填料对聚醚醚酮注射成型影响模流分析

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2022.05.012

中国塑料 ›› 2022, Vol. 36 ›› Issue (5): 68-74.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2022.05.012

填料对聚醚醚酮注射成型影响模流分析

王阳¹(), 程礼盛¹^,²(), 谭晶¹^,², 杨卫民¹^,², 王瑞雪¹(), 张政和¹

^1.北京化工大学机电工程学院，高分子材料加工成型与先进制造（英蓝）实验室，北京 100019
^2.北京化工大学有机无机复合材料国家重点实验室，北京 100029

收稿日期:2021-12-01 出版日期:2022-05-26 发布日期:2022-05-26
通讯作者: 程礼盛（1984—），男，副教授，从事聚合物模拟研究，chengls@mail.buct.edu.cn
王瑞雪（1987—），女，教授，从事等离子体处理研究，wrx@mail.buct.edu.cn
E-mail:buctwy2015@163.com;chengls@mail.buct.edu.cn;wrx@mail.buct.edu.cn
作者简介:王阳（1997—），男，在读硕士研究生，从事复合材料加工成型研究，buctwy2015@163.com

Moldflow analysis of influence of filler on polyether ether ketone injection molding

WANG Yang¹(), CHENG Lisheng¹^,²(), TAN Jing¹^,², YANG Weimin¹^,², WANG Ruixue¹(), ZHANG Zhenghe¹

^1.Laboratory of Polymer Materials Processing and Advanced Manufacturing，College of Mechanical and Electrical Engineering，Beijing University of Chemical Technology，Beijing 100019，China
^2.State Key Laboratory of Organic?Inorganic Composites，Beijing University of Chemical Technology，Beijing 100029，China

Received:2021-12-01 Online:2022-05-26 Published:2022-05-26
Contact: CHENG Lisheng, WANG Ruixue E-mail:buctwy2015@163.com;chengls@mail.buct.edu.cn;wrx@mail.buct.edu.cn

摘要/Abstract

摘要：

采用Moldflow 软件对聚醚醚酮（PEEK）型材接头的注射成形进行了设计与模流分析，从注塑流动过程和成型件质量等角度，研究了PEEK物料中填料种类与含量对注射压力、锁模力、成型件纤维取向张量分布、成型件翘曲量等的影响。结果表明，添加填料可以改善物料流动特性，玻璃纤维填料可以优化其力学阈值，高模量碳纤维可以显著增强成型件刚度、降低翘曲度，增加填料含量可以优化成型件刚度；通过本研究可以有针对性地搭配PEEK型材的填料种类和含量，保证注射成型质量。

关键词: Moldflow, 模流分析, 填料, 构件质量

Abstract:

Moldflow software was adopted to design and analyze the injection molding of joints in polyether ether ketone （PEEK） profiles. The effects of filler type and its content in PEEK matrix on the injection pressure， clamping force， fiber orientation tensor distribution and warpage of molding parts were analyzed in terms of the perspective of injection flow process and molding part quality. The results indicated that the introduction of fillers improved the flow characteristics of PEEK， and the incorporation of glass fiber as a filler could optimize its mechanical threshold. A high?modulus carbon fiber could significantly enhance the stiffness and reduce the warpage degree. The increase of filler content could optimize the stiffness of the molded parts. Based on the results obtained from this study， the type and content of filler for PEEK profile can be targeted to ensure a high quality of injection molding.

Key words: Moldflow, modal flow analysis, filler, component quality

中图分类号:

TQ322.4

王阳, 程礼盛, 谭晶, 杨卫民, 王瑞雪, 张政和. 填料对聚醚醚酮注射成型影响模流分析[J]. 中国塑料, 2022, 36(5): 68-74.

WANG Yang, CHENG Lisheng, TAN Jing, YANG Weimin, WANG Ruixue, ZHANG Zhenghe. Moldflow analysis of influence of filler on polyether ether ketone injection molding[J]. China Plastics, 2022, 36(5): 68-74.

图/表 16

图1 焊接设备与焊接结构

Fig1 Welding equipment and welding structure

图2 成型件建模结果

Fig.2 Modeling results of the structure

序号	1	2	3	4	5	6
填充物	—	高模量碳纤维	高强度碳纤维	玻璃纤维	玻璃纤维	玻璃纤维
填料含量/%（质量分数，下同）	—	30	30	10	20	30
熔体温度/℃	380	380	375	380	380	380
模具温度范围/℃	150~190	150~190	165~220	150~190	150~190	150~190
转换温度/℃	350	330	290	330	330	330
顶出温度/℃	300	315	240	255	315	315
最大剪切应力/MPa	0.5	0.5	0.5	0.5	0.5	0.5
最大剪切速率/s^-1	10⁵	10⁵	10⁵	10⁵	10⁵	10⁵
熔融态比热/ $J ∙ k g - 1 ∙ ℃ - 1$	1 686	1 850	1 960	1 820	1 760	1 700
熔融态热导率/ $W ∙ m - 1 ∙ ℃ - 1$	0.146	0.29	0.4399	0.25	0.26	0.27

序号	1	2	3	4	5	6
填充物	—	高模量碳纤维	高强度碳纤维	玻璃纤维	玻璃纤维	玻璃纤维
填料含量/%（质量分数，下同）	—	30	30	10	20	30
熔体温度/℃	380	380	375	380	380	380
模具温度范围/℃	150~190	150~190	165~220	150~190	150~190	150~190
转换温度/℃	350	330	290	330	330	330
顶出温度/℃	300	315	240	255	315	315
最大剪切应力/MPa	0.5	0.5	0.5	0.5	0.5	0.5
最大剪切速率/s^-1	10⁵	10⁵	10⁵	10⁵	10⁵	10⁵
熔融态比热/ $J ∙ k g - 1 ∙ ℃ - 1$	1 686	1 850	1 960	1 820	1 760	1 700
熔融态热导率/ $W ∙ m - 1 ∙ ℃ - 1$	0.146	0.29	0.4399	0.25	0.26	0.27

表1 不同PEEK物料牌号的物料特性

Tab.1 Material characteristics of different PEEK kinds

表1 不同PEEK物料牌号的物料特性

Tab.1 Material characteristics of different PEEK kinds

图3 含不同填料物料的流变特性曲线

Fig.3 Rheological characteristic curves of materials with different fillers

填料种类	锁模力最大值/t	压力最大值/MPa
—	0.572	4.03
高模量碳纤维	1.380	11.40
高强度碳纤维	1.600	13.90
玻璃纤维	0.281	1.940

表2 物料的锁模力与注射压力最大值

Tab.2 Maximum value of clamping force and injection pressure of the materials

图4 流动力学性能变化曲线

Fig.4 Flow mechanical properties curves

图5 物料纤维取向张量分布

Fig.5 Distribution of fiber orientation tensor of the materials

填料种类	最大值	最小值
高模量碳纤维	0.910 4	0.333 4
高强度碳纤维	0.912 1	0.333 4
玻璃纤维	0.884 8	0.333 4

表3 物料的纤维取向张量极值

Tab.3 Extreme value of fiber orientation tensor of the materials

图6 总翘曲量分布云图

Fig.6 Distribution cloud diagram of total warpage

填料种类	最大值/mm	最小值/mm
—	0.809	0.623
高模量碳纤维	0.227	0.008
高强度碳纤维	1.024	0.158
玻璃纤维	0.487	0.280

表4 含不同填料物料的总翘曲极值

Tab.4 Total warpage extremum of the materials

图7 不同填料含量物料的流变特性曲线

Fig.7 Rheological characteristic curves of materials with different filler content

填料含量/%	锁模力最大值/t	压力最大值/MPa
—	4.03	0.57
10	1.22	0.18
20	1.51	0.22
30	1.94	0.28

表5 物料的注射压力与锁模力极值

Tab.5 Extreme value of injection pressure and clamping force of the materials

图8 切换到保压前的注射压力变化曲线

Fig.8 Injection pressure curves of the materials before switching to pressure preservation

图9 锁模力变化曲线

Fig.9 Clamping force curves

图10 总翘曲量分布云图

Fig. 10 Total warpage distribution cloud diagram

填料含量/%	最大值	最小值
—	0.809	0.622
10	0.675	0.465
20	0.567	0.352
30	0.487	0.280

表6 不同填料含量物料的总翘曲极值

Tab.6 Total warpage extremum of materials with different filler content

参考文献 17

1	马松柏，黄志刚，徐昌贵. 小型塑件组合型腔注塑模设计［J］. 中国塑料， 2018， 32（11）： 125⁃130.
	MA S B， HUANG Z G， XU C G. Design of combined cavi⁃ty injection mold for small⁃size plastic parts［J］.China Plastics， 2018， 32（11）： 125⁃130.
2	TIOMELA F C， HUANG X H. Injection molding cycle time reduction for automobile headlamp shell in moldflow［J］. IOP Conference Series：Materials Science and Engineering， 2019，692：012002.
3	SAEDON J B， AZLAN M Z， ADENAN M S， et al. CAE analysis for disposable mouth mirror based on autodesk moldflow plastic insight［J］. IOP Conference Series： Materials Science and Engineering， 2020， 834： 012060.
4	王震，李敬洋，张建超，等. 熔融沉积制造材料的空间应用实验［J］. 宇航材料工艺， 2020， 50（2）： 94⁃97.
	WANG Z， LI J Y， ZHANG J C.Research on the space app⁃lication of fused deposition modeling［J］. Aerospace Materials and Technology， 2020， 50（2）： 94⁃97.
5	张志毅，杨晨. 聚醚醚酮结构与热行为的研究［J］. 宇航材料工艺， 1989， 6： 37⁃42.
	ZHANG Z Y， YANG C.Study on structure and thermal behavior of polyether and ketone［J］. Aerospace Materials and Technology， 1989， 6： 37⁃42.
6	冯刚，黄军生，马骅. 国外聚醚醚酮树脂专用料及应用开发概述［J］. 中国塑料， 2019， 33（5）： 115⁃120.
	FENG G， HUANG J S， MA H.Review on poly（ether⁃ether⁃ketone）appropriative resin and its application development.［J］， China Plastics， 2019， 33（5）： 115⁃120.
7	GUTIÉRREZ⁃RUBERT S C， MESEGUER⁃CALAS M D， GANDÍA⁃BARBERÁ A. Analysis of the feeding system in the injection process of peek in fixed partial dentures［J］. Procedia Engineering， 2015， 132： 1 021⁃1 028.
8	彭曼绮，胡瀚杰，孙青云，等. 基于Moldflow三通式喷头连接座的模流分析［J］. 塑料工业， 2020， 48（1）： 70⁃73，104.
	PENG M Q， HU H J， SUN Q Y.Mold Flow Analysis of three⁃way sprayer coupler based on moldflow［J］. China Plastics Industry， 2020， 48（1）： 70⁃73，104.
9	陈睿超，孙辉，许国志. PEEK的表面改性和表征［J］. 中国塑料， 2011， 25（5）： 17⁃23.
	CHEN R C， SUN H， XU Z G.Surface modification and characterization of PEEK［J］. China Plastics， 2011， 25（5）： 17⁃23.
10	廖功雄，何伟，董黎明，等. 短碳纤维增强PPEK复合材料的性能研究［J］. 宇航材料工艺， 2005， 35（28）： 22⁃24.
	LIAO G X， HE W， DONG L M.Properties of short carbon fiber reinforced PPEK composites［J］. Aerospace Materials and Technology， 2005， 35（28）： 22⁃24.
11	陈书华，韩建平，王喜占，等. 连续碳纤维增强聚醚醚酮预浸带成型工艺及性能［J］. 宇航材料工艺， 2016， 46（4）： 48⁃51.
	CHEN S H， HAN J P， WANG Z X.Preparation and proper⁃ties of continuous carbon fiber reinforced polyetheretherketone prepreg［J］. Aerospace Materials and Technology， 2016， 46（4）： 48⁃51.
12	阮汝祥，姜振华，王贵宾，等. 聚醚醚酮/聚醚醚酮酮共混体系的熔融和等温结晶行为［J］. 高等学校化学学报， 2000， 21（7）： 1 130⁃1 133.
	RUAN R X， JIANG Z H， WANG G B.Melting and crystallization behavior of poly（ether ether ketone）/poly（ether ether ketone ketone） blends［J］.Chemical Journal of Chinese Universities， 2000， 21（7）： 1 130⁃1 133.
13	高晓东，杨卫民，张金云，等. 辐板式全塑轮胎浇口设计与联合仿真分析［J］. 橡胶工业， 2018， 3： 346⁃350.
	GAO X D， YANG W M， ZHANG J Y.Gating system design and simulation analysis on plastic tire with wheel spokes［J］. China Rubber Industry， 2018， 3： 346⁃350.
14	田爱国，郭强. 聚醚醚酮及其复合材料的特性与应用研究进展［J］. 工程塑料应用， 2002， 30（2）： 47⁃49.
	TIAN A G， GUO Q.Progress in the characteristics and application research of polyetheretherketone and its composites［J］. Engineering Plastics Application 2002， 30（2）： 47⁃49.
15	王志，雷卓研，张晓玲，等. 聚醚醚酮/多壁碳纳米管复合材料力学及阻燃性能研究［J］. 中国塑料， 2014， 28（11）： 42⁃46.
	WANG Z， LEI Z Y， ZHANG X L.Mechanical and flame retardant properties of PEEK/MWCNT composites［J］. China Plastics， 2014， 28（11）： 42⁃46.
16	杨鸿. 基于Moldflow的无人机上盖模流优化分析与模具设计［J］. 中国塑料， 2020， 34（6）： 95⁃102.
	YANG H.Moldflow⁃based optimization analysis and die design of UAV upper cover.［J］. China Plastics， 2020， 34（6）： 95⁃102.
17	李闯，王福利，刘阳，等. 基于模腔压力的注塑过程注射速度设定曲线优化［J］. 化工学报， 2010， 5： 1 163⁃1 168.
	LI C， WANG F L， LIU Y.Optimization of injection veloci⁃ty profile in injection molding based on cavity pressure［J］.CIESC Journal， 2010， 5： 1 163⁃1 168.

[1]	张维合, 冯国树, 朱晓敏, 吴梓纯, 叶明山, 杜海, 宋东阳, 王靖. 汽车右后门板顺序阀热流道大型薄壁注塑模具设计[J]. 中国塑料, 2022, 36(1): 166-171.
[2]	张周雅, 白世建, 张玉霞, 周洪福, 宫芳芳, 唐雪古丽, 王斌. 高分子材料导热性能影响因素研究进展[J]. 中国塑料, 2021, 35(9): 156-165.
[3]	段婧婷, 张效林, 王哲, 李少歌, 迪静静, 吕金燕, 朱晓凤, 王毅. 矿物填料填充聚乙烯/麦秸杆复合材料性能比较[J]. 中国塑料, 2021, 35(3): 1-7.
[4]	王从龙, 张一辉, 王向东, 徐海云. 热塑性聚醚砜、聚醚酰亚胺泡沫材料的制备与研究现状[J]. 中国塑料, 2021, 35(2): 132-142.
[5]	薛茂远, 梅益, 罗宁康, 唐芳艳, 肖展开. 基于模糊集的车用升降器开关面板注射成型保压曲线优化研究[J]. 中国塑料, 2021, 35(10): 76-82.
[6]	张景顺, 姜红, 满吉. 基于X射线荧光光谱与双标图对鞋底材料的分类研究[J]. 中国塑料, 2020, 34(9): 80-83.
[7]	丁立刚, 程国飞, 魏文强, 胡斯乔, 郭开翔. 带前模抽芯的S型阀室注射模具设计[J]. 中国塑料, 2020, 34(8): 95-100.
[8]	张进, 姜红, 张景顺, 刘峰, 段斌. 差分拉曼光谱结合聚类分析检验运动鞋鞋底[J]. 中国塑料, 2020, 34(7): 80-85.
[9]	杨鸿. 基于 Moldflow 的无人机上盖模流优化分析与模具设计[J]. 中国塑料, 2020, 34(6): 92-99.
[10]	刘方方, 张维合. 汽车后视镜座大型精密注塑模设计[J]. 中国塑料, 2020, 34(6): 87-91.
[11]	王星然, 王明昊, 顿东星, 李善哲, 张雪冬, 周洪福. 聚合物/碳系填料发泡复合材料电磁屏蔽性能的研究进展[J]. 中国塑料, 2020, 34(10): 110-118.
[12]	李雅. 基于Moldflow的香皂盒套件注塑流动平衡优化[J]. 中国塑料, 2019, 33(9): 72-76,99.
[13]	谷亚新关志猛鄢东茂. PE-LD/石蜡复合相变储能材料的制备及性能研究[J]. 中国塑料, 2018, 32(06): 53-58.
[14]	翟林韩国泰胡海朝张建新. 基于Moldflow与Abaqus的注射成型及模具结构联合仿真分析[J]. 中国塑料, 2018, 32(02): 128-133.
[15]	段贤勇;周元枝;韩忠冠;万育松. 多孔位插头绝缘体注塑模具设计[J]. 中国塑料, 2017, 31(5): 98-102 .

填料对聚醚醚酮注射成型影响模流分析

Moldflow analysis of influence of filler on polyether ether ketone injection molding

RichHTML

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 16

参考文献 17

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价