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(shù)是一項(xiàng)新型的微孔塑料加工技術(shù),能在最大程度減重的基礎(chǔ)上保留制品的機(jī)械強(qiáng)度,因此具備廣泛的應(yīng)用前景,特別是在宇航、汽車等領(lǐng)域。本文從模擬和實(shí)驗(yàn)兩種個(gè)方面,對(duì)微發(fā)泡注塑成型工藝進(jìn)行了全面的探索和研究,研究了各工藝參數(shù)對(duì)泡孔結(jié)構(gòu)和減重比等響應(yīng)影響的基本規(guī)律。關(guān)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(shù)起源于20世紀(jì)80年代美國麻省理工大學(xué)，是一項(xiàng)新型的微孔塑料加工技術(shù)，其生產(chǎn)制品的最大特點(diǎn)就是泡孔小而密。泡孔最小可以達(dá)到直徑10ym以下［1］。微孔發(fā)泡塑料制品具備“皮芯”結(jié)構(gòu)，可以在節(jié)省原材料基礎(chǔ)上，最大程度的保留未發(fā)泡時(shí)制品的機(jī)械強(qiáng)度。據(jù)資料顯示，與普通注塑成型工藝生產(chǎn)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(qiáng)度可以提高6-7倍［2］。2微發(fā)泡注塑成型技術(shù)微孔發(fā)泡技術(shù)這項(xiàng)技術(shù)已被廣泛地應(yīng)用于家用電器、航空航天、汽車等領(lǐng)域。微發(fā)泡注塑成型制品的最大優(yōu)勢便是在材料中產(chǎn)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(shí)，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(jié)構(gòu)是導(dǎo)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(diǎn)，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(yīng)用最早的微孔結(jié)構(gòu)泡沫塑料出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)發(fā)泡中，特別是存在一些薄壁結(jié)構(gòu)，同樣存在于結(jié)構(gòu)發(fā)泡制件的一些高剪切區(qū)域［4］。在20世紀(jì)80年代，麻省理工大學(xué)研究發(fā)明微發(fā)泡成型工藝，這項(xiàng)工藝的主要目標(biāo)有兩個(gè)：一是減少材料用量，二是細(xì)小的微孔可以阻止應(yīng)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(jì)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(shù)的商業(yè)化應(yīng)用始于Trexel公司，Trexel公司最始的時(shí)候致力于擠出工藝的微發(fā)泡成型技術(shù)，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(jìn)行塑化和氣體注入，然后通過柱塞進(jìn)行注射的注塑機(jī)。3微細(xì)發(fā)泡注塑成型的工藝過程微細(xì)發(fā)泡注塑成型技術(shù)采用超臨界氣體作為物理發(fā)泡劑，以此在注塑件中進(jìn)行微細(xì)發(fā)泡［7］。氣體通常采用二氧化碳或者氮?dú)猓尚瓦^程一般由氣體溶解、成核、微孔長大和產(chǎn)品成型四個(gè)階段組成［8］。3.1氣體溶解在微細(xì)發(fā)泡注塑成型過程中，利用二氧化碳或者氮?dú)馍傻某R界液體(SupercriticalFluid，SCF)作為物理發(fā)泡劑。該超臨界液體被注射進(jìn)注塑機(jī)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(xì)密的泡核，這主要是因?yàn)槌珊藭r(shí)這類氣體會(huì)優(yōu)先進(jìn)入已存在的氣泡中而形成大微孔，故這種壓力被稱為微細(xì)發(fā)泡成型壓力(MicrocellularProcessPressure,MPP)。由此可見，對(duì)微細(xì)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(dāng)單一相溶體處于一個(gè)熱動(dòng)態(tài)平衡下，且能夠生成以百萬計(jì)的成核點(diǎn)，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(jìn)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(diǎn)。所以單一相溶體的溫度和SCF的含量，直接影響成核點(diǎn)的多少和微孔的最終尺寸。因此在研究微細(xì)發(fā)泡注塑成型成核工藝對(duì)微孔尺寸的影響中，主要考慮的工藝參數(shù)應(yīng)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(diǎn)外的氣體濃度高于成核點(diǎn)內(nèi)的氣體濃度，這種濃度差使氣體向成核點(diǎn)內(nèi)進(jìn)行擴(kuò)散，從而微孔開始長大。微孔將一直長大，直到微孔內(nèi)外的氣體濃度相等或者塑料熔體凍結(jié)。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(chǎn)品成型單一相溶體被注射進(jìn)注塑模具中，模具型腔的形狀和冷卻控制了產(chǎn)品的最終成型形狀。微細(xì)發(fā)泡注塑成型技術(shù)對(duì)模具設(shè)計(jì)沒有非常特別的要求。從微細(xì)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(duì)微孔形態(tài)的影響，首先得對(duì)微細(xì)發(fā)泡注塑成型的特點(diǎn)進(jìn)行分析。4成型工藝與微孔形態(tài)關(guān)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(xué)者通過研究各種工藝參數(shù)與泡核形態(tài)的關(guān)系，以期通過控制工藝參數(shù)，達(dá)到改善微孔結(jié)構(gòu)的目的［9-12］?？傮w而言，前人主要是在經(jīng)典成核理論的基礎(chǔ)上，研究了飽和壓力、溶體溫度、壓力釋放速率等工藝條件對(duì)泡核密度、微孔尺寸以及微孔分布的影響。4.1飽和壓力對(duì)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(jìn)行發(fā)泡實(shí)驗(yàn)，并分析了飽和壓力、溶體溫度對(duì)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(shí)，成核密度急劇上升，而當(dāng)飽和壓力達(dá)到27MPa時(shí)，成核密度則趨于平衡。同時(shí)Goel和Beckman發(fā)現(xiàn)當(dāng)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(guān)系，前人進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究，大量研究結(jié)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?。?］。同時(shí)研究也表明，基于經(jīng)典理論的研究結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在一定的誤差，因此對(duì)經(jīng)典成核理論的改進(jìn)，使之更加符合生產(chǎn)實(shí)際是一個(gè)有意義的研究方向。減壓速率對(duì)泡核形態(tài)的影響微細(xì)發(fā)泡注塑成型工藝中的成核動(dòng)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(jìn)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(guān)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(duì)成核形態(tài)的影響。由于保持一個(gè)恒定的釋壓速率難度很大，所以實(shí)驗(yàn)中采用了平均釋壓速率來計(jì)算，得到的結(jié)果是：釋壓速率高時(shí)，得到的泡核密度大，直徑?。环粗?，泡核密度小而直徑大，與Guo,Wang和Park的結(jié)果一致。Tsivintzelis等從泡核成長時(shí)間角度出發(fā)，認(rèn)為在較高的釋壓速率下，泡核成長時(shí)間短，泡核尺寸小；而在較低的釋壓速率下，較長的長大時(shí)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(jīng)典成核理論中，釋壓速率被當(dāng)作一個(gè)常數(shù)來進(jìn)行研究，這顯然無法解釋其對(duì)成核速度和密度的影響，這也是需要對(duì)經(jīng)典成核理論進(jìn)行修正的原因之一。其他工藝參數(shù)對(duì)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(duì)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(duì)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(yù)填充量等。同時(shí)前人研究也表明，將經(jīng)典成核理論應(yīng)用于微細(xì)發(fā)泡注塑成型的成核過程的研究中，其結(jié)果與實(shí)際實(shí)驗(yàn)存在著較大的差異，需要對(duì)其進(jìn)行修正和改進(jìn)［11-12］。故如何綜合考慮上述工藝參數(shù)對(duì)泡核形態(tài)的影響，以及如