■德清科基高分子大數據研究院有限公司 / 孫兵兵 技術總監
聚合物的PVT 關係
什麽是聚合物的PVT 關係？簡單說，就是聚合物材料的體積(V) 隨溫度(T) 和壓力(P) 變化的關係。通常情况下，三者之間的關係可以被視為狀態函數，對於一定量的塑膠材料，一旦其中的的兩個參數確定了，第三個參數也就確定了。三者只與最終狀態有關，與過程無關。聚合物的PVT 關係，是聚合物材料自身固有的基本物理特性之一，提供了聚合物材料在射出成型過程中壓縮性和熱膨脹等信息，可以用來解釋塑膠製品加工中可能產生的翹曲、收縮等缺陷，對塑膠材料的生產、加工成型和應用有著十分重要的作用。
圖1 給出兩種主要的PVT 類型。圖1(a) 和圖1(b) 分別顯示了無定形材料和結晶型材料的典型PVT 曲線，從圖中可以清楚地看出聚合物P、T 和V 之間的關係。在射出成型過程中，聚合物材料被加熱成熔融態，並在很高的壓力下注射到模具型腔中，經歷了從高溫、高壓到迅速冷卻和壓力下降的過程，之後由熔融態轉變為固態，同時聚合物材料的各種物性參數也經歷了一連串劇烈的變化。這都和T、P 和V 有很大的關係，特別是由V 推導出的密度決定著最終成型製品的性能和品質：若最終成型製品的密度太小，會導致強度不夠；若密度不均勻，則會產生內部殘餘應力，導致翹曲變形等。
聚合物PVT 曲線的測定
目前存在兩種常規的PVT 曲線測試方法，柱塞法(ISO17744) 和封閉液法，分別如圖2(a) 和圖2(b) 所示。根據加壓柱塞是否直接與試料接觸，柱塞法也被稱為直接法，而封閉液法則是間接法。兩者的測試原理相同，差別在於對試料的密封方式不同。如圖2 所示，柱塞法是通過使用墊片密封，而封閉液法使用傳壓介質密封。
柱塞法的優點在於操作相對簡單、重複性和可操作性強，測試條件相對較接近射出成型製程，更重要的是該方法已經形成國際標準規範ISO 17744，因此也得到更廣泛的應用。該法的缺點是密封性相對較弱，高溫高壓下有漏料的可能；另外柱塞與管壁、試料與管壁間存在摩擦力，會引入較大誤差。封閉液法的優點是密封性好，沒有漏料的疑慮；壓力均勻、無摩擦力，測試精度較柱塞法要好。但該法的缺點操作相對麻煩；傳壓密封介質一般採用水銀，對操作者會有健康風險；測得的體積變化不單單是試料的變化，還包括了傳壓介質的變化；試料有可能有試料反應等。
PVT 關係對射出成型的意義
現代製造業的發展，對聚合物材料製品精度要求不斷提高，特別是精密元器件如光學鏡頭、高端裝配玩具等，對製品重複性精度的要求越來越高。塑料製品的尺寸結構及模腔內熔體的流動情况非常複雜，受溫度、壓力、剪切等多個因素影響，會使射出製品產生收縮、翹曲、縮痕、氣孔等不良。以模塑成型為主的塑膠製品精度的高低，取決於對材料加工過程中PVT關係的掌握和控制，聚合物PVT 關係曲線是模塑成型製品品質控制的科學基礎。
品質重複精度是評價射出機精度的一項重要指標。影響製品品質重複精度的因素很多，但本質所在是不同製品中V 的差異。射出成型中無論採用何種過程控制方式都無法脫離對材料PVT 關係的依賴，不同控制方法得到的射出製品的重複精度之所以存在差別，根本原因是所採用的控制方法對材料PVT 參數控制重複精度的差別。
圖3 給出了ABS 在射出成型週期的PVT 變化關係。E-A是塑化階段，A-B 是充填階段，B-C 是保壓階段，C-D是固化冷卻階段，D-E 是頂出脫模階段。E 點表示在室溫和大氣壓下料斗處的塑料狀態。經螺杆加熱器加熱和摩擦剪切加壓後，塑料原料熔化並置於螺杆前端準備射出，此時材料處於A 狀態。隨後，熔膠被高速高壓注射入模具型腔，此時材料狀態為B。為了繼續補充熔膠進入型腔以補償收縮，材料從B 點開始進入保壓階段，同時因模具的傳熱冷卻作用，熔膠溫度降到C 點開始固化。冷卻過程中，熔膠逐漸固化，成為固體後體積基本保持不變，回到大氣壓的狀態D。在D 點，產品已冷卻到足夠厚的固化層，可以被頂出脫模。脫模後產品溫度仍高於室溫，所以塑件會持續降溫收縮到室溫狀態E。上述是理想的最佳變化路徑，這樣得到的塑件製品密度差異小，其尺寸、形狀相對穩定。否則，若如圖所示的保壓不足或保壓過度，則可引入較大的密度差異，導致製品翹曲變形。
圖1：聚合物兩種典型的PVT 關係曲線，(a) 為無定形；(b) 為結晶或半結晶型
PVT 關係對CAE 模流分析的意義
近年來，在工業4.0 概念的驅動力下，智慧工廠、智能製造的理念已逐漸深入人心，成為「有志向的管理者」追求的一個方向。在射出行業，製造工廠從接單到交貨所面臨的第一個任務就是「試模與量產」，在傳統的模具廠，射出模具的設計和成型控制參數的設定，主要依賴簡單的公式計算與非常多次的試錯修模，並把這種情况視為理所當然。但是，在工業4.0背景下，模具設計的「試錯法」已遠遠不能滿足智能製造的需要。因而，使用CAE 進行模流仿真分析，精準模擬預測成型過程，實現「T 零量產」，就顯得特別重要。
圖2：常規的聚合物PVT 曲線測試方法，(a) 為柱塞法；(b) 為封閉液法
CAE 應用於射出模具已有數十年的歷史，但之前人們更多的是只把模流分析作為參考，一個原因就是缺乏真實的數據。作為CAE 模流仿真分析的輸入參數之一，聚合物PVT 曲線越真實準確，仿真分析結果就越準確，再配合模具數據、成型機臺數據，就可以大幅提升「T 零量產」的成功率。
圖3：ABS 在射出成型週期的PVT 變化
結語
聚合物PVT 關係是聚合物材料固有的物理特性之一，不論是對射出成型工藝控制，還是對CAE 模流仿真分析，都具有重要的作用。面對每年數千支材料的出現，PVT 曲線數據還是太少了。未來，隨著智慧設計、智能製造的推進，人們必定會越來越重視以PVT 曲線為代表的CAE 數據包的建立，並使其成為新材料研發、應用和成型的必備數據。■
