發(fā)泡塑料注塑成型原理概論
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[導(dǎo)讀] 發(fā)泡塑料是以熱塑性或熱固性樹脂為基體，其內(nèi)部具有無數(shù)微小氣孔的塑料。發(fā)泡是塑料加工的重要方法之一，塑料發(fā)泡得到的泡沫塑
發(fā)泡塑料是以熱塑性或熱固性樹脂為基體，其內(nèi)部具有無數(shù)微小氣孔的塑料。發(fā)泡是塑料加工的重要方法之一，塑料發(fā)泡得到的泡沫塑料含有氣固兩項(xiàng) - 氣體和固體。氣體以泡孔的形式存在于泡沫體中，泡孔與泡孔互相隔絕的稱為閉孔，連通的稱為開孔，從而有閉孔泡沫塑料和開孔泡沫塑料之分。泡沫結(jié)構(gòu)的開孔或閉孔是由原材料性能及其加工工藝所決定的。
塑料發(fā)泡的技術(shù)淵源久遠(yuǎn)。最早是20年代初期的泡沫膠木，用類似制造泡沫橡膠的方法制??；30年代出現(xiàn)硬質(zhì)聚氨酯泡沫和聚苯乙烯泡沫；40年代有聚乙烯、聚氯乙烯、環(huán)氧樹脂、酚醛泡沫；50年代則有可發(fā)性聚苯乙烯泡沫和軟質(zhì)聚氨酯泡沫?，F(xiàn)在，基本上所有的塑料，包括熱塑性和熱固性的都可以發(fā)泡為泡沫塑料。工業(yè)上的制備方法有：擠出發(fā)泡、注塑發(fā)泡、模塑發(fā)泡、壓延發(fā)泡、粉末發(fā)泡和噴涂發(fā)泡等等。其中，注塑發(fā)泡是最重要的成型方法之一，在這里重點(diǎn)講述注塑成型發(fā)泡。
發(fā)泡成型原理
塑料的發(fā)泡方法根據(jù)所用發(fā)泡劑的不同可以分為物理發(fā)泡法和化學(xué)發(fā)泡法兩大類。在這里首先簡單介紹一下發(fā)泡劑。
◆ 發(fā)泡劑
發(fā)泡劑可簡單粗分為物理發(fā)泡劑與化學(xué)發(fā)泡劑兩類。對(duì)物理發(fā)泡劑的要求是 ：無毒、無臭、無腐蝕作用、不燃燒、熱穩(wěn)定性好、氣態(tài)下不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)、氣態(tài)時(shí)在塑料熔體中的擴(kuò)散速度低于在空氣中的擴(kuò)散速度。常用的物理發(fā)泡劑有空氣、氮?dú)狻⒍趸?、碳?xì)浠衔?、氟利昂?；化學(xué)發(fā)泡劑是一種受熱能釋放出氣體諸如氮?dú)?、二氧化碳等的物質(zhì)，對(duì)化學(xué)發(fā)泡劑的要求是 ：其分解釋放出的氣體應(yīng)為無毒、無腐蝕性、不燃燒、對(duì)制品的成型及物理、化學(xué)性能無影響，釋放氣體的速度應(yīng)能控制，發(fā)泡劑在塑料中應(yīng)具有良好的分散性。應(yīng)用比較廣泛的有無機(jī)發(fā)泡劑如碳酸氫鈉和碳酸銨，有機(jī)發(fā)泡劑如偶氮甲酰胺和偶氮二異丁腈。
◆ 物理發(fā)泡法
簡單地講，就是利用物理的方法來使塑料發(fā)泡，一般有三種方法：
（1）先將惰性氣體在壓力下溶于塑料熔體或糊狀物中，再經(jīng)過減壓釋放出氣體，從而在塑料中形成氣孔而發(fā)泡；
（2）通過對(duì)溶入聚合物熔體中的低沸點(diǎn)液體進(jìn)行蒸發(fā)使之汽化而發(fā)泡；
（3）在塑料中添加空心球而形成發(fā)泡體而發(fā)泡等。
物理發(fā)泡法所用的物理發(fā)泡劑成本相對(duì)較低，尤其是二氧化碳和氮?dú)獾某杀镜停帜茏枞?、無污染，因此應(yīng)用價(jià)值較高；而且物理發(fā)泡劑發(fā)泡后無殘余物，對(duì)發(fā)泡塑料性能的影響不大。但是它需要專用的注塑機(jī)以及輔助設(shè)備，技術(shù)難度很大。
◆ 化學(xué)發(fā)泡法
化學(xué)發(fā)泡法是利用化學(xué)方法產(chǎn)生氣體來使塑料發(fā)泡：對(duì)加入塑料中的化學(xué)發(fā)泡劑進(jìn)行加熱使之分解釋放出氣體而發(fā)泡；另外也可以利用各塑料組分之間相互發(fā)生化學(xué)反應(yīng)釋放出的氣體而發(fā)泡。
采用化學(xué)發(fā)泡劑進(jìn)行發(fā)泡塑料注塑的工藝基本上與一般的注塑工藝相同。塑料的加熱升溫、混合、塑化及大部分的發(fā)泡膨脹都是在注塑機(jī)中完成的。
總之，不論選取哪一種塑料原料，也不論采用哪一種發(fā)泡方法，其發(fā)泡過程一般都要經(jīng)過形成氣泡核，氣泡核膨脹，泡體固化定型等階段。
結(jié)構(gòu)發(fā)泡成型
結(jié)構(gòu)發(fā)泡法(Structral Foam Molding)屬于化學(xué)發(fā)泡法，它是注射成型工藝技術(shù)中的一項(xiàng)革命。它保留了傳統(tǒng)注射成型工藝的許多優(yōu)點(diǎn)，又避免了傳統(tǒng)注塑工藝中遇到的一些問題，如制品強(qiáng)度不夠、生產(chǎn)周期太長、模塑率低等。另外，采用結(jié)構(gòu)發(fā)泡技術(shù)還可模塑大型復(fù)雜制品、使用低成本模具、多模腔可同時(shí)操作，從而降低制品生產(chǎn)成本。結(jié)構(gòu)發(fā)泡制品是一種具有致密表層的連體發(fā)泡材料，其單位重量強(qiáng)度和剛度比同種未發(fā)泡的材料高3~4倍。
結(jié)構(gòu)發(fā)泡法最大的特點(diǎn)是可以不用增加設(shè)備，用普通的注塑機(jī)便可以注塑生產(chǎn)，不過采用模腔擴(kuò)大法發(fā)泡的高壓結(jié)構(gòu)發(fā)泡注塑機(jī)與普通注塑機(jī)相比，增加了二次合模保壓裝置。目前，震德公司已成功開發(fā)出CJ1000M3機(jī)用于結(jié)構(gòu)發(fā)泡成型，并已服務(wù)于客戶，得到了客戶的好評(píng)。
近年來，結(jié)構(gòu)發(fā)泡注塑成型技術(shù)得到了很廣泛的發(fā)展，成型方法也很多，但歸納起來可以分為三種：低壓發(fā)泡法；高壓發(fā)泡法（注：此處的低壓和高壓指模具模腔內(nèi)的壓力）；雙組分發(fā)泡法。
◆ 低壓發(fā)泡法
低壓發(fā)泡法注塑與普通注塑的區(qū)別在于其模具的模腔壓力較低，約2~7Mpa，而普通注塑在30~60Mpa之間。低壓發(fā)泡注塑一般采用欠注法，即將一定量（不注滿模腔）的塑料熔體（含有發(fā)泡劑）注入模腔，發(fā)泡劑分解出來的氣體使塑料膨脹而充滿模腔。在普通注塑機(jī)上進(jìn)行低壓發(fā)泡注塑，一般是將化學(xué)發(fā)泡劑與塑料混合，在機(jī)筒內(nèi)塑化，必須采用自鎖式射嘴。注射時(shí)，由于氣體的擴(kuò)散速度很快，會(huì)造成制品的表面粗糙，因此注塑機(jī)的注射速度要足夠快。一般采用增壓器來提高注射速度和注射量，使注射動(dòng)作在瞬間完成。
◆ 高壓發(fā)泡法
高壓發(fā)泡法的注塑模腔壓力在7~15Mpa之間，采用滿注方式，即一次注射量正好等于模具模腔的容積。為了使制件得到發(fā)泡膨脹，可以采用強(qiáng)制擴(kuò)大模腔，或者使一部分塑料分流出模腔。一般較多采用模腔擴(kuò)大法。采用擴(kuò)大模腔法的注塑機(jī)與普通注塑機(jī)相比，增加了二次合模保壓裝置，當(dāng)塑料和發(fā)泡劑的熔融混合物被注入到模腔后延時(shí)一段時(shí)間，然后合模機(jī)構(gòu)的動(dòng)模板向后移動(dòng)一小段距離，使模具的動(dòng)模和定模稍為分開，模腔擴(kuò)大，模腔內(nèi)的塑料開始發(fā)泡膨脹。制品冷卻后在其表面形成致密的表皮，由于塑料熔體的發(fā)泡膨脹受到動(dòng)模板的控制，因此，也就可以對(duì)制品的致密表層的厚度進(jìn)行控制。動(dòng)模板的移動(dòng)可以是整體移動(dòng)，也可以是部分移動(dòng)使局部發(fā)泡，從而得到不同密度的制品。高壓發(fā)泡法對(duì)模具的制造精度要求高，模具費(fèi)用高，并且對(duì)注塑機(jī)有二次鎖模保壓要求。
◆ 雙組分發(fā)泡法
雙組分發(fā)泡注塑是一種特殊的高壓結(jié)構(gòu)發(fā)泡注塑方法，它采用專門的雙組分注塑機(jī)。這種注塑機(jī)有兩套注塑裝置：一套用來注塑制品的芯部，一套用來注塑制品的表層。在注塑時(shí)，先注入皮層物料，然后通過同一澆口再注入混有發(fā)泡劑的芯部材料。由于芯部材料呈層流狀態(tài)流動(dòng)，這就保證了芯部材料均勻地包覆在皮層內(nèi)部，使型腔得到完全填充。當(dāng)熔料填滿型腔后，再注入少量不含有發(fā)泡劑的熔料，使?jié)部诜忾]。制品取出后，再去掉澆口即得到具有不發(fā)泡致密表層和有芯部發(fā)泡的輕質(zhì)制品。
微孔發(fā)泡成型
微孔發(fā)泡成型屬于物理發(fā)泡法。常規(guī)泡沫塑料的泡孔直徑一般大于50mm，泡孔的密度 (單位體積內(nèi)泡孔的數(shù)量 )小于106個(gè)/cm3。這些大尺寸的泡孔受力時(shí)常常成為初始裂紋的發(fā)源地 ，降低了材料的機(jī)械性能。為了滿足工業(yè)上要求降低某些塑料產(chǎn)品的成本而不降低其機(jī)械性能的要求，20世紀(jì)80年代初期，美國麻省理工大學(xué) (MIT)的學(xué)者J.E.Martini J.Colton以及N.P.Suh等以CO2、N2等惰性氣體作為發(fā)泡劑研制出泡孔直徑為微米級(jí)的泡沫塑料，并將泡孔直徑為1mm~10mm，泡孔密度為109~1012個(gè)/cm3的泡沫塑料定義為微孔塑料(Microcelluar Plastics)。
注射成型是微孔塑料制品的主要成型方法之一。塑料原料加入注塑機(jī)的料筒后，在螺桿剪切力及加熱圈外加熱作用下塑化，發(fā)泡劑直接注入注射螺桿熔融段末與熔體均勻混合，然后高壓高速注入模腔。在模腔內(nèi)突然降壓，使熔體中大量的過飽和氣體離析出來，發(fā)泡、膨脹、成型、定型形成微孔塑料制品。另外，也可以采用改變溫度的方法形成泡核，與改變壓力法相比，比較容易控制，但對(duì)于氣體溶解度對(duì)溫度不敏感的塑料不適用。
開發(fā)微孔塑料注塑技術(shù)難度比較大，因?yàn)楹统Ｒ?guī)泡沫塑料相比，泡孔的尺寸要小得多，要想得到良好的微孔塑料制品，必須要保證對(duì)進(jìn)入機(jī)筒熔體中的超臨界流體精確計(jì)量，要求塑料熔體必須充分混合、均化、分散，形成均相混合體，保證熔體中的成核點(diǎn)必須多于109個(gè)/cm3、及時(shí)控制成核氣泡的膨脹等等。這對(duì)設(shè)備本身及注塑工藝參數(shù)的要求都非常之高。
采用該技術(shù)的特點(diǎn)是：
● 制品重量約減少50％；
● 注射壓力約降低30~50％；
● 鎖模力降低20％；
● 循環(huán)周期減少10~15％；
● 采用一套帶計(jì)量控制裝置的氣體輸入設(shè)備。
據(jù)報(bào)道，國外一些注塑機(jī)生產(chǎn)商已成功開發(fā)出微孔塑料注塑機(jī)，比如美國Trexel公司、德國Arburg公司、奧地利Engel公司等。目前還有Milacron、Husky、Battenfeld等公司正在加緊發(fā)展自己的微孔塑料注射成型設(shè)備。國內(nèi)華南理工大學(xué)從1995年開始研究微孔塑料，在理論上取得了一定進(jìn)展，并已在實(shí)驗(yàn)室制備出多種型號(hào)的微孔塑料。隨后，其它高校也相繼進(jìn)行了微孔塑料的研究。但離微孔塑料的產(chǎn)業(yè)還有一段距離，目前國內(nèi)還未有微孔塑料注射成型設(shè)備的產(chǎn)品。
結(jié)語：發(fā)泡塑料由于有氣泡的存在，因此具有質(zhì)輕、省料、能吸收沖擊載荷 、隔熱和隔音的性能、比強(qiáng)度高等特性，特別是可以節(jié)省材料、減小能耗、降低成本方面，使得可以大力推廣應(yīng)用。微孔發(fā)泡塑料除了具有上述一般泡沫塑料的優(yōu)點(diǎn)外，還有更加優(yōu)良的力學(xué)性能。因此，泡沫塑料的應(yīng)用范圍十分廣泛，特別是在制作汽車、飛機(jī)和各種運(yùn)輸器材等領(lǐng)域有特殊的應(yīng)用價(jià)值?？梢灶A(yù)計(jì)，發(fā)泡注塑尤其是微孔發(fā)泡注塑將是塑料加工機(jī)械及制品加工的一個(gè)熱點(diǎn)。
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