6。其中，分流道6的数量优选为4条，4条分流道6的一端与二次熔体注射冷主流道5连接，4条分流道6的另一端与型腔2连接，保证熔体的顺利进入。所述一次熔体注射冷流道3与分流道6的流动方向完全平行，以保证一次熔体进入型腔2时不进入分流道6，对二次熔体的流动及穿透造成干涉。所述引流道8为鱼尾形结构，鱼尾形结构的引流道8开设在型腔2末端与型腔2直接连接，并采用由宽变窄、由厚变薄的截面积变化，保证熔体顺利引流以及起到限流的作用，使冷却保压时型腔2中保压压力的充足；副腔9连接在引流道8的末端，用于储存多余的一次与二次熔体，保证型腔2的充满，穿透以及注射最后阶段的保压效果。

进一步的，所述分流道6的数量优选为4条。

本实施例中，所述一次熔体注射冷流道3通过一次熔体注射浇口4与型腔2连接，所述二次熔体多股注射机构通过二次熔体注射浇口7与型腔2连接，所述一次熔体注射浇口4呈圆柱形结构，所述二次熔体注射浇口7呈锥形结构，其中，二次熔体多股注射机构通过二次熔体注射浇口7与型腔2的具体连接结构为：二次熔体多股注射机构中的多条分流道6分别通过多个二次熔体注射浇口7与型腔2连接。由于需要保证两种熔体在经由一次熔体注射浇口4与二次熔体注射浇口7进入型腔2时流动方向保持平行，因此要求两种熔体的流道在浇口之前呈平行排布。另外，多条分流道6采用均匀分布的方式，每条分流道6之间的距离相等，最左端的分流道6与最右端的分流道6到模壁两边的距离也相等，保证多股二次熔体在穿透一次熔体中只有较小可能性发生不稳定流动及熔接的情况。二次熔体注射冷主流道5直径应大于分流道6直径，且二次熔体注射浇口7呈锥形，由于减压作用，这种结构设计能够保证在型腔2内形成低压以及在分流道6中形成高压，可以有效削弱一次熔体短射进入型腔2时一次熔体进入分流道6的情况。

本实施例中，所述型腔2为矩形结构，且型腔2的长度、宽度与厚度具有一定的比例，型腔2宽度3.5—4.5倍于型腔2厚度，使得二次熔体在穿透一次熔体过程中其截面有较大可能性保持均匀的圆形，减小二次熔体截面由于较大的宽厚比发生形变而使二次熔体产生横向流动的情况。

本实施例中，所述嵌件主体1上设置有紧固螺钉孔10和测温孔11，所述的型腔嵌件还包括锁紧楔12，所述锁紧楔12上设置有锁紧斜面14和与紧固螺钉孔10对应的锁紧楔螺孔13。嵌件主体1与锁紧楔12最终被固定装配在动定模板上的嵌件装配腔中。嵌件主体1的具体固定过程为：

以图1所示的动模侧嵌件主体1为例，嵌件主体1垂直于熔体流动方向的上下两个侧面为安装基准面，与嵌件装配腔的上下侧面为过渡配合；而上方紧固螺钉孔10位置的突出结构的上侧面与左侧面为非基准面，与嵌件型腔2的上侧面与左侧面为间隙配合。锁紧楔12的左侧面与嵌件主体1平行于熔体流动方向位于型腔2右侧的侧面贴合，锁紧楔12的右侧面为锁紧斜面14，与嵌件装配腔的右侧面的斜度相配合；嵌件主体1平行于熔体流动方向位于型腔2左侧的侧面作为嵌件主体1的被锁紧面。装配时，嵌件主体1在嵌件装配腔的上下侧面进行配合，且嵌件主体1在嵌件装配腔中竖直方向的运动被约束，但水平方向的运动尚未得到约束；然后在嵌件主体1的右侧的嵌件腔剩余空间中放入锁紧楔12，并藉由锁紧斜面14对嵌件主体1的左侧面进行压紧，限制嵌件主体1在嵌件装配腔中水平方向的运动，当嵌件主体1左侧面已与嵌件腔左侧壁压紧后，调节锁紧楔12主体在嵌件装配腔中的深浅位置对嵌件主体1与锁紧楔12自身进行嵌件装配腔中的定位，同时在紧固螺钉孔10与锁紧楔螺孔13中插入对应的内六角螺钉并拧紧，即完成了对动模侧嵌件主体1与锁紧楔12的装配。定模侧的嵌件主体1与锁紧楔12的装配与动模侧相同。

本实施例中，所述型腔嵌件为可拆卸式结构，在实际使用过程中，当需要采用不同股数的二次熔体穿透一次熔体时，通过更换不同分流道6的型腔嵌件即可实现。

本实施例中，型腔2、副腔9和流道都是通过合模实现，因此在冷却保压完成后，能够将制品、流道凝料与副腔9凝料一并取出。

实施例2

一种型腔嵌件，包括嵌件主体1、一次熔体注射冷流道3、二次熔体多股注射机构、引流道8和副腔9，所述主体内开设有型腔2，所述一次熔体注射冷流道3和二次熔体多股注射机构均连接在型腔2的一端，所述副腔9通过引流道8连接在型腔2的另一端。

本实施例中，所述二次熔体多股注射机构包括二次熔体注射冷主流道5及多条分流道6。其中，分流道6的数量优选为2条，2条分流道6的一端与二次熔体注射冷主流道5连接，2条分流道6的另一端与型腔2连接，保证熔体的顺利进入。

实施例3

在实施例1或实施例2的基础上，本实施还提供了一种利用型腔嵌件制备制品的方法，包括如下步骤：

(1)将牌号为T30S的等规聚丙烯(iPP)作为一次熔体，经过一次熔体注射单元的熔融塑化成190℃的熔体后，经由一次注射单元喷嘴在1000Bar的注射压力下，将一次熔体以35ccm/s的注射速度注入温度为80℃的型腔2内并形成短射熔体；

(2)在注射一次熔体后的3s以内，将牌号为6098的高密度聚乙烯(HDPE)作为二次熔体，经过二次注射单元熔融塑化成200℃的熔体后，经由二次注射单元喷嘴在1500Bar的注射压力下，将多股二次熔体同时以15ccm/s的注射速度，经过二次熔体注射冷主流道5与分流道6，并通过二次熔体注射浇口7注射注入型腔2内并形成穿流熔体，多股二次熔体推动一次熔体填满型腔2，并穿透一次熔体经由鱼尾形结构的引流道8进入副腔9。

(3)当型腔2和副腔9都已充满熔体，经冷却保压定型后取出制件，去掉流道与副腔9凝料后获得最终制品。

实施例4

在实施例1或实施例2的基础上，本实施还提供了一种利用型腔嵌件制备制品的方法，包括如下步骤：

(1)将牌号为T30S的等规聚丙烯(iPP)作为一次熔体，经过一次熔体注射单元的熔融塑化成200℃的熔体后，经由一次注射单元喷嘴在1000Bar的注射压力下，将一次熔体以35ccm/s的注射速度注入温度为100℃的型腔2内并形成短射熔体；

(2)在注射一次熔体后的10s以内，将牌号为6098的高密度聚乙烯(HDPE)作为二次熔体，经过二次注射单元熔融塑化成220℃的熔体后，经由二次注射单元喷嘴在2299Bar的注射压力下，将多股二次熔体同时以38.4ccm/s的注射速度，经过二次熔体注射冷主流道5与分流道6，并通过二次熔体注射浇口7注射注入型腔2内并形成穿流熔体，多股二次熔体推动一次熔体填满型腔2，并穿透一次熔体经由鱼尾形结构的引流道8进入副腔9。

(3)当型腔2和副腔9都已充满熔体，经冷却保压定型后取出制件，去掉流道与副腔9凝料后获得最终制品。

实施例5

在实施例1或实施例2的基础上，本实施还提供了一种利用型腔嵌件制备制品的方法，包括如下步骤：

(1)将牌号为T30S的等规聚丙烯(iPP)作为一次熔体，经过一次熔体注射单元的熔融塑化成195℃的熔体后，经由一次注射单元喷嘴在1000Bar的注射压力下，将一次熔体以35ccm/s的注射速度注入温度为90℃的型腔2内并形成短射熔体；

(2)在注射一次熔体后的8s以内，将牌号为6098的高密度聚乙烯(HDPE)作为二次熔体，经过二次注射单元熔融塑化成210℃的熔体后，经由二次注射单元喷嘴在1800Bar的注射压力下，将多股二次熔体同时以32ccm/s的注射速度，经过二次熔体注射冷主流道5与分流道6，并通过二次熔体注射浇口7注射注入型腔2内并形成穿流熔体，多股二次熔体推动一次熔体填满型腔2，并穿透一次熔体经由鱼尾形结构的引流道8进入副腔9。

(3)当型腔2和副腔9都已充满熔体，经冷却保压定型后取出制件，去掉流道与副腔9凝料后获得最终制品。