微發(fā)泡注塑成型

微發(fā)泡注塑成型摘要：微發(fā)泡注塑成型技術是一項新型的微孔塑料加工技術,能在最大程度減重的基礎上保留制品的機械強度,因此具備廣泛的應用前景,特別是在宇航、汽車等領域。本文從模擬和實驗兩種個方面,對微發(fā)泡注塑成型工藝進行了全面的探索和研究,研究了各工藝參數(shù)對泡孔結構和減重比等響應影響的基本規(guī)律。關鍵詞:微孔發(fā)泡,工藝參數(shù),注塑成型MicrocellularPolymerFoamsABSTRACT:Microcellularinjectionmoldingisanewmethodforproductionoffoamtechnology.Mechanicalstrengthofproductscanberetainedonthebasisofthemaximumdegreeofweightloss.Therefore,thistechnologyhasawiderangeofapplicationsespeciallyintheaerospace,automotivefields.Inthispaper,westudiedtheprocessingfactorsofmicrocellularinjectionmoldingonthebasesofthetwomicrocellularinjectionmoldingsimulationandexperimentplatformsweestablished.Drawthebasiclawofthevariousprocessparametersontheresponseofthecell,weightloss,etc.KEYWORDS:microcellularfoam,processparameter,injectionmolding1前言微孔發(fā)泡技術起源于20世紀80年代美國麻省理工大學，是一項新型的微孔塑料加工技術，其生產制品的最大特點就是泡孔小而密。泡孔最小可以達到直徑10ym以下［1］。微孔發(fā)泡塑料制品具備“皮芯”結構，可以在節(jié)省原材料基礎上，最大程度的保留未發(fā)泡時制品的機械強度。據(jù)資料顯示，與普通注塑成型工藝生產制品相比較，微孔發(fā)泡注塑成型制品疲勞壽命可以延長5倍，斷裂鋪性可以提高4倍，沖擊強度可以提高6-7倍［2］。2微發(fā)泡注塑成型技術微孔發(fā)泡技術這項技術已被廣泛地應用于家用電器、航空航天、汽車等領域。微發(fā)泡注塑成型制品的最大優(yōu)勢便是在材料中產生大量的微孔氣泡，因此可以大大減輕制品重量從而減少原材料的消耗［3］。同時，在成型工藝過程中，可以縮短循環(huán)周期,降低注射壓力，因而在節(jié)能方面相比傳統(tǒng)注射成型工藝同樣存在著巨大的優(yōu)勢。2.1微發(fā)泡注塑成型制品的優(yōu)勢泡孔結構是導致微發(fā)泡注塑成型和傳統(tǒng)發(fā)泡注塑成型制品性能差異的主要原因，資料顯示，微發(fā)泡注塑成型制品與傳統(tǒng)發(fā)泡注塑成型制品相比有很多優(yōu)勢，可以克服傳統(tǒng)發(fā)泡注塑成型的許多缺點，比如需要較長循環(huán)周期和較大的制品壁厚［4-6］。微孔發(fā)泡塑料的應用最早的微孔結構泡沫塑料出現(xiàn)在結構發(fā)泡中，特別是存在一些薄壁結構，同樣存在于結構發(fā)泡制件的一些高剪切區(qū)域［4］。在20世紀80年代，麻省理工大學研究發(fā)明微發(fā)泡成型工藝，這項工藝的主要目標有兩個：一是減少材料用量，二是細小的微孔可以阻止應力裂紋的延展，從而可以提高材料的韌性,增加材料抗沖擊性能［12］。同樣，在受到外力作用是，封閉的圓形泡孔可以通過變形抵擋外力作用，從而可能增加部分材料的剛性［5-6］。在20世紀80年代末期,人們始大量的研究和發(fā)展微孔發(fā)泡成型工藝方法。微發(fā)泡技術的商業(yè)化應用始于Trexel公司，Trexel公司最始的時候致力于擠出工藝的微發(fā)泡成型技術，隨后TrexeI公司在EngelCanada公司的幫助下，在1997年發(fā)明了一種用螺桿進行塑化和氣體注入，然后通過柱塞進行注射的注塑機。3微細發(fā)泡注塑成型的工藝過程微細發(fā)泡注塑成型技術采用超臨界氣體作為物理發(fā)泡劑，以此在注塑件中進行微細發(fā)泡［7］。氣體通常采用二氧化碳或者氮氣，成型過程一般由氣體溶解、成核、微孔長大和產品成型四個階段組成［8］。3.1氣體溶解在微細發(fā)泡注塑成型過程中，利用二氧化碳或者氮氣生成的超臨界液體(SupercriticalFluid，SCF)作為物理發(fā)泡劑。該超臨界液體被注射進注塑機料桶中，在一定的壓力和溫度下，超臨界液體在螺桿輸送的過程中被混合到聚合物熔體中形成單一相溶體，這種單一相溶體的生成是下一步均勻成核的先決條件。因此超臨界液體必須在一定的壓力下全部溶解到塑料熔體中并形成均相體系，即使微量氣相的存在也不利于形成均勻細密的泡核，這主要是因為成核時這類氣體會優(yōu)先進入已存在的氣泡中而形成大微孔，故這種壓力被稱為微細發(fā)泡成型壓力(MicrocellularProcessPressure,MPP)。由此可見，對微細發(fā)泡成型壓力的控制直接影響微孔的最終尺寸。成核理論上講，只有當單一相溶體處于一個熱動態(tài)平衡下，且能夠生成以百萬計的成核點，均勻成核才有可能。在注塑成型過程中，單一相溶體的壓力從MPP下降到注塑料流前鋒壓力，這兩者壓力差的存在，使單一相溶體中的氣體和塑料熔體兩相進行分離，氣體從單一相溶體中分析出來而形成大量的成核點。所以單一相溶體的溫度和SCF的含量，直接影響成核點的多少和微孔的最終尺寸。因此在研究微細發(fā)泡注塑成型成核工藝對微孔尺寸的影響中，主要考慮的工藝參數(shù)應該包括：MPP、溶體溫度以及SCF含量。微孔長大成核過程完成后，微孔便開始長大。由于成核點外的氣體濃度高于成核點內的氣體濃度，這種濃度差使氣體向成核點內進行擴散，從而微孔開始長大。微孔將一直長大，直到微孔內外的氣體濃度相等或者塑料熔體凍結。因此從成型工藝角度來看，SCF含量和注塑成型工藝參數(shù)將直接影響微孔的最終尺寸。產品成型單一相溶體被注射進注塑模具中，模具型腔的形狀和冷卻控制了產品的最終成型形狀。微細發(fā)泡注塑成型技術對模具設計沒有非常特別的要求。從微細發(fā)泡注塑成型過程可知，MPP、溶體溫度、SCF含量以及注塑成型工藝參數(shù)將直接影響微孔的形態(tài)。但是要研究清楚這些工藝參數(shù)對微孔形態(tài)的影響，首先得對微細發(fā)泡注塑成型的特點進行分析。4成型工藝與微孔形態(tài)關系成核工藝直接影響微孔的成核密度以及初始微孔直徑，眾多學者通過研究各種工藝參數(shù)與泡核形態(tài)的關系，以期通過控制工藝參數(shù)，達到改善微孔結構的目的［9-12］?？傮w而言，前人主要是在經典成核理論的基礎上，研究了飽和壓力、溶體溫度、壓力釋放速率等工藝條件對泡核密度、微孔尺寸以及微孔分布的影響。4.1飽和壓力對微孔形態(tài)的影響用二氧化碳作發(fā)泡劑研究了PMMA的發(fā)泡過程。他們將固態(tài)PMMA模型放入高壓二氧化碳密閉容器中，然后采用快速釋壓的方法進行發(fā)泡實驗，并分析了飽和壓力、溶體溫度對最終泡核密度的影響。他們發(fā)現(xiàn)：在飽和壓力為14MPa，溶體溫度為40°C時，成核密度急劇上升，而當飽和壓力達到27MPa時，成核密度則趨于平衡。同時Goel和Beckman發(fā)現(xiàn)當溶體溫度不變，隨著飽和壓力的增加，泡核密度增加，微孔的直徑減小，且分布均一。為研究飽和壓力與成核密度之間的關系，前人進行了大量的實驗研究，大量研究結果表明，隨著飽和壓力的增加，微孔的密度隨之增加，而微孔最終尺寸變小［9］。同時研究也表明，基于經典理論的研究結果與實驗結果存在一定的誤差，因此對經典成核理論的改進，使之更加符合生產實際是一個有意義的研究方向。減壓速率對泡核形態(tài)的影響微細發(fā)泡注塑成型工藝中的成核動力是作用于單一相溶體的壓力從MPP迅速降低至料流前鋒壓力，這種壓力差的存在，使單一相溶體中的超臨界氣體析出，從而進行成核過程。因此，最終泡核形態(tài)與壓力釋放的速率以及方式有著密切的關系［10］。Panayiotou在研究PS和二氧化碳的發(fā)泡行為中，也研究了釋壓速率對成核形態(tài)的影響。由于保持一個恒定的釋壓速率難度很大，所以實驗中采用了平均釋壓速率來計算，得到的結果是：釋壓速率高時，得到的泡核密度大，直徑小；反之，泡核密度小而直徑大，與Guo,Wang和Park的結果一致。Tsivintzelis等從泡核成長時間角度出發(fā)，認為在較高的釋壓速率下，泡核成長時間短，泡核尺寸??；而在較低的釋壓速率下，較長的長大時間利于泡核的合并作用，因此生成的泡核直徑大，但數(shù)量少［33］。在經典成核理論中，釋壓速率被當作一個常數(shù)來進行研究，這顯然無法解釋其對成核速度和密度的影響，這也是需要對經典成核理論進行修正的原因之一。其他工藝參數(shù)對泡核形態(tài)的影響在注塑成型工藝方面，除了上述的壓力、溫度等工藝參數(shù)對最終泡核形態(tài)有影響外，前人還研究了注塑量、料筒溫度以及外界條件等因素對泡核形態(tài)的影響。影響成核的因素眾多。而從工藝角度來看，影響泡核形態(tài)的主要成型工藝參數(shù)包括：SCF含量、MPP、溶體溫度、預填充量等。同時前人研究也表明，將經典成核理論應用于微細發(fā)泡注塑成型的成核過程的研究中，其結果與實際實驗存在著較大的差異，需要對其進行修正和改進［11-12］。故如何綜合考慮上述工藝參數(shù)對泡核形態(tài)的影響，以及如