微发泡注塑成型

微发泡注塑成型摘要：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。本文从模拟和实验两种个方面,对微发泡注塑成型工艺进行了全面的探索和研究,研究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。关键词:微孔发泡,工艺参数,注塑成型MicrocellularPolymerFoamsABSTRACT:Microcellularinjectionmoldingisanewmethodforproductionoffoamtechnology.Mechanicalstrengthofproductscanberetainedonthebasisofthemaximumdegreeofweightloss.Therefore,thistechnologyhasawiderangeofapplicationsespeciallyintheaerospace,automotivefields.Inthispaper,westudiedtheprocessingfactorsofmicrocellularinjectionmoldingonthebasesofthetwomicrocellularinjectionmoldingsimulationandexperimentplatformsweestablished.Drawthebasiclawofthevariousprocessparametersontheresponseofthecell,weightloss,etc.KEYWORDS:microcellularfoam,processparameter,injectionmolding1前言微孔发泡技术起源于20世纪80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10ym以下［1］。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，断裂铺性可以提高4倍，冲击强度可以提高6-7倍［2］。2微发泡注塑成型技术微孔发泡技术这项技术已被广泛地应用于家用电器、航空航天、汽车等领域。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［3］。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。2.1微发泡注塑成型制品的优势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［4-6］。微孔发泡塑料的应用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［4］。在20世纪80年代，麻省理工大学研究发明微发泡成型工艺，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［12］。同样，在受到外力作用是，封闭的圆形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［5-6］。在20世纪80年代末期,人们始大量的研究和发展微孔发泡成型工艺方法。微发泡技术的商业化应用始于Trexel公司，Trexel公司最始的时候致力于挤出工艺的微发泡成型技术，随后TrexeI公司在EngelCanada公司的帮助下，在1997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。3微细发泡注塑成型的工艺过程微细发泡注塑成型技术采用超临界气体作为物理发泡剂，以此在注塑件中进行微细发泡［7］。气体通常采用二氧化碳或者氮气，成型过程一般由气体溶解、成核、微孔长大和产品成型四个阶段组成［8］。3.1气体溶解在微细发泡注塑成型过程中，利用二氧化碳或者氮气生成的超临界液体(SupercriticalFluid，SCF)作为物理发泡剂。该超临界液体被注射进注塑机料桶中，在一定的压力和温度下，超临界液体在螺杆输送的过程中被混合到聚合物熔体中形成单一相溶体，这种单一相溶体的生成是下一步均匀成核的先决条件。因此超临界液体必须在一定的压力下全部溶解到塑料熔体中并形成均相体系，即使微量气相的存在也不利于形成均匀细密的泡核，这主要是因为成核时这类气体会优先进入已存在的气泡中而形成大微孔，故这种压力被称为微细发泡成型压力(MicrocellularProcessPressure,MPP)。由此可见，对微细发泡成型压力的控制直接影响微孔的最终尺寸。成核理论上讲，只有当单一相溶体处于一个热动态平衡下，且能够生成以百万计的成核点，均匀成核才有可能。在注塑成型过程中，单一相溶体的压力从MPP下降到注塑料流前锋压力，这两者压力差的存在，使单一相溶体中的气体和塑料熔体两相进行分离，气体从单一相溶体中分析出来而形成大量的成核点。所以单一相溶体的温度和SCF的含量，直接影响成核点的多少和微孔的最终尺寸。因此在研究微细发泡注塑成型成核工艺对微孔尺寸的影响中，主要考虑的工艺参数应该包括：MPP、溶体温度以及SCF含量。微孔长大成核过程完成后，微孔便开始长大。由于成核点外的气体浓度高于成核点内的气体浓度，这种浓度差使气体向成核点内进行扩散，从而微孔开始长大。微孔将一直长大，直到微孔内外的气体浓度相等或者塑料熔体冻结。因此从成型工艺角度来看，SCF含量和注塑成型工艺参数将直接影响微孔的最终尺寸。产品成型单一相溶体被注射进注塑模具中，模具型腔的形状和冷却控制了产品的最终成型形状。微细发泡注塑成型技术对模具设计没有非常特别的要求。从微细发泡注塑成型过程可知，MPP、溶体温度、SCF含量以及注塑成型工艺参数将直接影响微孔的形态。但是要研究清楚这些工艺参数对微孔形态的影响，首先得对微细发泡注塑成型的特点进行分析。4成型工艺与微孔形态关系成核工艺直接影响微孔的成核密度以及初始微孔直径，众多学者通过研究各种工艺参数与泡核形态的关系，以期通过控制工艺参数，达到改善微孔结构的目的［9-12］。总体而言，前人主要是在经典成核理论的基础上，研究了饱和压力、溶体温度、压力释放速率等工艺条件对泡核密度、微孔尺寸以及微孔分布的影响。4.1饱和压力对微孔形态的影响用二氧化碳作发泡剂研究了PMMA的发泡过程。他们将固态PMMA模型放入高压二氧化碳密闭容器中，然后采用快速释压的方法进行发泡实验，并分析了饱和压力、溶体温度对最终泡核密度的影响。他们发现：在饱和压力为14MPa，溶体温度为40°C时，成核密度急剧上升，而当饱和压力达到27MPa时，成核密度则趋于平衡。同时Goel和Beckman发现当溶体温度不变，随着饱和压力的增加，泡核密度增加，微孔的直径减小，且分布均一。为研究饱和压力与成核密度之间的关系，前人进行了大量的实验研究，大量研究结果表明，随着饱和压力的增加，微孔的密度随之增加，而微孔最终尺寸变小［9］。同时研究也表明，基于经典理论的研究结果与实验结果存在一定的误差，因此对经典成核理论的改进，使之更加符合生产实际是一个有意义的研究方向。减压速率对泡核形态的影响微细发泡注塑成型工艺中的成核动力是作用于单一相溶体的压力从MPP迅速降低至料流前锋压力，这种压力差的存在，使单一相溶体中的超临界气体析出，从而进行成核过程。因此，最终泡核形态与压力释放的速率以及方式有着密切的关系［10］。Panayiotou在研究PS和二氧化碳的发泡行为中，也研究了释压速率对成核形态的影响。由于保持一个恒定的释压速率难度很大，所以实验中采用了平均释压速率来计算，得到的结果是：释压速率高时，得到的泡核密度大，直径小；反之，泡核密度小而直径大，与Guo,Wang和Park的结果一致。Tsivintzelis等从泡核成长时间角度出发，认为在较高的释压速率下，泡核成长时间短，泡核尺寸小；而在较低的释压速率下，较长的长大时间利于泡核的合并作用，因此生成的泡核直径大，但数量少［33］。在经典成核理论中，释压速率被当作一个常数来进行研究，这显然无法解释其对成核速度和密度的影响，这也是需要对经典成核理论进行修正的原因之一。其他工艺参数对泡核形态的影响在注塑成型工艺方面，除了上述的压力、温度等工艺参数对最终泡核形态有影响外，前人还研究了注塑量、料筒温度以及外界条件等因素对泡核形态的影响。影响成核的因素众多。而从工艺角度来看，影响泡核形态的主要成型工艺参数包括：SCF含量、MPP、溶体温度、预填充量等。同时前人研究也表明，将经典成核理论应用于微细发泡注塑成型的成核过程的研究中，其结果与实际实验存在着较大的差异，需要对其进行修正和改进［11-12］。故如何综合考虑上述工艺参数对泡核形态的影响，以及如