微發(fā)泡注塑PP及其工藝影響因素

/微發(fā)泡注塑PP及其工藝影響因素微孔發(fā)泡PP是指泡孔分布均勻、泡孔平均直徑在1～100m，泡孔密度大約為106～1011個(gè)/cm3，材料的密度相比于未發(fā)泡削減8～15%的發(fā)泡材料，由于微孔發(fā)泡PP中的微孔更改了原始聚合物材料中應(yīng)力的分布以及應(yīng)力在材料中的傳遞方式，使得微發(fā)泡聚合物表現(xiàn)出有別于其他連續(xù)材料的力學(xué)特性。比如具有質(zhì)輕、比強(qiáng)度高、隔音、沖擊強(qiáng)度更高等優(yōu)點(diǎn)，并且其抗疲乏壽命甚至可以數(shù)十倍地提高，同時(shí)其絕緣、保溫性能等也會(huì)大幅度地加添。因此，微發(fā)泡PP特別適用于對(duì)材料輕量化要求較高的領(lǐng)域，如汽車、軌道交通，船舶，風(fēng)機(jī)葉片等。目前，微發(fā)泡PP重要有以下幾種成型方法：①間歇成型法②連續(xù)擠出成型法③注塑成型法。但是，間歇成型法，生產(chǎn)周期長，不適合應(yīng)用于大規(guī)模工業(yè)化；連續(xù)擠出成型法雖然可以縮短生產(chǎn)周期，但是連續(xù)擠出成型法僅能制造結(jié)構(gòu)簡單的制品，限制了其應(yīng)用范圍。而注塑成型法具有生產(chǎn)周期短，又能制造多而雜結(jié)構(gòu)原件，可在傳統(tǒng)注塑機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，因此是目前工業(yè)上重要采納的方法。1.微發(fā)泡注塑成型技術(shù)的工藝與原理注塑成型技術(shù)的原理是利用快速更改溫度來使聚合物/氣體均相體系進(jìn)行微孔發(fā)泡，下圖為典型的微孔塑料注塑成型技術(shù)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。其工藝過程為：聚合物粒料通過料斗加入機(jī)筒，通過螺桿的機(jī)械摩擦和升溫加熱器使粒料熔為聚合物熔體，N2或CO2等小分子氣體通過計(jì)量閥的掌控以肯定的速率注入機(jī)筒內(nèi)的聚合物熔體中（或通過在聚合物中添加化學(xué)發(fā)泡劑分解產(chǎn)生氣體），與聚合物熔體混合均勻，形成聚合物/氣體均相體系。隨后，聚合物/氣體均相體系由靜態(tài)混合器進(jìn)入擴(kuò)散室,通過分子擴(kuò)散使體系進(jìn)一步均化，在這里通過快速升溫加熱器（例如，在1s內(nèi)使熔體溫度由190℃上升至240℃）使氣體在聚合物熔體中的溶解度急劇下降，過飽和氣體由熔體中析出形成大量的微小氣泡核。為了抑制擴(kuò)散室內(nèi)已形成的氣泡核快速生長,擴(kuò)散室內(nèi)必需保持高壓狀態(tài)。在進(jìn)行注射操作前,模具型腔中充分壓縮氣體。螺桿向前移動(dòng)到位置后，將含有大量微小氣泡核的聚合物熔體注入型腔內(nèi),壓縮氣體供給的壓力可以防止泡孔在填充過程中的過分膨脹。填充過程結(jié)束后，降低型腔內(nèi)的壓力可以使泡孔膨脹。與此同時(shí)，模具的冷卻作用使泡孔固化成型。2.工藝參數(shù)對(duì)微發(fā)泡PP性能的影響發(fā)泡PP的性能倚靠于發(fā)泡材料的相對(duì)密度和泡孔的結(jié)構(gòu)特征。對(duì)于泡孔結(jié)構(gòu)而言，加添泡孔尺寸分布的均勻性和削減泡孔尺寸是加強(qiáng)發(fā)泡制品性能的關(guān)鍵因素。有學(xué)者對(duì)此進(jìn)行討論發(fā)覺：在相同的密度條件下，泡孔尺寸越小，分布越均勻，發(fā)泡材料的拉伸性能越高；材料的減重幅度增大，拉伸性能降低；發(fā)泡制品的沖擊強(qiáng)度跟相對(duì)密度以及皮層厚度有很大的等。對(duì)于注塑發(fā)泡PP來說，其發(fā)泡形貌受到溫度、剪切力、型腔壓力等的多重影響。注塑過程中工藝條件設(shè)置、添加納米粒子、聚合物共混等對(duì)于獲得較好發(fā)泡質(zhì)量的制品有著很大的促進(jìn)作用。注塑條件的影響對(duì)于發(fā)泡材料來講，泡孔的成核和長大是掌控發(fā)泡形貌的關(guān)鍵因素。成核速率與壓力降低速率有關(guān)，而注射速率參數(shù)直接決議了壓力降低速率的大小。充模過程中，較高的注射速率縮短了充模時(shí)間，使得熔體各區(qū)域溫度差降低，模內(nèi)壓力得到均勻釋放。泡孔的長大受到熔體溫度和熔體壓力的限制。熔體溫度對(duì)表面張力、熔體黏度和氣體的溶解度產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響氣體的擴(kuò)散和長大；射膠量影響著充模后型腔的熔體壓力，探究合適的射膠量和熔體溫度對(duì)于泡孔形態(tài)掌控至關(guān)緊要。注射速率的影響重要針對(duì)充模中形成的泡孔，在未注滿和恰好注滿型腔時(shí)，注射速率的增大有利于泡孔數(shù)目的增多；假如射膠量過大，充模過程中生成的泡孔會(huì)重新溶解在熔融的樹脂基體中；大泡孔的生成重要由冷卻收縮造成，注射速率對(duì)發(fā)泡形貌的影響很小，而zui終形貌的定型重要倚靠于充模結(jié)束后的熔體壓力和溫度。注塑壓力的增大和較高的模溫掌控有助于加添泡孔密度，降低皮層厚度。一方面充模時(shí)間縮短，熔體進(jìn)入型腔后仍具有較高的溫度，使得發(fā)泡時(shí)間延長皮層厚度降低；另一方面熔體在通過噴嘴時(shí)，壓力降速率增大誘發(fā)了大量的氣體成核，泡孔密度加添；對(duì)于成核本領(lǐng)較強(qiáng)的PP熔體，應(yīng)適當(dāng)降低射膠量以供給肯定的發(fā)泡膨脹空間，這樣可獲得較小的泡孔尺寸。發(fā)泡工藝的影響微發(fā)泡注塑工藝一般是指單相熔體射入肯定體積的型腔中，射入的單相熔體體積小于型腔體積以供給多余的空間進(jìn)行發(fā)泡。這種發(fā)泡工藝操作簡單，但由于受到型腔內(nèi)部剪切流和溫度的影響，氣體損失較大，泡孔結(jié)構(gòu)不一致從而造成力學(xué)性能的損失。為了解決上述泡孔問題，可以采納一種新型的發(fā)泡工藝注壓發(fā)泡。其步驟是單相熔體首先注入到一個(gè)打開的型腔中，利用多余空間發(fā)泡后在很短時(shí)間內(nèi)依靠鎖模力壓縮至所需的試樣厚度。從平行于流道方向上察看可發(fā)覺，矩形試樣在靠近型腔表面顯現(xiàn)較大泡孔變形的區(qū)域降低25%，且泡孔尺寸偏差明顯降低。這是由于熔體填充完畢后，施加壓力使得型腔內(nèi)部熔體壓力增大，臨界成核半徑增大，制品內(nèi)部泡孔尺寸重新分布且趨于一致。也可以利用退芯成型和氣體反壓聯(lián)合應(yīng)用制備發(fā)泡材料。討論發(fā)覺：在厚度方向上，由于退芯和氣體反壓的施加使得泡孔的尺寸分布偏差明顯削減（少于5%），表面質(zhì)量得到改善?；蛘卟杉{延時(shí)二次開模方法對(duì)PP進(jìn)行發(fā)泡。比如在熔體注滿型腔后延遲9s使動(dòng)模在厚度方向上打開到所需厚度，釋放空間進(jìn)行發(fā)泡，可使PP的結(jié)晶度有所加添。而早期晶體的形成，使的晶體四周氣體濃度上升，促進(jìn)了泡孔的成核。3.總結(jié)注塑發(fā)泡由于自身的優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)上具有很好的應(yīng)用前景。但是注塑發(fā)泡成型泡孔受到多而雜注塑環(huán)境的影響，往往不能得到理想的發(fā)泡制品，這也限制了其性能的提高。通過工藝條件的改進(jìn)在肯定程度上改善發(fā)泡質(zhì)量，獲得平均直徑更小、分布更窄,而密度更大的泡孔。但是微孔聚