低壓發(fā)泡技術(shù)應(yīng)用于水處理產(chǎn)品的開發(fā)

霍祥明,錢　健,趙錦輝（.江蘇川源環(huán)保設(shè)備有限公司；.江蘇優(yōu)聯(lián)環(huán)境發(fā)展有限公司,江蘇　南通　600）

低壓發(fā)泡技術(shù)應(yīng)用于水處理產(chǎn)品的開發(fā)

霍祥明1,錢健2,趙錦輝2
（1.江蘇川源環(huán)保設(shè)備有限公司；2.江蘇優(yōu)聯(lián)環(huán)境發(fā)展有限公司,江蘇南通226001）

摘要：厚壁水處理塑料產(chǎn)品開發(fā)，采用低壓發(fā)泡技術(shù)[1]能消除產(chǎn)品內(nèi)應(yīng)力，提高產(chǎn)品強(qiáng)度，降低收縮率，并改善產(chǎn)品翹曲變形，尺寸穩(wěn)定性、質(zhì)量和生產(chǎn)效率得到提高。采用單注射通道注塑機(jī)，添加化學(xué)發(fā)泡劑的低壓發(fā)泡技術(shù)，在開發(fā)大型厚壁水處理塑料制品過(guò)程中值得推廣。

關(guān)鍵詞：注膠壓力；HDPE；化學(xué)發(fā)泡劑；熱流道；針閥；冷卻

0　前言

大型水處理設(shè)備塑料制品，如環(huán)保水箱重量大、壁厚厚。采用常規(guī)高壓注塑工藝加工，由于注塑壓力大、保壓時(shí)間長(zhǎng)，產(chǎn)量低、能耗高；產(chǎn)品內(nèi)應(yīng)力大，變形嚴(yán)重，產(chǎn)品易開裂，裝配存在問(wèn)題。國(guó)外經(jīng)驗(yàn)，厚壁塑料產(chǎn)品應(yīng)該采用低壓發(fā)泡注塑技術(shù)加工。HDPE材質(zhì)的大型厚壁水處理產(chǎn)品開發(fā)過(guò)程涉及模具開發(fā)、加工工藝確定、產(chǎn)品評(píng)估和驗(yàn)收等內(nèi)容，為其他水處理塑料產(chǎn)品的開發(fā)提供思路。

開發(fā)背景：高壓注塑技術(shù)是國(guó)內(nèi)常見(jiàn)的塑料制品加工技術(shù)，應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)豐富，注塑機(jī)為普通高壓注塑機(jī)。高壓注塑技術(shù)即熱塑性塑料經(jīng)注塑機(jī)加熱成熱熔膠，被注塑機(jī)推料螺桿以較高壓力注射進(jìn)模具腔內(nèi)，再經(jīng)冷卻、保壓、成型的加工技術(shù)。高壓注塑產(chǎn)品的開發(fā)過(guò)程包括產(chǎn)品造型、模具開發(fā)、試模、加工參數(shù)確定和量產(chǎn)。由于注膠、冷卻和保壓過(guò)程壓力高，產(chǎn)品被模腔高壓包裹，產(chǎn)品造型需要充分考慮拔模斜度，以便于拔模，影響產(chǎn)品功能；注塑材料存在收縮性，模具應(yīng)根據(jù)材料收縮率放大來(lái)確保產(chǎn)品整體尺寸符合要求，但加強(qiáng)筋位置縮水不能改善。經(jīng)驗(yàn)表明采用高壓注塑技術(shù)加工薄壁小型產(chǎn)品是可行的。

但采用高壓注塑技術(shù)加工壁厚大于6mm的HDPE環(huán)保水箱產(chǎn)品，由于材料收縮率大，產(chǎn)品變形嚴(yán)重；模具抽芯距離長(zhǎng)，拔模斜度大，產(chǎn)品壁厚不均；產(chǎn)品內(nèi)應(yīng)力大，容易開裂，無(wú)法獲得滿意的產(chǎn)品。尋求合適的注塑加工技術(shù)是厚壁HDPE水處理產(chǎn)品的關(guān)鍵。

國(guó)外采用發(fā)泡技術(shù)注塑加工厚壁塑料取得成功，產(chǎn)品尺寸和形狀飽滿、內(nèi)應(yīng)力小、縮水消除、變形小、重量降低、強(qiáng)度增加。

發(fā)泡技術(shù)有低壓化學(xué)發(fā)泡注塑技術(shù)、多通道注塑發(fā)泡注塑技術(shù)和物理發(fā)泡注塑技術(shù)等。低壓化學(xué)發(fā)泡注塑技術(shù)，即熱塑性塑料中添加AC或小蘇打化學(xué)發(fā)泡劑，低壓注膠成型技術(shù)；為縮短注射距離，降低注塑機(jī)尺寸，開發(fā)多通道低壓注塑機(jī)注塑加工發(fā)泡產(chǎn)品；物理發(fā)泡技術(shù)，注塑機(jī)采用專用螺桿，添加超臨界氣體，注塑加工發(fā)泡產(chǎn)品，該技術(shù)在國(guó)外得到迅速推廣，逐漸取代化學(xué)發(fā)泡技術(shù)。

由于發(fā)泡注塑工業(yè)規(guī)模小，進(jìn)口低壓注塑機(jī)和多通道注塑機(jī)價(jià)格昂貴，物理發(fā)泡技術(shù)專利費(fèi)用高昂，相關(guān)技術(shù)研發(fā)難度大，我國(guó)發(fā)泡注塑技術(shù)發(fā)展極為緩慢。國(guó)內(nèi)采用普通單通道高壓注塑機(jī)，塑料添加發(fā)泡劑，螺桿以低壓力注膠，注膠結(jié)束及時(shí)回撤螺桿或安裝針閥或鎖閉式噴嘴，截?cái)嗦輻U至模具腔內(nèi)的壓力傳遞，低背壓注塑加工發(fā)泡產(chǎn)品。但發(fā)泡注塑案例很少，更沒(méi)有建立完善的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)和指導(dǎo)。

根據(jù)國(guó)內(nèi)注塑機(jī)類型和技術(shù)水平，大型厚壁HDPE水處理產(chǎn)品采用低壓發(fā)泡注塑技術(shù)加工，其產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)、發(fā)泡劑選擇，以及工藝控制是產(chǎn)品開發(fā)的重點(diǎn)。

開發(fā)過(guò)程：大型厚壁HDPE水處理產(chǎn)品開發(fā)的目的在于采用低壓發(fā)泡注塑技術(shù)，降低產(chǎn)品收縮率，提高產(chǎn)品尺寸和形狀規(guī)格，減小變形量，減輕產(chǎn)品重量，并加快產(chǎn)品加工效率。

模具設(shè)計(jì)和應(yīng)用確保能夠?qū)崿F(xiàn)低壓發(fā)泡注塑和產(chǎn)品快速成型的要求。

圖1　壁厚過(guò)度部位設(shè)計(jì)比較圖

1　產(chǎn)品設(shè)計(jì)

產(chǎn)品的壁厚大于6.0mm，其造型應(yīng)確保熱熔膠在模腔內(nèi)快速流動(dòng)和各部位壁厚均勻。如圖1，壁厚變化部位平滑過(guò)渡，熱熔膠流動(dòng)途徑部位產(chǎn)品各R角半徑最好大于產(chǎn)品的平均厚度；采用低壓注塑，不考慮拔模斜度，整體產(chǎn)品壁厚均勻。

2　模具設(shè)計(jì)

2.1收縮率

HDPE材料添加發(fā)泡劑，采用低壓發(fā)泡注塑進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示產(chǎn)品收縮率小于0.5%，則模具設(shè)計(jì)放大0.5%或不放大。

2.2模具安裝針閥式熱流道及膠口設(shè)計(jì)

厚壁HDPE環(huán)保水箱理論重量11.8Kg，平均壁厚大于6.0mm，產(chǎn)品設(shè)計(jì)尺寸為1000x300x300mm，熱熔膠在模具模腔內(nèi)的平均流動(dòng)距離設(shè)計(jì)為小于400mm，模具共安裝8根針閥式熱流道，如圖2，頂部安裝六根單膠口熱流道，兩側(cè)各安裝1根多膠口熱流道，各注膠膠口設(shè)計(jì)為大水口，口徑大于10mm。

圖2　熱流道布置

2.3冷卻

注膠結(jié)束，發(fā)泡產(chǎn)品在模腔內(nèi)應(yīng)快速冷卻，隨著溫度降低，發(fā)泡劑停止分解，產(chǎn)品定型，內(nèi)應(yīng)力消除。冷卻方式設(shè)計(jì)為冰水冷卻，冷卻水管徑為12mm。通水冷卻時(shí)間通過(guò)電磁閥控制。

2.4排氣

低壓發(fā)泡模具相對(duì)于傳統(tǒng)高壓模具，排氣槽應(yīng)適當(dāng)加寬。分析熱熔膠流動(dòng)的阻力狀態(tài)，并根據(jù)試模結(jié)果在恰當(dāng)位置設(shè)置扎包。

表1

3　發(fā)泡劑及添加比例

根據(jù)HDPE材料特性選擇合適的AC發(fā)泡劑或小蘇打發(fā)泡劑。AC發(fā)泡劑學(xué)名為偶氮二甲酰胺，分解溫度范圍為180°C至210°C，可添加適量氧化鋅活性劑，降低AC發(fā)泡劑的分解溫度，建議添加比例1%-2%。

小蘇打發(fā)泡劑分解溫度為210°C至230°C，建議添加比例為2%-4%。

采用小型厚壁產(chǎn)品模具進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)材料配制如表1。

發(fā)泡劑與HDPE塑料顆粒按比例加入混料機(jī)中充分?jǐn)嚢?0分鐘以上至混合均勻，備用。

采用1200噸普通單注射螺桿注塑機(jī)實(shí)驗(yàn)，注膠壓力設(shè)定為30bar，通過(guò)比較比較各組分低壓發(fā)泡產(chǎn)品的泡孔分布狀態(tài)確定AC發(fā)泡劑添加比例不小于1.5%，小蘇打發(fā)泡劑添加比例不小于2%。

4　工藝控制

4.1注膠螺桿溫度設(shè)定

如圖3，注膠螺桿溫度設(shè)定為拋物線狀，即炮筒溫度中間高，兩端低。加料段、壓縮段和計(jì)量段溫度設(shè)定為195°C、215°C和195°C，混有發(fā)泡劑的HDPE塑料顆粒在加料段開始熔化，壓縮段

圖3　螺桿溫度分布曲線

進(jìn)一步熔化，流動(dòng)性增強(qiáng)，高溫使得發(fā)泡劑分解產(chǎn)生氣體，均勻分布于塑料熔膠中；計(jì)量段溫度降低，靜態(tài)壓力增加，氣泡被有效保存在熔膠中。

4.2炮筒壓力設(shè)定

加料段、壓縮段和計(jì)量段實(shí)驗(yàn)壓力設(shè)定為50bar、80bar和40bar 至55bar，保證快速注膠。試模過(guò)程，螺桿計(jì)量段壓力由高至低測(cè)試，實(shí)驗(yàn)確定計(jì)量段注膠壓力位48bar。

4.3注膠速度

設(shè)定為最大，總計(jì)進(jìn)料時(shí)間小于12秒。

4.4順序進(jìn)料

控制各點(diǎn)熱流道的進(jìn)料順序和進(jìn)膠量是確保產(chǎn)品發(fā)泡均勻、產(chǎn)品飽滿的保障。如圖2，水箱產(chǎn)品頂部6點(diǎn)注膠口由中間向兩端距注塑機(jī)注膠口距離越遠(yuǎn)，如不加以控制，熱熔膠將會(huì)由中間向兩端推進(jìn)，阻力越來(lái)越大，模腔內(nèi)壓力分布不均。試模實(shí)驗(yàn)表明，通過(guò)控制針閥，兩端膠口先進(jìn)料，中間膠口最后進(jìn)料，能夠快速注膠，降低注膠阻力，提高模腔內(nèi)壓力分布均勻性。

4.5模溫控制

產(chǎn)通過(guò)快速冷卻，發(fā)泡劑停止分解發(fā)泡，產(chǎn)品快速定型，內(nèi)應(yīng)力消除，同時(shí)可提高生產(chǎn)效率。但冷卻時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，HDPE材料表面完全固化，將增加材料與模具之間摩擦力，不利于拔模動(dòng)作。

4.6保壓

注膠結(jié)束，通過(guò)時(shí)間控制熱流道針閥關(guān)閉，隔離注塑機(jī)螺桿對(duì)模具模腔的壓力傳遞，模腔背壓消除，模腔內(nèi)壓力迅速降低，熱熔膠中高壓氣體析出，氣泡體積增大，形成均勻分布的微米級(jí)微氣泡。區(qū)別于高壓注塑工藝，不進(jìn)行保壓是低壓發(fā)泡注塑工藝的重要特點(diǎn)。

5　結(jié)論

通過(guò)對(duì)HDPE環(huán)保水箱尺寸測(cè)量、變形狀況分析、泡孔結(jié)構(gòu)和分布狀況觀察、產(chǎn)品減重測(cè)算，綜合評(píng)估低壓發(fā)泡注塑技用于開發(fā)水處理產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)如下：

（1）產(chǎn)品平整度高，基本無(wú)翹曲變形。

（2）各尺寸誤差均在允許誤差范圍之內(nèi)。

（3）收縮率小于0.4%，無(wú)收縮痕。

（4）鋸開不同位置，各斷面，熔接線位置以外，泡孔分布均勻，發(fā)泡層和結(jié)皮層界線明顯，發(fā)泡層約為3.5mm，結(jié)皮層約為1.5mm，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較高，無(wú)論承重還是接頭連接強(qiáng)度，均增強(qiáng)。

（5）產(chǎn)品減重約18%，整體形狀飽滿。

（6）由于無(wú)保壓過(guò)程，生產(chǎn)效率較普通高壓注塑提高3倍以上。

總之，低壓發(fā)泡注塑工藝能夠消除厚壁環(huán)保水箱等產(chǎn)品的內(nèi)應(yīng)力，減少產(chǎn)品變形和收縮，能夠保證產(chǎn)品的形狀和尺寸要求，確保產(chǎn)品的使用性能。低壓發(fā)泡技術(shù)通過(guò)對(duì)產(chǎn)品造型和模具的優(yōu)化設(shè)計(jì)，試模確定合適的工藝參數(shù)，有效控制低壓發(fā)泡注塑各流程操作，能夠高效注塑加工厚壁塑料水處理產(chǎn)品，值得深入研究和推廣。

參考文獻(xiàn)：

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