（机械设计及理论专业论文）微孔发泡注塑工艺研究.pdf

学位论文数据集 中图分类号t q 3 2学科分类号 4 6 0 2 0 9 9 论文编号 1 0 0 1 0 2 0 1 2 0 7 2 7 密级公开 学位授予单位代码 10 0 1 0 学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名夏青学号 2 0 0 9 0 0 0 7 2 7 获学位专业名称机械设计及理论获学位专业代码 0 8 0 2 0 3 课题来源企业横向课题研究方向聚合物加工 论文题目 微孔发泡注塑工艺研究 关键词 微孔发泡 泡孔 减重 工艺参数 注塑成型 论文答辩日期 2 0 1 2 5 2 6 论文类型应用研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名职称工作单位学科专长 指导教师 李庆春研究员北京化工大学聚合物加工 评阅人1何亚东研究员北京化工大学聚合物加工 评阅人2闫宝瑞高工北京化工大学机电控制 中国石化总公司北 答辩委员纵赵月云高工聚合物加工 京化工研究院 答辩委员l吴大鸣研究员北京化工大学聚合物加工 答辩委员2薛平研究员 北京化工大学 聚合物加工 答辩委员3何亚东研究员北京化工大学聚合物加工 答辩委员4闫宝瑞高工北京化工大学机电控制 答辩委员5刘颖副研究员 北京化工大学聚合物复合材料 答辩委员6王克俭副研究员北京化工大学聚合物加工 答辩委员7任冬云副研究员北京化工大学 聚合物加工 答辩委员8金志明副研究员 北京化工大学聚合物加工 答辩委员9何继敏副研究员 北京化工大学聚合物加工 答辩委员1 0 刘广建高工北京化工大学聚合物加工 答辩委员1 1赵中里讲师北京化工大学 聚合物加工 二 中图分类号在 中国图书资料分类法 查询 三 学科分类号在中华人民共和国国家标准 g b t1 3 7 4 5 9 学科分类与代码 中 查询 四 论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成 摘要 微孑l 发泡注塑工艺研究 摘要 微发泡注塑成型技术是一项新型的微孔塑料加工技术 能在最大程度 减重的基础上保留制品的机械强度 因此具备广泛的应用前景 特别是在 宇航 汽车等领域 国外对于微发泡注塑成型研究起步相对较早 2 0 1 1 年 美国t r e x e l 公司的m u c e l l 工艺成功市场化应用 而国内微发泡注塑 成型研究仍大都处于数值模拟阶段 本文通过模拟和实验两种方法 对微发泡注塑成型工艺进行了全面的 探索和研究 得出了各工艺参数对泡孔结构和减重比等响应影响的基本规 律 模拟方面 建立模拟模型研究工艺参数初始填充量 熔体温度 注气 量和注射时间等对微发泡制品泡孔半径 最高注射压力 残余应力和翘曲 变形的影响 把模拟结果与实验中实际情况进行比较 验证分析模拟模型 的适用性 实验方面 我们根据不同的注气原理 设计搭建了非连续和限流式两 套注气系统 首先对基于非连续注气系统的微发泡注塑成型工艺进行了研 究 主要包括注气工艺参数 注气压力和背压 与注塑工艺参数 塑化长 度 注射速度 注射压力 螺杆转速和熔体温度 得出了注气量与注气 压力 背压的基本关系 各工艺参数对泡孔结构和减重比影响的基本规律 其次对限流式注气系统进行了初步研究 在准确计量气体注入量的基 础上 得到了注气量与注气压力 背压的关系 注气量对减重比和制品表 面质量的影响 同时得到了注气量 注射速度和熔体温度对泡孔结构影响 1 北京化工大学硕士学位论文 的基本规律 提高注气量和注射速度是改善泡孔结构的有效措施 注射速 度引起的压力降速率变化是成核的关键因素 p s 相对于p p 可以取得更好 的发泡效果 平均泡孔直径l o g m 泡孔密度1 5 1 0 8 个 c m 3 关键词 微孔发泡 泡孔 减重 工艺参数 注塑成型 a b s t r a c t t h ep r o c e s s i n gr c t o r so fm i c r o c e l l u l a r i n j e c t i o nm o l d i n g a b s t r a c t m i c r o c e u u l a ri n j e c t i o nm o l d i n gi san e wm e t h o df o rp r o d u c t i o no ff o a m t e c h n o l o g y m e c h a n i c a ls t r e n g t ho fp r o d u c t s c a nb er e t a i n e do nt h eb a s i s o ft h em a x i m u m d e g r e eo fw e i g h tl o s s t h e r e f o r e t h i st e c h n o l o g yh a saw i d e r a n g e o fa p p l i c a t i o n s e s p e c i a l l y i nt h e a e r o s p a c e a u t o m o t i v e f i e l d s m i c r o c e l l u l a ri n je c t i o nm o l d i n gd e v e l o p e de a r l ya b r o a d i n2 011 m u c e l l f r o mt r e x e lw a sa p p l i e di nt h em a r k e ts u c c e s s f u l l y m i c r o c e l l u l a ri n j e c t i o n m o l d i n g i ss t i l li nt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o ns t a g ei no u r c o u n t r y i nt h i sp a p e r w es t u d i e dt h ep r o c e s s i n gf a c t o r so fm i c r o c e l l u l a ri n j e c t i o n m o l d i n go nt h eb a s e so ft h et w om i c r o c e l l u l a ri n j e c t i o nm o l d i n gs i m u l a t i o n a n de x p e r i m e n tp l a t f o r m sw ee s t a b l i s h e d d r a wt h eb a s i cl a wo ft h ev a r i o u s p r o c e s sp a r a m e t e r so nt h er e s p o n s eo ft h ec e l l w e i g h tl o s s e t c t h ei m p a c to f 蝎e c t i o nm o l d i n g p r o c e s si n c l u d i n gf i np e r c e n t a g e m e l t t e m p e r a t u r e p e r c e n t a g eo ft h ei n j e c t e dg a s i n j e c t i o nt i m ea n dt h em o l d t e m p e r a t u r eo nc e l ls t r u c t u r e m a x i m u mi n j e c t i o np r e s s u r e r e s i d u a ls t r e s sa n d w a r p a g ew e r es t u d i e d c o m p a r e dt h o s ew i t ht h ea c t u a ls i t u a t i o n a n a l y z e dt h e u i 北京化工大学硕士学位论文 v a l i d i t y a n dl i m i t a t i o n so ft h i s m o d e l c o m p a r e dm i c r o c e l l u l a ri n je c t i o n m o l d i n gw i t hc o n v e n t i o n a li n je c t i o nm o l d i n gp r o c e s s a n a l y z e dt h ea d v a n t a g e s o fm i c r o c e l l u l a ri n j e c t i o nm o l d i n g a tl a s t m i c r o c e l l u l a ri n j e c t i o nm o l d i n g p r o c e s so p t i m i z e db yr e s p o n s es u r f a c ed e s i g nb o x b e h n k e n w ed e s i g n e da n dc o n s t r u c t e dt w os e t sg a si n je c t i o ns y s t e mi n t e r m i t t e n t a n dl i m i td e p e n d i n go nt h ed i f f e r e n tg a si n je c t i o np r i n c i p l e i m p a c to ft h eg a s i n j e c t i o np a r a m e t e r si n c l u d i n g g a si n j e c t i o np r e s s u r ea n db a c kp r e s s u r ea n d i n j e c t i o nm o l d i n gp r o c e s si n c l u d i n gp l a s t i c i z i n gl e n g t h i n je c t i o ns p e e d s c r e w s p e e da n dm e l tt e m p e r a t u r eo np r o d u c ts u r f a c eq u a l i t y w e i g h tl o s sa n dc e l l s t r u c t u r ew e r es t u d i e do nt h eb a s i so fi n t e r m i t t e n tg a si n j e c t i o ns y s t e m a tt h e s a m et i m e w ec a r r i e do u tap r e l i m i n a r yw o r ko nt h el i m i tg a si n j e c t i o n s y s t e m o b t a i n e dt h eb a s i cr e l a t i o n s h i po ft h eg a si n je c t i o nq u a l i t ya n dt h e w e i g h tl o s s o nt h eb a s i so fc o n t r o lt h ea m o u n to fg a si n je c t i o na c c u r a t e l y w eo b t a i n e dt h ep r o d u c t sw i t ha v e r a g ec e l ld i a m e t e ru pt olo g mb a s e do nt h e r o u n dt h i ns h e e tm o l d k e yw o r d s m i c r o c e l l u l a rf o a m c e l l u l a r w e i g h tl o s s p r o c e s sp a r a m e t e r i n je c t i o nm o l d i n g i v 目录 目录 第一章绪论 1 1 1 微发泡注塑成型技术 1 1 1 1 微发泡注塑成型制品的优势与应用 1 1 1 2 微孔发泡塑料的发展历程 2 1 2 微发泡注塑成型设备与工艺方法 3 1 3 微发泡注塑成型工艺参数 6 1 3 1 微孔发泡注塑成型数值研究现状 7 1 3 2 微孔发泡注塑成型实验研究现状 8 1 4 本课题的主要研究内容 目的和意义 9 1 4 1 本课题的主要研究内容 9 1 4 2 本课题的研究目的和意义 9 第二章实验原理与平台 1 1 i l 言 1 1 2 1 模拟平台 1 1 2 1 1 模拟应用软件 1 1 2 1 2 微发泡注塑成型工艺参数模拟 1 2 2 1 2 1 数值计算原理 1 2 2 1 2 2 模拟参数设置 1 4 2 1 2 3 新建工程 一1 4 2 1 2 4 模拟加工工艺设置 一1 5 2 1 2 5 模拟结果的输出 1 5 2 1 3 微发泡注塑成型工艺优化分析平台 1 6 2 2 实验平台 1 9 2 2 1 实验所需要的材料 1 9 2 2 2 实验工艺条件设置 1 9 2 2 3 实验所需仪器和设备 2 0 第三章基于c a e 软件m o ld flo w 的模拟 2 3 v 北京化工大学硕士学位论文 引言 2 3 3 1 模拟安排 2 3 3 1 1 材料选用及参数 2 3 3 1 2 实验模型 2 3 3 1 3 模拟工艺条件设置 2 4 3 1 4 参考点的设置 2 4 3 2 结果分析 2 5 3 2 1 工艺参数对泡孔半径的影响 2 5 3 2 1 1 初始填充量对泡孔半径的影响 2 5 3 2 1 2 熔体温度对泡孔半径的影响 2 6 3 2 1 3 模型的有效性 2 7 3 2 1 4 注气量对泡孔半径的影响 一2 8 3 2 1 5 注射时间对泡孔半径的影响 2 9 3 2 1 6 模型的适用性 3 0 3 2 1 7 模具温度对泡孔半径的影响 3 l 3 2 2 工艺参数对注射压力的影响 31 3 2 3 工艺参数对残余应力和翘曲变形的影响 3 3 3 2 4 与传统注射成型工艺的对比 3 6 3 2 4 1 实验条件设置 3 6 3 2 4 2 注射压力的对比 3 7 3 2 4 3 残余应力的对比 一3 8 3 3 微发泡注塑成型工艺优化 4 0 3 3 1 优化工艺条件设置 4 0 3 3 2 优化结果分析 4 1 3 3 3 优化结果验证 4 2 第四章基于非连续注气系统的实验研究 4 5 引言 4 5 4 1 非连续注气系统的搭建 4 5 4 1 1 非连续注气系统搭建原理 4 5 4 1 2 各容器元部件设计 4 7 4 2 实验准备 4 8 4 2 1 主要实验原料和设备 4 8 4 2 2 实验过程 4 8 v i 目录 4 3 注气工艺参数研究 4 9 4 3 1 工艺条件设置 4 9 4 3 2 注气量的计算 4 9 4 3 3 不同注气压力下的实验研究 5 1 4 3 3 1 制品减重和表面质量 5 1 4 3 3 2 制品泡孔结构的影响 5 2 4 3 4 结论 5 4 4 4 注塑工艺参数研究 5 4 4 4 1 工艺条件设置 5 4 4 4 2 实验结果与讨论 5 5 4 4 2 1 塑化长度的影响 5 5 4 4 2 2 注射速度的影响 5 6 4 4 2 3 螺杆转速的影响 5 8 4 4 2 4 熔体温度的影响 5 9 4 4 2 5 注射压力的影响 6 0 4 4 2 6 结论 6 2 第五章基于限流式注气系统的实验研究 6 3 引言 6 3 5 1 限流式注气系统的搭建 6 3 5 2 基于限流式注气系统的初步研究 6 4 5 2 1 注气工艺参数对减重和表面质量的影响 6 5 5 2 2 泡孔结构影响因素的初步实验研究 6 6 5 2 2 1 注气量对泡孔结构的影响 一6 7 5 2 2 2 注射速度和熔体温度对泡孔结构的影响 6 8 5 3 制品展示 6 9 5 3 1 方盒制品 6 9 5 3 2 薄片制品 7 0 第六章结论 一7 3 6 1 结论 7 3 6 2 一些有待深入研究的问题 7 4 参考文献 7 5 v i i 北京化工大学硕士学位论文 致谢 7 9 研究成果及发表的学术论文 8 1 作者和导师简介 8 3 v i i i c o n t e a l t s co n t e n t s c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n 1 1 1o v e r i e wo f m i c r o c e l l u l a ri n j e c i t o nm o l d i n g 1 1 11a d v a n t a g ea n da p p l i c a t i o no fm i c r o c e l l u l a ri n je c t i o nm o l d i n g 1 1 1 2d e v e l o p m e n th i s t o r y 2 1 2m e c h a n i c a le q u i p m e n ta n dp r o c e s so f m i c r o c e l l u l a ri n j e c t i o nm o l d i n g 3 1 3p r o c e s s p a r a m e t e r 6 1 3 1n u m e r i c a ls t u d ys t a t u s 一7 1 3 2e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h 8 1 4m a i nr e s e a r c hc o n t e n t s p u r p o s ea n ds i g n i f i c a n c eo f t h i ss u b j e c t 9 1 4 1m a i nr e s e a r c hc o n t e n t s 9 1 4 2p u r p o s ea n ds i g n i f i c a n c e 9 c h a p t e r 2e x p e r i m e n t a lp r i n c i p l ea n dp l a t f o r m i i i n t r o d u c t i o n 11 2 1s i m u l a t i o np l a t f o r m 1l 2 1 1s i m u l a t i o ns o f t w a r e 1 1 2 1 2s i m u l a t i o no f p a r a m e t e r 1 2 2 1 2 1p r i n c i p l e so f n u m e r i c a lc a l c u l a t i o n 1 2 2 1 2 2s i m u l a t i o np a r a m e t e rs e t t i n g 1 4 2 1 2 3n e w p r o j e c t 1 4 2 1 2 4p a r a m e t e rs e t t i n g 1 5 2 1 2 5r e s u l to u t p u t 1 5 2 1 3o p t i m i z et h ea n a l y s i sp l a t f o r m 1 6 2 2e x p e r i m e n t a lp l a t f o r m 1 9 2 2 1m a t e r i a l sn e e d e db yt h ee x p e r i m e n t 1 9 2 2 2e x p e r i m e n t p r o c e s sp a r a m e t e rs e t t i n g 1 9 2 2 3i n s t r u m e n t sa n de q u i p m e n te x p e r i m e n tn e e d e d 2 0 c h a p t e r 3s i m u l a t i o nb a s e do nc a es o f t w a r em o l d f l o w 2 3 i x 北京化工大学硕士学位论文 3 1p r e p a r ef o rt h es i m u l a t i o n 2 3 3 1 1m a t e r i a la n di t sp a r a m e t e r s 2 3 3 1 2m o d e lf o rs i m u l a t i o n 2 3 3 1 3p r o c e s ss e t t i n gf o rs i m u l a t i o n 2 4 3 1 4r e f e r e n c ep o i n t s 2 4 3 2r e s u l t sa n a l y s i s 2 5 3 2 1i m p a c to f p r o c e s sp a r a m e t e r so nt h ec e l lr a d i u s 2 5 3 2 1 1i m p a c to f f i l l i n gp e r c e n to nt h ec e l lr a d i u s 2 5 3 2 1 2i m p a c to f m e l tt e m p r e t u r eo nt h ec e l lr a d i u s 2 6 3 2 1 3t h e v a l i d i t yo f t h em o d e l 2 7 3 2 1 4i m p a c to f g a si n j e c t i o np e r c e n to nt h ec e l lr a d i u s 2 8 3 2 1 5i m p a c to f i n j e c t i o nt i m eo nt h ec e l lr a d i u s 2 9 3 2 1 6t h el i m i t a t i o n so f t h em o d e l 3 0 3 2 1 7i m p a c to f m o l dt e m p r e t u r eo nt h ec e l lr a d i u s 3 1 3 2 2i m p a c to f p r o c e s sp a r a m e t e r so ni n j e c t i o np r e s s u r e 3 1 3 2 3i m p a c to f p r o c e s sp a r a m e t e r so nr e s i d u a ls t r e s sa n dw a r p a g e 3 3 3 2 4c o m p a r e dw i t hc o n v e n t i o n a li n j e c t i o nm o l d i n g 3 6 3 2 4 1p r o c e s ss e t t i n g 3 6 3 2 4 2i n j e c t i o np r e s s u r ec o m p a r e d 3 7 3 2 4 3r e s i d u a ls t r e s sc o m p a r e d 3 8 3 3p r o c e s so p t i m i z a t i o no f m i c r o c e l l u l a ri n j e c t i o nm o l d i n g 4 0 3 3 1p r o c e s ss e t t i n g 4 0 3 3 2r e s u l ta n a l y s i s 4 1 3 3 3r e s u l tv e r i f i c a t i o n 4 2 c h a p t e r 4e x p e r i m e n tb a s e do ni n t e r m i t t e n tg a si n j e c t i o ns y s t e m 4 5 i n t r o d u c t i o n 4 5 4 1i n t e r m i t t e n tg a si n j e c t i o ns y s t e m 4 5 4 1 1p r i n c i p l eo f g a si n j e c t i o ns y s t e m 4 5 4 1 2c o m p o n e n t sd e s i g n 4 7 4 2p r e p a r ef o rt h ee x p e r i m e n t 4 8 4 2 1m a t e r i a l sa n de q u i p m e n t 4 8 4 2 2e x p e r i m e n tp r o c e d u r e 4 8 4 3g a si n j e c t i o np r o c e s ss t u d y 4 9 x 4 3 1p r o c e s ss e t t i n g 4 9 4 3 2g a si n j e c t i o np e r c e n t 4 9 4 3 3e x p e r i m e n ts t u d yb a s e do nd i f f e r e n tg a si n j e c t i o np r e s s u r e 5 1 4 3 3 1w e i g h tl o s sa n ds u r f a c eq u a l i t y 5 1 4 3 3 2c e l ls t r u c t u r e 5 2 4 3 4c 0 n d u s i o n 5 4 4 4i n j e c t i o nm o l d i n gp r o c e s sp a r a m e t e r ss t u d y 5 4 4 4 1p r o c e s ss e t t i n g 5 4 4 4 2r e s u l t sa n a l y s i s 5 5 4 4 2 1i m p a c to f p l a s t i c z i n gl e n g t h 5 5 4 4 2 2i m p a c to f i n j e c t i o ns p e e d 4 4 2 3i m p a c to f s c r e ws p e e d 5 8 4 4 2 4i m p a c to f m e l tt e m p r e t u r e 5 9 4 4 2 5i m p a c to f i r l i e c t i o np r e s s u r e 6 0 4 4 2 6c o n c l u s i o n 6 2 c h a p t e r 5e x p e r i m e n tb a s e do nc o n t i n u o u sg a si n j e c t i o ns y s t e m 6 3 i n t r o d u c t i o n 6 3 5 1c o n t i n u o u sg a si n j e e t i o ns y s t e m 6 3 5 2p r e l i m i n a r ys t u d yb a s e do nc o n t i n u o u sg a si n j e c t i o ns y s t e m j 6 4 5 2 1w e i g h tl o s sa n ds u r f a c eq u a l i t y 6 5 5 2 2c e l ls t r u c t u r e 6 6 5 2 2 1g a si n j e c f i o np e r c e n t 6 7 5 2 2 2s c r e ws p e e da n dm e l tt e m p r e t u r e 6 8 5 3p r o d u c t s 6 9 5 3 1s q u a r eb o xm o l d 6 9 5 3 2s h e e tm o l d 7 0 c h a p t e r 6c o n c l u s i o n 7 3 6 1c o n c l u s i o n 7 3 6 2f u r t h e rr e s e a r c hp r o b l e m so f t h i sp a p e r 7 4 r e f e r n c el e t e r a t u r e 7 5 北京化工大学硕士学位论文 a c k n o w l e d g m e n t 7 9 p r o d u c t i o na n dp u b l i s h e dp a p e r s 8 1 a u t h o ra n dt u t o ri n t r o d u c t i o n 8 3 x 符号说明 名 刁 盯 丁 恐 7 7 0 h d 岛 嘎 m 熔体 矽 心 y 符号说明 泡孔内气体压力 m p a 熔体的黏度 p a s 气体和熔体界面间的表面张力 m p a 温度 k 通用气体常数 8 3 1 4 5 1j m o l k 1 零剪切速率 p a s 模腔的深度值 n l l l l 螺杆直径 m l r l 初始气体压力 m p a 最终气体压力 m p a 熔体质量 g 气体的体积分数 泡孔压差 m p a 剪切速率 s j 第一章绪论 1 1 微发泡注塑成型技术 第一章绪论 微孔发泡技术起源于2 0 世纪8 0 年代美国麻省理工大学 是一项新型的微孔塑料 加工技术 其生产制品的最大特点就是泡孔小而密 泡孔最小可以达到直径l o l a m 以 下 泡孔密度可以达到1 0 9 1 0 1 2 个 c m 3 1 3 微孔发泡塑料制品具备 皮芯 结构 可 以在节省原材料基础上 最大程度的保留未发泡时制品的机械强度 据资料显示 与 普通注塑成型工艺生产制品相比较 微孔发泡注塑成型制品疲劳寿命可以延长5 倍 断裂韧性可以提高4 倍 冲击强度可以提高6 7 倍卜6 1 1 1 1 微发泡注塑成型制品的优势与应用 微发泡注塑成型制品的最大优势便是在材料中产生大量的微孔气泡 因此可以大 大减轻制品重量从而减少原材料的消耗 同时 在成型工艺过程中 可以缩短循环周 期 降低注射压力 因而在节能方面相比传统注射成型工艺同样存在着巨大的优势 微发泡注塑成型与传统的发泡相比 主要的特点在与气泡的直径和密度上 以聚苯乙 烯发泡为例 传统工艺平均泡孔直径通常在2 5 0 r n 左右 泡孔密度大约在1 0 4 1 0 5 个 c m 3 而采用微孔发泡注塑成型生产的聚苯乙烯泡孔直径可以达到l o l g n 以下 密度 最高可以达到1 0 9 个 c m 3 7 1 泡孔结构是导致微发泡注塑成型和传统发泡注塑成型制 品性能差异的主要原因 资料显示 微发泡注塑成型制品与传统发泡注塑成型制品相 比有很多优势 可以克服传统发泡注塑成型的许多缺点 比如需要较长循环周期和较 大的制品壁厚 总之 微发泡注塑成型工艺主要优势可以概括如下降1 0 1 微发泡注塑成型可以使制品皮层厚度更薄 可以做到更好的泡孔结构从而 在减轻重量和成本的同时使制品的力学性能损失最小化 2 微发泡注塑成型可以应用到薄壁制品 可以大大降低注塑成型过程中的合 模力和注射压力 3 微发泡注塑成型可以降低甚至消除尺寸稳定性方面的问题 例如熔接痕 表面凹坑 翘曲和残余应力等问题 4 微发泡注塑成型可以大大降低循环周期 5 微发泡注塑成型设备可以更节能 因为其可以大大降低注射压力和合模力 合模力可以降低5 0 4 正因为微发泡注塑成型工艺具备如此多的有点 所以其在各应用领域都具备非常 广泛前景 比如在薄壁制品领域 可以生产厚度达0 5 m m 的制件 汽车零部件方面 北京化i 大学硬 学位论文 可以应用到汽车仪表板 车门内饰扳 镜子支架等很多方面 高精度成型制件 比如 成型硬币大小的阀 在医疗应用领域方面 因为医用材料通常都是比较贵重的 微发 泡技术可以节省材料用料量大约5 1 5 同样通过缩短循环周期 从而可以大大降 低成本 在一些其他方面诸如高性能的工程材料 成型p e t 瓶 超微孔制件 特殊功 能制品方面都有应用 j 在2 0 1 1 年 t r e x e l 公司的推出的m u e e l l 技术生产的仪表板在f o r d 的两款新车上 得到了旨次工业化应用 是微发泡注塑应用的里程碑 相对于原先的未发泡部件 注 射成型周期减少l5 台模力降低4 5 每辆车减重l 磅 鉴于此 获得r 年度汽车 工q k e l l 新奖 熏零 嗡1 群 图i 1 微发泡洼塑成型制品的首次1 业化应用于汽牟仪表板和安全气囊系统 f i g 1 im i c r o c e l h d a r i n j c c t i o n m o l d i n gp r o d u c t so f t h e f i r s t t i m e i n d u s t r i a l i t a t i o na p p l i e d l o t h ec a r d a s h b o a r da n da i r b a g 掣s t e m 112 微 l 发泡塑料的发展历程 最早的微孔结构泡沫塑料出现在结构发泡中 特别是存在一些薄壁结构 同样存 在于结构发泡制件的一些高剪切区域 在2 0 世纪8 0 年代 麻省理工大学的d r n a ms u h 研究发明了微发泡成型工艺 这项工艺的主要目标有两个 一是减少材料用量 二是 细小的微孔可以阻止应力裂纹的延展 从而可以提高材料的韧性 增加材料抗冲击性 能i i 同样 在受到外山作用是 封闭的圆j 眵泡孔可以通过变形抵挡外力作用 从而 可能增加部分材料的刚性 在2 0 世纪8 0 年代末期 人们开始大量的研究和发展微孔 发泡成型工艺方法 j o n a t h a nc o i t o n 发明了一种异相成核设备 在特定的溶解度条件下 把添加剂加 入到聚合物中来成型微孔泡沫材料 j o n a t h a nc o l t o n 同样研究了半结晶性聚合物材料 如聚丙烯 p p 的泡沫成型理论 当温度高于聚合物的熔点时 可以消除半结晶性聚 合物材料的晶相结构 从而气体可以溶解到聚合物的无定型结构当中 现在这种异相 成核的理论同样支配了我们的聚合物成型加工工艺陋 l c h u lp a r k 和d a nb a l d w i n 研 第一章绪论 究了聚合物微孔发泡的连续挤出成型工艺 c h u lp a r k 同样研究了在适宜生产状态下的 气体溶解问题和可以作为成核设备的一种能够产生瞬间压力降的喷嘴 l5 1 d a n b a l d w i n 研究了结晶性材料和非结晶性材料中微孔的结构 1 6 1 s u n gc h a 研究了超临界 流体的应用 比如c 0 2 如何能够在熔体中溶解的更快 如何能够产生更多的泡孔 超 临界流体的应用 使泡孔密度从1 0 9c e l l s c m 3 增加到1 0 1 5 c c l l s c m 3 1 s u n gc h a 同样 发现在聚合物熔体中加入大量的气体可以显著的降低聚合物的玻璃化转变温度 因 此 是可以在室温条件下进行发泡的 所有以上的这些先人的大量研究成果奠定了微 孔发泡的基础 通过这些大量的实验研究 微孔发泡技术逐步从实验室发展到工业化 应用 1 8 1 微发泡技术的商业化应用始于1 9 9 5 年的a x i o m a t i c 公司 随后公司改名为t r e x e l 公司 t r e x e l 公司最开始的时候致力于挤出工艺的微发泡成型技术 随后t r e x e l 公司 在e n g e lc a n a d a 公司的帮助下 在1 9 9 7 年发明了一种用螺杆进行塑化和气体注入 然后通过柱塞进行注射的注塑机 在这台柱塞加挤出式的注射机进行微发泡注塑成型 的成功尝试之后 在1 9 9 8 年 t r e x e l 和e n g e l 两家公司合作研制成功了第一台往复螺 杆式微发泡注射机 这台机器的成功研制是微发泡注塑成型商业化历史上的一座里程 碑 迄今为止 仍是世界上应用最多的微发泡注塑机 l9 1 在2 0 0 0 年 t r e x e l 把一台 u n i l o ym i l a e r o n 注塑机改进成为首台微发泡吹塑成型机 在微发泡注塑成型工艺的发展史上 另外一个不得不提的便是超临界流体 s c f 的应用 超临界流体是物质处于临界温度 压力 称临界点 以上的状态 一种可压 缩的高密度流体 是气 液 固三态以外的第四态 分子间作用力小 低于气体 而 密度很大 接近于液体 具有气体和液体的双重性质 具有液体的高溶解性和气体的 高流动性 扩散系数介于液气之间 有好的渗透性 缩短加工时间 例如c 0 2 在8 0 c 2 5 m p a 时饱和p s 需要2 3 个小时即可 并且饱和浓度较高 2 0 l 在相同温度下 饱和 压力提升 平衡浓度增大 根据经典成核理论 可以显著提升成核速率 增大泡孔密 度 超临界流体解决了高浓度气体的溶解问题 容易形成聚合物熔体 气体均相溶液体 系 2 l 1 2 微发泡注塑成型设备与工艺方法 微发泡注塑成型工艺发展迅速 出现了很多新设备和新的制备思路及方法 表罗 列了现在主要的微发泡注塑成型工艺 其中 t r e x e l 公司的m u c e l l 是其中应用最广 泛的微发泡注塑成型工艺方法 可能其他的一些注塑成型公司或者研究机构早于 t r e x e l 公司应用这项技术 但是 它们并没有像t r e x e l 公司一样完成这项工艺的在实 际应用中的商业化 m u c e l l 工艺使用往复式螺杆对超临界流体和熔体进行混合 通过 机筒把超临界流体注入到往复式螺杆中 这样充分利用了螺杆的剪切和混合作用 能 3 n 京化r 凡学 i 学位论女 够决速完成超临界流体n 勺汴八过稿 的m 时 u r 以维持超临界流体往螺轩和机筒中注入 的最小注射i h 力 从而可以连续的微发泡t e 塑成型制 目 1 2 2 送 闰1 2m u c e l l j 芝所 镕微拄泡注塑砬嚣结掏 f 堙 1 2 m i c r o c c i l uj a r i n i c z l i o n m o l d i n g q l 3 口 册t m u c 川 p m c 器sr e q u i r e d 表皮 图1 0m u c e l l 艺示意图 f i gl 3m u c e l l p r o c e s ss c h e l i l a f i c 习 在t r e x e l 公司的m u c e l l 工艺之后 叉出现了一些其它的工艺技术 诸如s u l z e r c h e m t e c h 公司的o p t i f o a m 8 工艺技术与d e m a g 公司的e r g o c e l l 工艺技术 o p t i f o a m o 微发泡技术是应用喷嘴作为超l 临界流体注入的元件 相对于传统的超临界流体注入到 机筒中的方法 这是一种革命性的创新工作 这种独特的方法采用了 个特制的烧结 金属套管 套管l 二有很多端门 可以使气体分敞微小的注入 男一方面 熔体流经此 喷i 觜时 在喷嘴流道和烧结余属套管之削被分成了薄薄的流层 这样气体可以在短时 间内注入到熔体中 在i 帻嘴套筒之后 安装有静态混合器 这些饱含气体的熔体可以 在静态混合器内进行进一步的混合分敞均匀 这种工艺的优越性在于可以使用常规的 注塑螺朴和机筒 而不需要对其进行修改 凶此现有的常规注射机都可以改进用于 o p t i f o a m o 工艺的微发泡注塑成型 但是此工艺涉及到工艺的优化及烧结合属元件的使 用寿命问题 因此 只是在一部分应用中取得了成功 最皮 图1 4o p t i f o a m l 岂示意酬 f i g1 4o p t i f o a m p r o c e s ss c h e m a t i c 在2 0 0 1 年的k 展上 d e m a g e r g o t e c h 推出了它们的微发泡成型工艺e r g o c e l l 8 技 术 这套e r g o c e l l 9 设备主要是由储料缸 混合器 气体供应装置和一个特别的注射系 统组成的 这套注射系统安装在机简未端和模具之阳j 在此可以把气体注入到熔体中 不同的直径的螺杆需要设计相对应尺寸的装置 附加的液压泵和马达必须能够满足混 合器和注射系统的需求 另外e r g o c e l l 工艺目f i j r 嘲c 0 2 作为发泡剂 洲 图i 5 e r g o c e l i z 示意幽 f i g 1 5 e r g o c e l l p r o c e s ss c h e m a t i c 微发泡注塑的最新技术是来自于i k v 的p r o f o a m 8 工艺 这是一种新型廉价的物 理发泡注塑方法 这种工艺方法采用c 0 2 或者n 2 作为物理发泡剂 把它们直接引入 料斗中 然后在正常的塑化加工过程中 发泡剂会溶解到熔融的熔体中 螺杆的加 料段是密封的 这样气体可以在一定的压力状态下t e 入 但是在采用粒料时 可以在 不需要加额外压力的情况下便可以实现气体注入 通过采用p r o f o a m 工艺 制件可 咀减重达3 0 北京他t 人学ml 学位论立 圈l 巧p r o f o a l l l i 芝小意h f i g1 6p r o f o a m p r o c 器ss c h e m a t i c 1 3 微发泡注塑成型工艺参数 众所周知微孔发泡工艺分为四个基本步骤 气体溶解 成核 气泡增长和成型 圳 所有的这四个步骤都是在微孔发泡 塑机内发生的 通过选用往复螺杆 r s 注塑机 和恰当台适的模具柬制备微孔泡沫制件 一旦当设备和材料选定之后 上述四个步骤 就将依赖于口 确的加j 岂方法 与以前常见的非发泡成型制件相比 微孔发泡注塑成型有更短的成型剧期和更加 稳定的尺寸 但是一旦加工工艺不j 下确 可能就不会此种工艺中获益 更有甚者可能 导致产品成型的失败 最常见的制各单项熔体的方法就是往往复式螺杆 r s 的塑化 段中加