摘要： 本文用出模膨脹原理揭示了注塑制件形成虎皮紋的原因,并從注塑工藝、模具設(shè)計(jì)和材料配方三個(gè)方面提出了如何解決虎皮紋的措施。

關(guān)鍵詞：出模膨脹、巴拉斯效應(yīng)、虎皮紋、注塑制件

一、引言

目前，大型注塑零件在汽車(chē)上面的應(yīng)用越來(lái)越多，并且出于降低成本的考慮，免噴涂注塑制 件的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣,但是這也對(duì)注塑件的外觀(guān)質(zhì)量要求越來(lái)越高。在汽車(chē)保險(xiǎn)杠、儀表板、 門(mén)板和其他較長(zhǎng)的內(nèi)飾件等大型零件上，出現(xiàn)了一種外觀(guān)缺陷，其特征是垂直于流動(dòng)方向出 現(xiàn)一條一條的紋路，看起來(lái)就像是老虎皮上的花紋一樣，俗稱(chēng)虎皮紋或斑馬紋，如下圖所示。

二、虎皮紋的形成原因分析

當(dāng)高聚物熔體從小孔、毛細(xì)管或狹縫 中擠出時(shí)，擠出物的直徑或厚度會(huì)明 顯大于口模的尺寸，這種現(xiàn)象稱(chēng)為擠 出物脹大或出模膨脹. 1893年美國(guó)生 物學(xué)家Barus首先觀(guān)察到了這一現(xiàn)象， 所以又稱(chēng)Barus效應(yīng),亦稱(chēng)出模膨脹。例如聚苯乙烯在175-200℃溫度以較 快速度擠出時(shí)，直徑膨脹可達(dá)2.8倍。

如下圖，薄板尺寸為400X50X2mm，模型采用3D網(wǎng)格，網(wǎng)格邊長(zhǎng)為0.5mm， 從充填時(shí)間圖上看不出來(lái)有什么異常。

下圖是流動(dòng)前沿溫度，可以發(fā)現(xiàn)，隨著流程長(zhǎng)度增加，溫度等高線(xiàn)越來(lái)越密，說(shuō)明溫度變化越來(lái)越明顯。

從下面這張實(shí)物圖片上來(lái)看，與流動(dòng)前沿溫度圖上等高線(xiàn)變密區(qū) 域比較類(lèi)似。但是具體等高線(xiàn)變化疏密程度要達(dá)到多少才會(huì)出現(xiàn) 虎皮紋則還無(wú)法下定論。

理論分析

在注塑成型時(shí)，熔體在流動(dòng)過(guò)程中，制件較薄，型腔空隙較小，模溫過(guò)低，流動(dòng)過(guò)程中制件結(jié)構(gòu)造成流動(dòng)波動(dòng)或者流程過(guò)長(zhǎng)，射速較快等，都會(huì)造成熔體前沿阻力增大，熔體流動(dòng)明顯減速或出現(xiàn)停滯，此時(shí)充填的區(qū)域外觀(guān)光澤差，且較窄，該區(qū)域通常距離澆口有一定距離才出現(xiàn)。隨著注塑壓力的施加，熱的熔體不斷從澆口涌來(lái)，具有粘彈性的塑料熔體開(kāi)始吸收并儲(chǔ)備能量，當(dāng)能量積聚到一定程度時(shí)，即可突破熔膠前沿的阻力，熔體開(kāi)始急速膨脹，跳躍推進(jìn)，此時(shí)新充填的區(qū)域外觀(guān)光澤好，且較寬。這就形成表觀(guān)上的光澤度出現(xiàn)差異，從而形成虎皮紋。

塑料熔體流動(dòng)形成虎皮紋的機(jī)理研究

塑料熔體流動(dòng)形成虎皮紋的分析

當(dāng)塑料熔體通過(guò)較小的澆口時(shí)，會(huì)在澆口處受到較大的流動(dòng)阻力而使塑料在流道和澆口 處發(fā)生較大的體積壓縮和彈性變形，一旦通過(guò)澆口進(jìn)入空曠的型腔后，就會(huì)由于流動(dòng)阻 力突然變小而導(dǎo)致塑料熔體發(fā)生彈性回復(fù)而體積膨脹，從而導(dǎo)致熔體流動(dòng)前沿的壓力和 流速產(chǎn)生較大的波動(dòng)，并導(dǎo)致流動(dòng)前沿發(fā)生膨脹跳躍現(xiàn)象，表觀(guān)上就會(huì)形成虎皮紋。

塑料熔體的粘彈性越強(qiáng)，這種現(xiàn)象越容易 出現(xiàn)。粘彈性較弱的材料就很少會(huì)出現(xiàn)虎皮紋 現(xiàn)象。比如玻纖增強(qiáng)材料、尼龍、PBT等材料 成型過(guò)程中很少有虎皮紋現(xiàn)象，而添加了 EPDM、POE等橡膠成分的PP材料，則非常容 易出現(xiàn)虎皮紋缺陷。原因就在于橡膠成分越多， 熔體的粘彈性形變?cè)酱螅饺菀壮霈F(xiàn)出模膨脹 效應(yīng)而導(dǎo)致虎皮紋。

三、解決措施

3.1、注塑工藝方面：

1）降低注射速度

某汽車(chē)零件采用50%注射速度出現(xiàn)虎皮紋。采用15%注射速度后虎皮紋消失

2）提高塑料熔體溫度和模具溫度

目前比較先進(jìn)的急冷急熱模溫技術(shù)可以完全消除注塑零件表面的各種缺陷，但是很少有人把該技術(shù)應(yīng) 用在pp材料零件上，主要原因可能還是制造成本方面存在一定壓力。

3.2、模具結(jié)構(gòu)和注塑機(jī)方面

1）擴(kuò)大澆口截面厚度和寬度和流道直徑，澆口厚度必須要達(dá)到零件壁厚的 0.8~0.9倍，澆口寬度盡量做到30mm寬以上；

2）增加澆口數(shù)目，盡量減少流長(zhǎng)比；

3）盡量采用尺寸和截面積逐漸擴(kuò)大的直澆口、側(cè)澆口或扇形澆口，避免使用截 面積逐漸縮小的潛伏澆口、點(diǎn)澆口（參考下面圖5，實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)潛伏澆口和點(diǎn)澆口 或者很小的側(cè)澆口都很容易產(chǎn)生虎皮紋）；

4）模具排氣盡量做到良好，可以實(shí)現(xiàn)高速注射并且避免由于困氣導(dǎo)致的流動(dòng) 前沿出現(xiàn)外觀(guān)質(zhì)量缺陷;

5）采用控制精密的注塑機(jī)，避免產(chǎn)生壓力和速度的波動(dòng)。

關(guān)鍵在于澆口的橫截面積應(yīng)該逐漸增大。至少也不能逐漸減小。

開(kāi)放式熱流道澆口尺寸 有些熱流道澆口小端直徑如果小于Φ3，也會(huì)造成很大的流動(dòng)阻力，導(dǎo)致塑料 熔體被壓縮，產(chǎn)生較大的彈性形變。塑料進(jìn)入型腔后也會(huì)發(fā)生較大的體積膨 脹，從而容易形成虎皮紋。

3.3、塑料材料方面

1）減小塑料中橡膠彈性體成分的含量；

2）減小橡膠成分在塑料中分散后的粒徑，或者添加橡膠成分 與基體樹(shù)脂的相容劑，有利于消除虎皮紋缺陷。

3）提高材料的流動(dòng)性；

某儀表板表面虎皮紋，反復(fù)調(diào)機(jī)都無(wú)法消除，該項(xiàng)目拖延了3多月都無(wú)進(jìn)展，最后換用流動(dòng)性更好的材料才徹底消除。

韌性哥注：有時(shí)候提高材料流動(dòng)性也無(wú)濟(jì)于事，曾經(jīng)遇到融指是100多（230°C/5公斤）的熱塑性彈性體，在注塑薄壁產(chǎn)品的時(shí)候，在有的模具上有虎皮紋，有的模具上就沒(méi)有。

4）采用分子量分布較寬的材料可以有效減少虎皮紋現(xiàn)象出現(xiàn)的幾率。

四、總結(jié)

據(jù)大量統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：影響塑料件品質(zhì)的因素中，模具設(shè)計(jì)和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得是否合理占據(jù)了70%左右的因素，注塑工藝和注塑機(jī)占據(jù)了20%的因素，材料占據(jù)了10%的因素。虎皮紋的形成與模具、注塑工藝、塑料材料三者都有 一定關(guān)系，很多時(shí)候需要三個(gè)方面都進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)才能取得良好的效果，而對(duì)模具和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)則能起到事半功倍的效果，并且更換流動(dòng)性更好的材料后也能有很好的作用。

韌性哥注：本文著重從出口膨脹機(jī)理來(lái)解決虎皮紋，可以結(jié)合熔體破裂機(jī)理，一起來(lái)解決虎皮紋的問(wèn)題。所以推薦閱讀：熔體破裂造成的外觀(guān)缺陷如何解決？