石貴初
廣州中新汽車零部件有限公司 廣東廣州 511365
微發(fā)泡中空成型技術(shù)的使用先從美國、歐洲開始,再延伸到日本及東南亞等地區(qū),目前在中國剛剛起步,但用戶正迅速增長。
化學(xué)發(fā)泡中空成型是向原料中添加化學(xué)發(fā)泡劑,在特定的溫度下分解而產(chǎn)生氣泡,不同類型的發(fā)泡劑在不同溫度下分解發(fā)泡。其通常用于厚壁制品成型,對于薄壁制品使用化學(xué)發(fā)泡劑會使表面質(zhì)量劣化,同時會顯著降低其力學(xué)性能。另外,由于化學(xué)發(fā)泡劑本質(zhì)上的熱穩(wěn)定性不佳,因而很難用于加工高溫型樹脂?;瘜W(xué)發(fā)泡劑通常會在樹脂中有所殘留,或產(chǎn)生副產(chǎn)品。帶有副產(chǎn)品或未分解化學(xué)發(fā)泡劑的樹脂通常會使制品耐老化性能降低,并可能導(dǎo)致模具排氣孔堵塞。而且,回收料很難再次使用。微發(fā)泡中空成型技術(shù)則解決了化學(xué)發(fā)泡中空成型技術(shù)的不足。
微發(fā)泡中空成型是采用綠色介質(zhì)超臨界流體(CO2或N2)作為物理發(fā)泡劑,在一定的溫度和壓力下分解而產(chǎn)生氣泡,靠氣泡的成長來填充產(chǎn)品,屬物理發(fā)泡范疇。與化學(xué)發(fā)泡相比,微發(fā)泡中空成型產(chǎn)品不存在化學(xué)添加劑的殘留物;成型工藝控制窗口更寬更靈活;微發(fā)泡制件可以回收再利用,而不改變其物理性能。同時微發(fā)泡中空成型技術(shù)可成型各種類型中空制品,適用性廣。
隨著微發(fā)泡制件優(yōu)良的綜合性能(隔熱、降噪、輕量化等)得到人們的認可,研究人員開展了從間歇發(fā)泡到連續(xù)擠出發(fā)泡的系列工作,尤其是美國Trexel公司基于麻省理工學(xué)院的微發(fā)泡制件設(shè)計思想,研制成功微發(fā)泡中空成型技術(shù),適用性廣,能用普通中空成型的制品基本均可用微發(fā)泡中空成型,尤其是對復(fù)雜、深腔的制品,成型效果更好,可廣泛應(yīng)用于汽車、家電、航空和電子電氣等領(lǐng)域,是最有發(fā)展前景的一種中空成型技術(shù),近年來在歐美、日本等國家和地區(qū)正得到較快的發(fā)展[1]。
微發(fā)泡中空成型過程如圖1所示,可以分成4個階段[2]:
圖1 微發(fā)泡中空成型基本原理圖
第一階段,將超臨界流體(CO2或N2)注入溶解到高分子熔體中形成單相融體并保持在一定壓力下。
第二階段,通過口模擠出進入到溫度和壓力較低的模具型腔,由于溫度和壓力降低引發(fā)分子的不穩(wěn)定性,從而在制品中形成大量的氣泡核。
第三階段,這些氣泡核逐漸長大生成細小的孔洞。
第四階段,通過冷卻定型后形成內(nèi)層較大、外層較小的孔洞。
(1)微發(fā)泡中空成型設(shè)備及輔助系統(tǒng) 微發(fā)泡中空成型設(shè)備如圖2所示,由傳統(tǒng)的中空成型設(shè)備加上超臨界氣體注入系統(tǒng)組成,其中中空成型設(shè)備包括料筒、擠出螺桿、氣體注入口、模頭、中空成型模具、吹氣針及氣缸等,而超臨界氣體注入系統(tǒng)由氣體注入口、CO2或N2儲氣罐、超臨界流體控制系統(tǒng)組成,其中超臨界流體控制系統(tǒng)是微發(fā)泡中空成型設(shè)備的核心。
圖2 微發(fā)泡中空成型設(shè)備及輔助系統(tǒng)
(2)微發(fā)泡中空成型工藝流程 微發(fā)泡中空成型工藝流程如圖3所示。
圖3 微發(fā)泡中空成型工藝流程
1)形成單相融體。將成型材料加入料筒,經(jīng)擠出螺桿熔融,儲氣罐內(nèi)CO2或N2經(jīng)超臨界流體控制系統(tǒng)產(chǎn)生超臨界流體,通過氣體注入口注入中空成型機螺桿內(nèi),通過擠出螺桿塑化剪切,高分子熔體和超臨界流體在螺桿內(nèi)充分溶解形成單相融體。
2)成型中空制品。當中空成型機的擠出指令發(fā)出時,單相融體從中空成型機模頭擠出形成型坯,封口后下降并持續(xù)向型坯內(nèi)預(yù)吹氣,使型坯始終保持較飽滿狀態(tài),當型坯下降直至覆蓋中空成型模具的型腔時,模具合模(型坯內(nèi)部形成氣泡核)。合模后,模具上的吹氣針在氣缸帶作下扎破型坯并向內(nèi)吹氣(型坯內(nèi)微細泡不斷成長),使型坯緊貼模具上下型腔面,通過冷卻定型(型坯內(nèi)微細泡定型),得到微發(fā)泡中空制品。
微發(fā)泡中空成型技術(shù)可以用普通的標準中空成型機及螺桿,僅需在標準機的基礎(chǔ)上加裝氣體注射器、超臨界流體控制器和專用微發(fā)泡控制界面系統(tǒng)即可。
由于微發(fā)泡中空成型主要是靠氣泡的成長來填充產(chǎn)品,是在較低而平均的壓力下進行的,所以產(chǎn)品的內(nèi)應(yīng)力大大減小,不同位置的收縮也變得非常均勻。與傳統(tǒng)中空成型相比,微發(fā)泡中空成型產(chǎn)品減重可達50%以上;微發(fā)泡結(jié)構(gòu)層可改善隔熱和降噪效果;微發(fā)泡管件在水汽冷凝比率方面可有效縮減;成型工藝控制窗口更寬更靈活,制品變形小,尺寸更穩(wěn)定,可減少模具尺寸反復(fù)修改,從而降低模具設(shè)計和制造成本[2]。
利用微發(fā)泡中空成型技術(shù)生產(chǎn)的某汽車儀表通風管產(chǎn)品如圖4所示。由于微細孔結(jié)構(gòu)的存在,其在力學(xué)性能如強度、剛度、韌性等方面相對實心結(jié)構(gòu)有所下降,主機廠認為該產(chǎn)品的主要功能是用于空調(diào)通風,在力學(xué)性能方面滿足常規(guī)強度、裝配及路試需求即可(經(jīng)驗證可滿足),而重點關(guān)注在輕量性、隔熱性、隔聲性方面的效果。依據(jù)主機廠的要求在此三方面進行了相關(guān)的測試。
圖4 利用微發(fā)泡技術(shù)成型的某汽車儀表通風管
該儀表通風管輕量性測試結(jié)果見表1。在產(chǎn)品壁厚相同的情況下,利用不同發(fā)泡倍率得到的產(chǎn)品與普通中空成型得到的產(chǎn)品(實體)的重量有較大的不同,減重效果很明顯。
表1 儀表通風管輕量性測試結(jié)果
按某汽車主機廠要求的試驗條件(見表2)及方法(見圖5),對不同發(fā)泡倍率的儀表通風管,測試30min,測定進出口溫度差,進出口溫度差=出口溫度3處平均-進口溫度3處平均。儀表通風管隔熱性測試結(jié)果見表3。從表中可看出:發(fā)泡倍率越高,隔熱效果越好,4倍發(fā)泡品的進出口溫度差與實體相比可控制在1/2以下,4倍發(fā)泡品的表面無水珠出現(xiàn)。
表2 儀表通風管隔熱性測試條件
圖5 隔熱性測試方法簡圖
表3 儀表通風管隔熱性測試結(jié)果
按某汽車主機廠要求的試驗條件(見表4)及方法(見圖6),發(fā)聲室流出聲源在風管出口測定噪聲水平,儀表通風管隔聲性測試結(jié)果見表5。從表5可看出:幾乎在所有的頻率帶,發(fā)泡品噪聲水平都比實體要低,發(fā)泡倍率越大,隔聲效果越明顯。
表4 儀表通風管隔聲性測試條件
圖6 隔聲性測試方法簡圖
表5 儀表通風管隔聲性測試結(jié)果
微發(fā)泡制件優(yōu)良的尺寸穩(wěn)定性和綜合性能(隔熱、降噪、輕量化等)在汽車領(lǐng)域受到了重點關(guān)注,尤其是在汽車零部件如除霜管、空調(diào)管、通風管等的成型方面,微發(fā)泡中空成型技術(shù)已成為未來發(fā)展方向的潮流。具體零部件如圖7所示。
圖7 應(yīng)用于汽車零部件產(chǎn)品分布
幾乎所有的通用塑料中空制品都可以采用微發(fā)泡中空成型技術(shù)來生產(chǎn),微發(fā)泡中空成型技術(shù)所展現(xiàn)出來的潛力已引起越來越多行業(yè)的關(guān)注,對其需求量正在不斷增長。微發(fā)泡中空成型適用性廣,尤其是可成型復(fù)雜、深腔制品,可廣泛應(yīng)用于電子電氣、能源、醫(yī)療衛(wèi)生以及航空航天等國家重點行業(yè),是具有非常廣闊前景的一種中空成型技術(shù)。