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新型微發(fā)泡注塑成型技術(shù)破解塑料加工困境 |
| 時(shí)間：2019年04月22日 點(diǎn)擊：次
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隨著產(chǎn)品越來越復(fù)雜，制件的公差要求和表面外觀質(zhì)量要求也越來越高，采用傳統(tǒng)的注塑加工技術(shù)生產(chǎn)這些制件，往往會出現(xiàn)多種質(zhì)量問題，塑料加工商遇到了的挑戰(zhàn)，他們迫切需要尋求新的加工技術(shù)來改變困境。
微孔聚合物泡沫是含有十億微小氣泡的塑料，它們的孔隙直徑小于100μm，每單位體積密度大于108/cm3。
個(gè)商業(yè)微發(fā)泡注塑成型技術(shù)(即Trexel公司的MuCell注塑工藝)于20世紀(jì)90年代，以麻州研究所進(jìn)行的研究為基礎(chǔ)被開發(fā)出來。在這種原始的常用的微孔泡沫注塑工藝中，超臨界流體(SCF)的泵單元用于加壓物理發(fā)泡劑(PBA)(氮(N2)或二氧化碳(CO2))至超臨界壓力水平。然后PBA通過一個(gè)噴射器閥引入到含熔融聚合物的機(jī)筒中。以這種方式，該氣體在注射前便溶解到聚合物中。
這種泡沫生成工藝的好處是，塑料回收被允許，使得它們的碳消耗減少，原材料的成本降低。由于引入了MuCell技術(shù)，不同的微孔發(fā)泡技術(shù)已經(jīng)研發(fā)成功，并且該方法已在汽車、計(jì)算機(jī)和家電領(lǐng)域取得了巨大成功。但是，在這些較新的技術(shù)中，我們?nèi)匀恍枰褂肧CF泵單元(將氮或二氧化碳加壓到超臨界狀態(tài))，它引起了機(jī)器和操作成本的不斷增加。
在這一研究領(lǐng)域中，盡管毫無根據(jù)，但仍存在較強(qiáng)的觀念認(rèn)為微孔泡沫的準(zhǔn)備需要超臨界CO2或N2，這樣的SCFS提供了特殊的性能。與此相反，已經(jīng)有實(shí)驗(yàn)證明，CO2和N2在熱塑性聚合物中的溶解度滿足亨利定律(即，氣體甚至可以在低于臨界壓力下溶解在聚合物中)。因此，理論上，即使當(dāng)飽和壓力(對應(yīng)于溶解PBA濃度)比臨界壓力值低，我們也可以進(jìn)行物理發(fā)泡。但是，不含高壓泵系統(tǒng)的注射成型機(jī)還沒有被開發(fā)出來。
在我們的工作中，我們已經(jīng)開發(fā)出一種新的泡沫注射成型的方法(不含SCF泵單元)用于生產(chǎn)微孔泡沫。我們通過將PBA(即，CO2或N2)直接從氣罐傳輸?shù)饺廴诰酆衔镏衼砗喕⑸涑尚瓦^程。此輸送通過一個(gè)噴射閥，我們可以通過使用專門設(shè)計(jì)的操作順序和螺桿配置來實(shí)現(xiàn)。
我們的發(fā)泡注射成型裝置如圖1所示，包括一個(gè)通風(fēng)孔，具有通氣容器，在機(jī)器的中間。通過該通氣孔，多余的PBA氣體(即，存在熔融聚合物中的氣體殘留PBA)可以從熔融聚合物排出到大氣中。相應(yīng)的，它也可以被用來將PBA氣體引入至該熔融聚合物中(當(dāng)聚合物在PBA中的濃度低于飽和點(diǎn)時(shí))。具體地，我們可以通過調(diào)整通氣容器內(nèi)的壓力來調(diào)整溶解在熔融聚合物中的PBA濃度。我們可以通過排出管線端部的背壓調(diào)節(jié)器來調(diào)控通氣容器的壓力。
圖1 (a)新型泡沫注塑機(jī)示意圖(不含超臨界流體泵單元)
N2：氮?dú)?。CO2：二氧化碳。P：壓力指示器。(b)物理發(fā)泡劑(PBA)輸送系統(tǒng)，它由一個(gè)噴射閥和通氣容器組成。以我們的技術(shù)制造的芯后泡沫注塑制品的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像如圖2所示，我們以三個(gè)不同的膨脹比制備了這些泡沫(2、3、5)。此外，我們使用了CO2或N2作為PBA，開閥時(shí)間為0.2秒的噴射器，壓力為5MPa的通氣容器以及二次壓力為8MPA的氣瓶。這些SEM圖像表明，該泡沫體的泡孔尺寸與常規(guī)泡沫注射成型方法得到的泡沫體大致相同，甚至更小。因此，我們表明，我們的泡沫注塑機(jī)和方法可以成功地用于生產(chǎn)微孔發(fā)泡制品。
圖2 芯后泡沫注塑制品的芯層掃描電子顯微鏡圖像
這些圖像從垂直于泡沫體的芯后方向獲得。這些泡沫使用了N2或CO2作PBA，并以2、3、5的膨脹比獲得。每個(gè)樣品的平均泡孔尺寸和發(fā)泡溫度分別在每個(gè)圖像的底部和左上角示出。僅通過從通氣孔輸送PBA，我們也可以用我們的系統(tǒng)生產(chǎn)微泡沫。聚丙烯注塑制品及其相應(yīng)的微孔泡沫的一個(gè)例子如圖3所示，我們通過從通氣容器和孔向熔融聚合物中輸送空氣的方式制備微孔泡沫，同時(shí)噴射閥完全關(guān)閉?？諝庥煽諝鈮嚎s機(jī)提供，其中，空氣被簡單地從大氣壓壓縮至4MPa。通過我們的工藝，原始盤形板的大小(直徑為100mm，厚度為1mm)擴(kuò)大到厚度為2mm。此外，該板由于微型氣泡反射而呈現(xiàn)出白色。
圖3 聚丙烯(PP)注塑制品(左)和它的微孔泡沫(右)
兩個(gè)板的直徑為100mm。非發(fā)泡和發(fā)泡產(chǎn)品的厚度分別為1mm和2mm?？傊?，我們已經(jīng)開發(fā)出一種新的注射成型系統(tǒng)，無需SCF泵單元即可完成微孔聚合物泡沫的制造。在我們的技術(shù)中，我們可以使用非超臨界氮?dú)?、二氧化碳或壓縮空氣作為物理發(fā)泡劑來生產(chǎn)穩(wěn)定的微孔泡沫材料。因此，我們已經(jīng)表明，加壓N2或CO2至超臨界狀態(tài)不是微孔注射成型的必要條件。
在我們即將進(jìn)行的工作中，我們將通過優(yōu)化螺桿設(shè)計(jì)和通氣容器的PBA傳輸來改進(jìn)我們的技術(shù)。這將使我們能夠以較低的成本輕松地實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有的注塑成型機(jī)向我們的系統(tǒng)設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)換。
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