（机械电子工程专业论文）微孔发泡注塑成型工艺与关键设备的研究.pdf

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分析研究了注塑螺杆的几何参数及结构对塑化混合效果以及熔体温度均 匀性的影响；在螺杆几何参数优化的基础上，选择合理的结构( 主要是混炼元件 和常规三段) 开发设计了微孔发泡注塑成型专用螺杆，并建立一个始终恒定的螺 杆背压的液压系统；通过p r o e m e c h a n i c a 功能模块对专用螺杆的混合效果进行了 间接模拟分析。同时在原有简单的设备基础上，建立了基于电气控制的超临界气 体注入系统。 ( 4 ) 通过对各个工艺参数的比较分析，选取对泡孔平均直径影响较大的工艺 摘要微孔发泡注塑成型工艺j 关键设备的研究 参数作为研究对象。首先利用单个实验观察在充模流动方向不同位置上的泡孔平 均直径，其次采用单因素实验法考察所选的工艺参数对泡孔形态的影响规律以及 通过正交实验表验证模拟退化方法所优化的最优工艺参数组合的准确性。 研究结果表明，利用单因素实验法和模拟退火法相结合的微孑l 发泡注塑成型 工艺参数优化，以及螺杆、超l i 缶界气体注入系统等关键设备的改进有助于改善微 孔发泡制品的泡孔形态、有效地提高微孔发泡产品质量、降低生产成本、提高产 品竞争力。 关键词：注塑成型；微孔发泡；工艺参数；关键设备：泡孔形态 作者：王飞 指导老师：陈再良 r e s e a r c ho f ft e c h n o l o g i c a lp a r a m c l e r s a n dk e ye q u i p m e n to fm i c r o c c l l u l a rf o a md u r i n gi n j e c t i o nm o u l d i n ga b s t r a c t r e s e a r c ho nt e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r sa n d k e y e q u i p m e n t o fm i c r o c e l l u l a rf o a m d u r i n gi n je c t i o n m o u l d i n g a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h ep r i c e so fp l a s t i cr a wm a t e r i a l sh a v eb e e nr i s i n gb e c a u s eo ft h e e n e r g ys h o r t a g ee s p e c i a l l yo i l ，a n dh o wt os a v em a t e r i a l si nt h ep r e m i s eo fe n s u r i n gt h e p e r f o r m a n c e so ft h ep r o d u c t s ，i sah o ti s s u ea tp r e s e n t m i c r o c e l l u l a rf o a md u r i n g i n j e c t i o nm o u l d i n g i san e wt e c h n o l o g yt or e s e a r c ha n dd e v e l o p i te f f e c t i v e l y o v e r c o m e st h es h o r t c o m i n g so ft h et r a d i t i o n a lf o a mp r o c e s s ，s ot h i st e c h n o l o g yi s w i d e l yu s e da th o m ea n da b r o a d m a n yr e s e a r c h e ss h o wm a tt h ep e r f o r m a n c e so fm i c r o c e l l u l a ri n j e c t i o np r o d u c t s g r e a t l yd e p e n d so nt h eg e n e r a t e dm i c r op o r o u ss h a p e s - - - t h eh o l ed i a m e t e ra n dd e n s i t y , s oh o wt oc o n t r o lt h em i c r op o r o u ss h a p e si no r d e rt oe n s u r et h eq u a l i t yo fm i c r o c e l l u l a r i n j e c t i o np r o d u c t si so n eo ft h er e s e a r c hd i r e c t i o n si nt h i sf i e l d i nt h i sp a p e ri no r d e rt o c o n t r o lt h em i c r op o r o u ss h a p e so ft h ei n j e c t i o ns a m p l e st oi m p r o v et h eq u a l i t yo ft h e s a m p l e s ，m i c r o c e l l u l a rf o a ma n di n j e c t i o nt e c h n o l o g i c a lc o n d i t i o n s a n dt h ek e y e q u i p m e n t sf o rr e s e a r c ha r em a d ea st h eo b j e c t s t h i sa r t i c l em a i n l yi n c l u d e s ： ( 1 ) b a s e do nt h em e c h a n i s ma n a l y s i so fm i c r o c e l l u l a rf o a ma n di n j e c t i o np r o c e s s ， t h em a t h e m a t i c sm o d e lo fm e l tf i l l i n ga n df l o w i n gi se s t a b l i s h e d a n dt a k i n gt h eb u b b l e g r o w i n gu pa s t h ek e yr e s e a r c ho b j e c t ，b yi n t r o d u c i n gr e a s o n a b l eh y p o t h e s i sa n d s i m p l i f i e s ，t h eb u b b l ec e l lm o d e li su s e df o rt h em a t h e m a t i c sm o d e lo ft h eb u b b l e g r o w i n gu po nt h eb a s i so ft h eb a s i ce q u a t i o n so fh y d r o d y n a m i c i nt h em i c r o c e l l u l a r f o a ma n di n j e c t i o np r o c e s s ，m e l tf i l l i n ga n df l o w i n gc o n d i t i o ni sr e s e a r c h e db y m o l d f l o ws i m u l a t i o ne x p e r i m e n tt ot a k eat h i n w a l l e dp a r ta st h er e s e a r c ho b j e c t i t m a i n l yi n c l u d e st h ef i l l i n gt i m e ，t h ei n j e c t i o np r e s s u r e ，t h ef r o n tt e m p e r a t u r eo fm e l t f l o w i n g ，t h em e l to r i e n t a t i o na n dt h ew a r p i n gd e f o r m a t i o na n a l y s i s ( 2 ) i nt h em i c r o c e l l u l a rf o a ma n di n j e c t i o np r o c e s s ，m e l tf i l l i n ga n df l o w i n g c o n d i t i o ni sr e s e a r c h e db ym o l d f l o ws i m u l a t i o ne x p e r i m e n tt ot a k eat h i n - w a l l e dp a r ta s a b s t r a c tr e s e a r c ho nt e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r sa n dk c ye q u i p m e n to fm i c r o c e i i u l a rf o a md u r i n gi n j e c t i o nm o u l d i n g t h er e s e a r c ho b j e c t i tm a i n l yi n c l u d e st h ef i l l i n gt i m e ，t h ei n j e c t i o np r e s s u r e ，t h ef r o n t t e m p e r a t u r eo f m e l tf l o w i n g ，t h em e l to r i e n t a t i o na n dt h ew a r p i n gd e f o r m a t i o na n a l y s i s ( 3 ) t h r o u g ht h ea n a l y s i sa n dc o m p a r i s o n ，s e l e c tt h ep r o c e s sp a r a m e t e r si n f l u e n c i n g a v e r a g ed i a m e t e r so fb u b b l eh o l e sa st h er e s e a r c ho b j e c t s f i r s t ，t h ea v e r a g ed i a m e t e r s o fb u b b l eh o l e sa r eo b s e r v e di nd i f f e r e n tp o s i t i o n so ft h em o l df l o wd i r e c t i o nb yt h e s i n g l ee x p e r i m e n t ，t h e nb yt h es i n g l ef a c t o re x p e r i m e n tt h ei n f l u e n c el a wo ft h es e l e c t e d p r o c e s sp a r a m e t e r so nt h em i c r o p o r o u sf o r mi sr e s e a r c h e da n dt h ea c c u r a c yo ft h e o p t i m u mp r o c e s sp a r a m e t e r so fv a l i d a t i o ns i m u l a t i o nm e t h o di st e s t e dt h r o u g ht h e o r t h o g o n a le x p e r i m e n tt a b l e ( 4 ) 1 1 h ei n f l u e n c eo ft h eg e o m e t r i cp a r a m e t e r sa n ds t r u c t u r eo ft h es c r e wo nt h em e l tm i x i n g e f f e c ta n dm e l tt e m p e r a t u r eu n i f o r m i t yi sa n a l y z e d ；a n db a s e do ns c n 暑w g e o m e t r i cp a r a m e t e r s o p t i m i z a t i o nt h r o u g ht h eg e n e t i ca l g o r i t h m ，t h em i c r o c e l l u l a rf o a ma n di n j e c t i o nm o l d i n gs p e c i a l i z e d s c r e wi sd e s i g n e d ，a n das t a b l eb a c kp r e s s u r eh y d r a u l i cs y s t e mo ft h es c r e wi se s t a b l i s h e d ；as i m p l e s i m u l a t i o na n a l y s i so ft h es p e c i a l i z e ds c r e wo nt h em i x e de f f e c ti sm a d et h r o u g hp r o e m e c h a n i c a f u n c t i o nm o d u l e a tt h es a m et i m eo nt h eb a s i so ft h eo r i g i n a ls i m p l ee q u i p m e n t ，t h es u p e r c r i t i c a l f l u i ds y s t e mi se s t a b l i s h e db a s e do nt h ee l e c t r i c a lc o n t r 0 1 t h es t u d ys h o wt h a t ，a n dt h eo p t i m i z a t i o no ft h ep r o c e s sp a r a m e t e r sa n dt h ek e ye q u i p m e n to f m i c r o c e l l u l a rf o a ma n di n j e c t i o np r o c e s sh e l pi m p r o v et h e m i c r o p o r o u sf o r mo fm i c r op o r o u s f o a m i n gp r o d u c t s ，a n de f f e c t i v e l yi m p r o v em i c r op o r o u sf o a m i n gp r o d u c tq u a l i t y k e y w o r d s ：e c t i o np r o c e s s ；m i c r o c e l l u l a rf o a m ；t h et e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r s ；t h e k e ye q u i p m e n t ；t h em i c r o p o r o u sm o r p h o l o g y i v w r i t t e n b y f e iw a n g s u p e r v i s e db yz a i l i a n gc h e n 目录 第一章绪论l 1 1 引占l 1 2 微孔泡沫塑料1 1 3 微孔发泡注塑成型技术的概述2 1 4 微细发泡成型工艺类型3 1 4 1 发泡方式3 1 4 2 成型方法3 1 4 3 成型工艺4 1 5 微孔注塑成型工艺过程5 1 6 微孔发泡注塑成型的特点7 1 7 本课题的研究内容9 1 8 本章小结1 0 第二章微孔发泡注塑成型的充模流动分析1 1 2 1 微孔发泡注塑成型机理l l 2 2 微孔发泡注塑成型过程的数学模型1 3 2 2 1 聚合物气体均相体系形成l3 2 2 2 气泡成核1 4 2 2 3 泡孔长大15 2 2 4 气泡的稳定及固化过程2 l 2 3 基于m o l d f l o w 的充模流动分析2 2 2 4 充模过程的模拟分析2 3 2 4 1 模流分析前处理。2 3 2 4 2 参数选择2 4 2 4 3 结果与分析。2 5 2 5 本章小结2 8 第三章微孔发泡注塑成型工艺因素的研究2 9 3 1 微孔发泡注塑成型的工艺参数2 9 3 2 工艺参数的研究3 0 3 2 1 熔体温度的影响- 3 l 3 2 2 模具温度的影响3 2 3 2 3 减重的影响3 3 3 2 4 注射时间的影响3 4 3 2 5 气体含量的影响3 6 3 2 6 初始泡孔半径的影响3 7 3 2 7 初始泡核浓度的影响3 8 3 3 基于模拟退火法的微孔发泡注塑成型工艺参数优化3 9 3 3 1 模拟退火法3 9 3 3 2 m e t r o p o l i s 准则4 0 3 3 3 模拟退火法的基本原理和步骤4 0 3 3 4 数学模型的建立4 2 3 3 5 优化过程的实现与分析4 3 3 4 本章小结4 4 第四章微孔发泡注塑成型关键设备的研究4 5 4 1 注塑成型螺杆的结构与特点4 5 4 2 微孔发泡专用螺杆研究的理论依据4 7 4 2 1 螺杆对料简内物料的塑化4 7 4 2 2 螺杆对料筒内物料的混合效果5 0 4 2 3 螺杆对熔体温度均匀性的影响。5 0 4 3 微孔发泡专用螺杆几何参数及结构的研究5 l 4 3 1 螺杆几何参数的优化5 l 4 3 2 螺杆结构的研究5 4 4 3 3 螺杆稳定背压的建立。6 0 4 4 螺杆混合效果的模拟分析6 l 4 4 1 分布混合效果分析6 2 4 4 2 剪切速率分析6 2 4 4 3 粘度场分析6 3 4 4 4 剪切应力分析6 4 4 5 超临界气体注入系统的设计6 4 4 5 1 超临界气体产生装置6 5 4 5 2 流量计量及控制6 5 4 5 3 注气喷嘴的结构6 6 4 5 4 注入系统的电气控制6 7 4 6 本章小结6 8 第五章实验研究6 9 5 1 实验目的6 9 5 2 实验设备与实验材料6 9 5 2 1 实验设备6 9 5 2 2 实验材料7 0 5 3 实验工艺路线7 0 5 4 试样制备及泡孔形态表征7 l 5 5 实验结果与分析7 2 5 5 1 充模流动方向不同位置的泡孔结构7 3 5 5 2 不同工艺参数对泡孔结构的影响7 4 5 5 3 工艺参数的优化7 6 5 6 本章小结7 8 第六章总结与展望7 9 6 1 全文总结7 9 6 2 创新点8 l 6 3 研究展望8 l 参考文献8 3 攻读学位期间本人出版或公开发表的论文8 7 致谢8 8 微孔发泡t 扣塑成型t 艺o j 关键设备的研究 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪 论 随着近年来能源尤其是石油的短缺，导致塑料原料价格不断上涨，如何在保 证产品性能的前提下来节约塑料原料，是目前研究的一个热点。微孔发泡注塑成 型工艺( m i c r o c e l l u l a rf o a md u r i n gi n j e c t i o nm o u l d i n g ) 就是在这个背景下所开发和 研究的一项新技术。该技术通过在塑料熔体中加入超临界的氮气( n 2 ) 或者二氧 化碳( c 0 2 ) ，使得在注塑制品内部形成致密的微孔，大小为o 1 l o um 微孔的存 在能够大大节约塑料原料，同时使得塑料制品具有较好的机械性能。 在微孔发泡注塑成型工艺中，采用不活泼气体、无毒、不可燃的c 0 2 或n 2 等 作为发泡剂，对温室效应的影响小，且生成的微孔直径小且均匀，有效地克服了 传统发泡工艺的缺点，因而该技术在国内外得到广泛应用【卜2 1 。 1 2 微孔泡沫塑料 普通泡沫塑料的泡沫微孔直径一般大于1 0 01 tm ，密度也少于1 0 6 个c m 3 。这 些泡沫微孔在受力时容易形成裂纹，大大降低了材料的强度。为了克服泡沫塑料 力学性能弱的缺点，又能保持泡沫塑料的质轻、吸收冲击载荷等独特优点，自2 0 世纪8 0 年代初fm a r t i n i 等人首先提出微泡增韧性塑料概念后，美国麻省理工学院 ( m i t ) 的c o l t o n 和s u h 等研究人员以c 0 2 或n 2 等惰性气体作为发泡剂，研制 出泡孔直径为微米级的泡沫塑料，称为微孔泡沫塑料( 简称微孔塑料，m i c r oc e l l u l a r f o a m ，缩写m c f ) 。其设计思想来源于以下事实： ( 1 ) 当泡沫塑料中的泡孔平均直径小于材料内部的裂纹时，泡孔的存在不会 降低材料的强度；( 2 ) 由于微孔的存在使材料中原有的裂纹尖端钝化，有利于阻 止裂纹在应力作用下的扩展，改善塑料的力学性能【3 羽。 近几年来，随着性价比高、对环境无污染、易于回收利用的工程塑料广泛应 用于建筑、交通、航空航天、包装、生物工程等领域，研究开发微孔泡沫塑料成 了热门课题。众多实验结果表明，微孔塑料具有比普通泡沫塑料更优异的力学性 能，显著特点就是具有良好的冲击韧性( 可达实体塑料5 倍以上) 、高刚性比( 可达 第一章绪论微孔发泡注塑成型t 艺i 关键设备的研究 实体塑料3 5 倍) 、高疲劳寿命( 可达实体塑料5 倍以上) 、高稳定性、低介电常数 和热导率等，同时适合极小尺寸的泡沫制品，热塑性微孔塑料的大多数特性已超 过相应实体工程塑料，性价比更高，因此在理论研究领域和工业应用方面倍受关 注，具有极大的应用前景【l 】。 1 3 微孔发泡注塑成型技术的概述 以气室发泡法而著称的微孔发泡注塑成型技术是利用气体超i 临界液体状态在 整个聚合体中产生尺寸统一和分布均匀的微小的气孔，根据聚合体不同的材质及 应用，其尺寸通常为0 1 一l o i lm 的发泡注塑成型技术。超临界气体是指温度超过 某一临界值、压力超过某一临界值，处于超临界气体状态的物质，同时具有气液 两相的性质，如图1 1 所示。超临界气体可以显著地提高其在聚合物中的扩散速度。 采用超临界气体制备微孔塑料的基本原理剐2 】：利用超临界气体高度饱和的聚合物 熔体气体混合体系在冷却过程中产生极大的热力学不稳定性的特点，通过控制改 变体系的压力和温度等工艺参数的方法，使聚合物熔体中形成大量的以超临界介 质为泡核的微孔泡沫塑料。微孔泡沫塑料的具体形成条件是【i 】：泡孔成核速率必须 很高( 是传统发泡工艺的数量级倍) ，而且成核速率要大大高于发泡剂扩散进泡孔的 速率( t i p 泡孔增长速率) 。在这种条件下，开始增长之前会产生大量的泡孔，当发泡 剂扩散成为发泡过程的主导时，所有泡核以几乎相同的速率同时开始增长，这样 就得到了泡孔分布均匀、尺寸均匀的微孔塑料。实现上述条件的关键在于发泡剂 以及泡孔成核速率。由于价格便宜以及对环境没有污染，而且采用c 0 2 或n 2 的超 临界气体做发泡剂时，可以实现微孔塑料所需的很高的成核速率，而不需要添加 成核剂，如滑石粉等，所以二氧化碳和氮气常被用来做发泡剂生产微孔塑料。 微孔塑料注塑成型可以大大减轻制品的重量，缩短生产周期，提高制品表面 质量，减少制品翘曲，降低残余应力，增加制品尺寸的稳定性和准确性，适用于 大多数聚合物，加工过程所需温度和压力较低，不需要化学发泡剂，也不需要烃 类溶剂和成核剂，可以扩大产品的结构形式，还可以改变温度形成泡核，与改变 压力法相比，更易于控制【l 】。 2 微孔发泡 塑成型下艺j 关键搜蔷的研究第一章绪论 压力 临界 压力 临界温度 温度 图1 1 气体物象图 1 4 微细发泡成型工艺类型 微孔发泡塑料作为一种新型的材料，制造微孔发泡塑料的过程是多种多样的。 近年人们对其制备方法进行了广泛的研究，归纳起来现行的发泡工艺主要有： 1 4 1 发泡方式 目前制备微孔发泡塑料最常用的发泡方法有物理发泡法、化学发泡法和机械 发泡法三种【刀。 ( 1 ) 物理发泡：分为惰性气体发泡法、可发性珠粒法和中空球法三种。 ( 2 ) 化学发泡：分为发泡剂法和原料反应法。 ( 3 ) 机械搅拌法：其原理是利用机械搅拌使空气卷入树脂体系而发泡。 1 4 2 成型方法 目前，制备微孔泡沫高分子塑料的方法主要有( 热引导) 相分离法，单体聚 合法，压缩流体反溶剂沉淀法和超饱和气体法【8 1 。 ( 1 ) ( 热引导) 相分离法【9 1 。( 热引导) 相分离法是利用热塑性的高聚物与某 些高沸点的小分子化合物( 稀释剂) 在较高的温度( 一般高于玻璃化转变温度， 以下用t g 表示) 下形成均相溶液，温度降低时会发生固液相分离，脱除其中的稀 释剂而形成微孔发泡高分子材料的加工方法。 ( 2 ) 单体聚合法【阐。该方法利用微乳液的热力学稳定性和有序的微孔结构， 3 第一章绪论微孔发泡沣塑成型t 艺j 关键设备的研究 用反相微乳液聚合来制备微孔发泡高分子材料。 ( 3 ) 压缩流体反溶剂沉淀法】。其基本过程是以超临界二氧化碳气体( s c c 0 2 ) 作为反溶剂，将聚合物溶液通过毛细管喷射进入s c c 0 2 之中，由于s c c 0 2 和溶剂 的相互作用，使聚合物干燥并处于玻璃态，高速扩散和强烈雾化使体系产生相分 离，形成带有微孔的颗粒。 ( 4 ) 超饱和气体、法【1 2 】。此方法是使超临界气体在高压下溶于聚合物中，形成 聚合物气体均相体系，然后将聚合温度升高或压力降低，使气体在聚合物中的溶 解度降低，气体在聚合物中呈现热力学上的过饱和态，引发泡核形成，体系分相， 气体继续向泡核扩散，气泡长大，最后定型得到微孔发泡高分子材料。 1 4 3 成型工艺 在上述四类成型技术中，以超饱和气体法应用较广，并已成功地实施了三类 工艺方法：间歇法、半连续法和连续法( 挤出成型和注塑成型) 【8 】。 ( 1 ) 间歇法( 釜压法) 1 3 1 。其工艺过程为：在温度低于聚合物t g 的条件下， 把聚合物置入充满高压气体的压力容器中，气体通过扩散渗透形成聚合物熔体气 体均相体系，然后将聚合物零件取出，放入温度控制在聚合物t g 左右的常压油槽 中，由于外部压力突然急剧下降和温度上升，使聚合物内部溶解的气体具有极高 的过饱和度，瞬间形成大量的气泡核并开始膨胀；最后将泡孔已膨胀到所需尺寸 的聚合物零件放入冷水槽中急冷，使其固化定型，制备出微孔发泡制品。间歇法 控制参数少，比较容易控制泡孔尺寸，也易于观察分析加工过程对结构与性能的 影响，但制备周期长，生产效率低，不适合工业化生产，常适用于理论研究。 ( 2 ) 半连续法【1 4 】。半连续法亦称改进热成型法。制备时先将预饱和聚合物片 材加热至t g 附近，使泡孔成核，然后在具有较高温度( t g ) 的模具中让泡孔膨胀 至一定尺寸的热成型片材。 ( 3 ) 连续挤出法【1 5 】。在半连续生产工艺基础上将聚合物颗粒及助剂由料斗喂 进挤出机中，熔融并混合均匀，将超临界气体由高压泵增压后经计量装置连续定 量地注入聚合物熔体中，通过螺杆的剪切合作，超临界气体极好的扩散性以及静 态混合器增强混合的作用，在较短的时间内形成聚合物熔体气体均相体系；然后 经过快速释压元件( 成核喷嘴) ，使熔体压力快速下降，熔体中溶解的气体产生极 大的热力学不稳定性( 呈过饱和态) ，瞬间形成大量的微孔气泡核，最后泡体膨胀 4 微扎发泡注塑成型t 艺0 关键 搜备的研究第一章绪论 并流入成型定型装置冷却成型，得到微孔发泡制品。 ( 4 ) 注塑成型法【1 6 】。其特点是能次成型尺寸精确，外形复杂的微孔发泡制 品，成型周期短，生产效率高，而且容易实现生产自动化。其原理是将聚合物熔 体气体均相体系由静态混合器进入扩散室，在这罩通过加热器快速加热。由于温 度急剧升高使气体在聚合物熔体中的溶解度显著下降，过饱和气体由熔体中析出 形成大量的微细气泡核。为了防止扩散室内已形成的气泡核膨胀，扩散室内要保 持高压。当螺杆前移使含有大量微细气泡的聚合物熔体注入型腔时，由压缩空气 提供的压力防止了气泡在充模过程中过分膨胀。与此同时，由于模具的冷却作用 使泡体固化定型。另外，注塑成型还可以利用改变压力法来引发气泡核。 1 5 微孔注塑成型工艺过程 i 1 31 2- i1 0g8 图1 - 2 微孔发泡注塑成型设备示意图 1 一机筒2 一螺杆3 一混合元件4 一扩散室5 一加热室6 一型腔7 一模具8 一气阀 9 一高压气瓶1 0 一静态混合器1 l 一高压气瓶1 2 一计量阀1 3 一加热器1 4 一料斗 微孔塑料注塑成型设备示意图如图1 2 所示i n l 引。聚合物固体颗粒由料斗加入 机简，通过螺杆的机械摩擦和加热器的加热作用使聚合物颗粒熔融。高压气瓶中 的气体通过计量阀的控制以一定的流率注入机筒内的聚合物熔体中，然后通过螺 杆头部的混合元件及静态混合器将聚合物气体两相体系混合为聚合物气体均相 体系。随后聚合物气体均相体系进入扩散室，通过分子扩散使体系进一步均化。 最后，通过加热器快速加热，从而使气体在聚合物熔体中的溶解度急剧下降，诱 导出极大的热力学不稳定性，气体从聚合物熔体中析出形成大量的微孔气泡核。 为了防止机简内已形成的气泡核长大，机筒内必须保持高压。当型腔中充满压缩 空气后，螺杆前移，使含有大量微细气泡核的聚合物熔体注入型腔内。由压缩空 5 第一章绪论徽孔发泡注塑成型工艺与关键设备的研究 气所提供的背压可以尽量减少气泡在充模过程中的膨胀。当充模过程结束后，型 腔内压力的下降使气泡膨胀，同时模具的冷却作用使泡体固化定型。 微孔注塑成型工艺具体可以分为以下四个过程【。9 1 ，图1 4 所示： ( 1 ) 单相溶液的形成 所谓单相溶液是将超临界状态的c 魄或均匀分散并溶解于聚合物熔体中形 成的单一相溶液。在微孔注塑过程中，在螺杆复位时将超临界气体( s c f ) 注入注射 机的机筒内，在螺杆向前输送物料时，s c f 逐渐融入熔体内，形成单相溶液。单 相溶液一旦形成，便在一定压力( m p p ) 下保持，它是均匀成核作用产生的必要条件。 一 气体 气体注入帆筒沤合扩敲 扩戢热力学不稳定冷却 一_ _ 。_ 。- _ _ _ - _ 。_ _ _ 一 _ 一 o 一一；霎| | | 聚裔明柙气伴 震骨砑，气体 震 拐气体采台砑，气俸气抱攘形成挹孔长凡跫翌 两相溉台物两鞭混合物均相体系 弋 均相体系形成过程 图1 3 均相体系的形成 ( 2 ) 均匀成核 从理论上看，只有单相溶液经历足够的热力学不稳定过程，使其同时产生数 以万计的气泡核时，才能发生均匀成核作用。就注塑过程而论，当注射机机简内 一定压力下的聚合物溶体注入模腔时，由于模腔内的溶体压力比机筒内的溶体压 力低的多，因此产生极大的热力学不稳定过程，使溶解在聚合物熔体中的超临界 气体瞬时析出，形成大量的气泡核。尽管单相溶液不可能瞬间充满模腔，但注射 时间一般要短的足以产生均匀的成核过程。 ( 3 ) 微孔长大 成核作用完成后，微孔就开始长大。微孔的长大是气体分子扩散进入气泡核 的过程，由于成核点内的气体浓度低于成核点外气体的浓度，因此在这种浓度差 的驱动下，气体分子扩散进入成核点，微孔持续长大，直到达到浓度平衡或者塑 料熔体冻结。此时熔体己建立起足够的刚性承受微孔中的气体压力。因此微孔的 长大是其抑制力和微孔内压力的函数。 ( 4 ) 制品成型 6 微孔发泡注塑成型工艺与关键设备的研究第一章绪论 微孔发泡注塑的最后一步是制品成型。在注塑过程中，模具为注塑件的形状 成型和冷却提供了手段。微孔尺寸的平均性和均匀性取决于物料和工艺条件。 图 彻囡 。c ，图 i d ) 鼍台一气体 _ 帼溶潼 图l _ 4 微孔注塑成型过程简图 ( a ) 加料；( b ) 输送熔融；( c ) s c f 注入和混合；( d ) 熔体注塑 1 6 微孔发泡注塑成型的特点 在微孔发泡注塑成型中，溶入到塑料熔体中的超临界气体对塑料熔体的黏度、 注塑成型周期、注塑件重量和注塑件的综合机械性能都有着显著的积极影响。 ( 1 ) 降低熔体黏度，便于成型加工 采用超临界气体作发泡剂，对熔体具有稀释和塑化作用，降低了熔体的玻璃 化温度，使熔体黏度减小，使加工温度可以大幅度降低，因此便于成型加工；同 时由于没有保压过程，降低熔体黏度有助于降低注塑压力和锁模力，降低对注塑 设备的要求，从而减低成本【2 0 】。 ( 2 ) 缩短成型周期，减小制品的翘曲变形 微孔发泡注塑成型工艺可以将成型周期缩短2 0 - 5 0 ，这主要是因为微孔均 匀的内部气体压力提供了充模所需的模腔压力，而压实和保压是传统注塑周期的 主要构成部分，因此，微孔注塑成型大大缩短了压实和保压过程，甚至不用保压。 此外微孔发泡的成核过程和泡核的长大过程都是吸热反应，从而缩短了冷却时间， 7 圜 第一章绪论微孔发泡注塑成型t 艺j 关键设备的研究 因此生产周期缩短。同时由于不需要保压，因此也减少了制品的翘曲变形。图卜5 所示为微孔发泡注塑的成型周期与传统注塑的成型周期的比较2 1 也2 1 。 传统不 发泡工 矽 - 一 注射开始保压冷却 徽孔发 泡i 艺 健过雄笪冷却时问缩短 短或者消除 图i - 5 超临界气体对成型周期的影响 ( 3 ) 减小了制品壁厚和产品重量 微孔发泡注塑成型技术是将一部分聚合物熔体注入型腔，再利用超临界气体 的发泡作用将剩余的空问填满，因此，减少了制件的原材料用量，减轻了产品的 重量。同时因为单相熔融物能均匀成核，所以微细发泡成型工艺可以在很薄的制 品上控制重量的减少，相对于传统发泡注塑成型，可以成型更薄壁厚的产品。在 微细发泡注塑成型工艺中，减重主要由流动长度与注塑件厚度之比一流动l 匕( l t ) 这一重要因素决定的。图1 6 为减重与流动比的关系曲线。利用这一曲线，可以求 出微细发泡注塑成型的制品减重预期值【2 3 】。 ( 4 ) 制品综合性能优异 由于微孔代替了塑料，塑件的机械性能显然会有所改变。通常塑件的弯曲性 能随重量的降低改变不大，而对于拉伸性能则表现了不同的情况，产品减重5 ， 制件的拉伸性能初始下降很大，最高降低会达到2 0 以上，之后开始恢复。产品 冲击性能的改变趋势与拉伸性能类似，但对于含填充物的塑料，冲击性能的下降 相对较小【2 5 2 酣。 8 微孔发泡注塑成型工艺t j 关键设备的研究第一章绪论 x 、 魁 馨 嘲 趸 4 0 3 5 一 琴3 0 摩姜三 卜j 弋一+ 卜l 裂 雹 a u 7 51 0 01 2 51 5 0 l 1 5z 口qz z 3 2 5 0 i t 图1 - 6 重量降低与流动比的关系曲线【2 4 】 1 7 本课题的研究内容 在微孔发泡注塑成型中，经过单相溶液的形成、均匀成核、泡空长大和固化 定型四个阶段将超临界气体溶入到塑料熔体中，对塑料熔体的黏度、注塑成型周 期、注塑件重量和注塑件的综合机械性能都有