聚丙烯//超臨界氮氣微孔注塑充模過程工藝參數(shù)研究

翟玉嬌，信春玲，何亞東，閆寶瑞*，喬林軍

（北京化工大學機電工程學院，北京 100029）

0 前言

微發(fā)泡注塑技術是將超臨界氣體與熔融的聚合物在機筒內(nèi)依靠螺桿的攪拌作用混合形成均相熔體，再注射進入模具型腔［1-3］，最后使成型制品的中間層密布尺寸從十到幾十微米的封閉微孔［4］。與傳統(tǒng)注塑工藝相比，微發(fā)泡注塑工藝具有減少材料消耗、降低鎖模力、提高制品尺寸精度、縮短成型加工周期等優(yōu)點［5-8］，因此被廣泛應用于汽車、電子電器、生活用品、航空和醫(yī)療等領域［9-10］。

目前，許多學者側重于研究微發(fā)泡注塑的充模過程［11］，如李樹松等［12］研究了模具溫度對制品的減重比、泡孔結構、力學性能以及表面質(zhì)量的影響；韓云等［13］利用Moldflow軟件對微發(fā)泡注塑的填充、流動和冷卻等進行仿真分析，得到了注射速率、剪切應力等因素對最終泡沫制品的影響；賈仕奎等［14］首次揭示了不同釋壓量下平均泡孔直徑的變化規(guī)律。本文通過自行設計的一種扁平螺旋線形流道模具（如圖1所示，模具的流道深度為4 mm，寬度為6 mm。）［15］研究注塑過程中在不同充模長度時制品的減重比和泡孔結構的變化規(guī)律，并在此基礎上優(yōu)選注氣壓差、注氣時間、注射壓力、注射速率為工藝參數(shù)設計4因素3水平正交試驗，研究其對制品充模長度的影響，為后續(xù)模具設計以及生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的微發(fā)泡注塑制品起到指導作用。

圖1 扁平螺旋線形流道模具Fig.1 The flat spiral linear runner mould

1 實驗部分

1.1 主要原料

PP，E02ES，密度0.901kg/m3，熱變形溫度79 ℃，熔點150℃，熔體質(zhì)量流動速率MFR（230℃/2.16 kg）1.5 g/10 min，中國石油化工股份有限公司鎮(zhèn)海煉化分公司；

發(fā)泡成核劑，HD101，南京華都科技實業(yè)有限公司；

高純N2，純度99.999%，北京順安奇特氣體有限公司。

1.2 主要設備及儀器

塑料注射成型機，SA900/260，海天塑機集團有限公司；

超臨界流體（SCF）注氣系統(tǒng)，實驗室自主設計搭建；

高速混合機，SHR-25A，張家港市凱潤機械有限公司；

數(shù)據(jù)采集卡，NI PCI-6221，美國國家儀器有限公司；

油式模溫機，STM-910-O，東莞信易電熱機械有限公司；

扁平螺旋線形流道模具，實驗室自行設計加工；

電子分析天平，MS105DU，梅特勒-托利多國際貿(mào)易（上海）有限公司；

高分辨冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM），S-4800，日本Hitachi公司。

1.3 樣品制備

在PP中加入發(fā)泡成核劑HD101，二者的質(zhì)量配比為200∶1，并用高速混合機在300 r/min的轉速下攪拌5 min，使其混合均勻［16］。將混合好的物料倒入塑料注射成型機的機筒中，并配備超臨界流體（SCF）注氣系統(tǒng)進行相關實驗，機筒從噴嘴到加料段各段溫度依次設定為190、200、200、200、200、185 ℃，儲料長度50 mm，機筒中各段物料流速依次為30%、45%、45%、30%（該速率無單位，只代表通過流量的百分比），冷卻時間30 s，用油式模溫機控制模具溫度為35℃，限流元件孔徑300 μm，每組實驗條件下取樣10個制品。

首先，研究不同充模長度時制品的減重比和泡孔結構的變化規(guī)律，僅改變?nèi)垠w背壓由5 MPa升高至8 MPa，取值間隔為1 MPa，共計4組，主要實驗參數(shù)設置如表1所示。

表1 主要實驗參數(shù)設置Tab.1 Main experiment parameters setting

其次，采用4因素3水平正交試驗研究注氣壓差、注氣時間、注射壓力和注射速率對制品充模長度的影響，選定熔體背壓為6 MPa，正交試驗因素水平設計如表2所示。

表2 正交試驗因素水平設計Tab.2 Horizontal design of orthogonal experimental factors

1.4 性能測試與結構表征

充模長度分析：在此定義測量充模長度的起始點為澆口位置［如圖2（a）所示］，用軟尺分別測量每組實驗條件下各個制品的充模長度，將得到的實驗結果取平均值為其充模長度。

圖2 不同熔體背壓條件下1～20號樣品的取樣位置Fig.2 The sampling positions of samples 1～20 at different melt back pressure

注氣量分析：通過自行編寫的LabVIEW控制程序，采集不同熔體背壓條件下注氣量的大小，并取平均值為其注氣量。

減重比分析：如圖2所示，分別截取不同熔體背壓條件下1～20號取樣位置處的樣品，用電子分析天平稱重并計算每個取樣位置的平均質(zhì)量，再計算得到減重比。其中，減重比是用純料件質(zhì)量0.649 mg減去發(fā)泡件質(zhì)量，之后再與純料件質(zhì)量相除而得到的。

SEM分析：按圖2將截取的不同熔體背壓條件下1～20號取樣位置處的樣品放在液氮環(huán)境中進行脆斷，斷面經(jīng)過噴金處理后，用SEM分別觀察每個樣品的斷面微觀泡孔結構并拍照。

2 結果與討論

2.1 充模長度分析

如圖3所示，可以看出在相同工藝條件下，隨著熔體背壓（P，MPa）的升高，制品的充模長度呈線性增長，充模長度（L，mm）范圍為678.742～704.342 mm。主要原因是在一定范圍內(nèi)，隨著熔體背壓升高，進入機筒內(nèi)參與塑化的物料就會增多，熔體壓力值也隨之增大，因此在微發(fā)泡注塑成型階段注射進入模具型腔的物料隨之增多，充模長度增加。對得到的數(shù)據(jù)進行擬合，得到充模長度與熔體背壓的具體關系如式（1）所示，回歸模型具有較高的R2（0.999 98）和較小的殘差平方和（0.008），擬合效果較好。

圖3 制品充模長度隨熔體背壓的變化Fig.3 Product filling length as a function of melt back pressure

2.2 注氣量分析

如圖4可以看出，在其他工藝條件不變的情況下，隨著熔體背壓的升高，制品的注氣量（Q，g）逐漸增加，注氣量范圍為0.469～0.708 g。主要原因是在一定范圍內(nèi)，升高熔體背壓，熔體壓力值隨之增大，為保證注氣壓差相同，相對應的注氣壓力值也隨之增大，因此從氣體注射器注射進入到PP中的超臨界N2不斷增加，注氣量呈增大的趨勢。并對實驗數(shù)據(jù)進行擬合，得到注氣量與熔體背壓的具體關系如式（2）所示，回歸曲線模型具有較高的R2（0.999 98）以及較小的殘差平方和（8×107），擬合效果較好。

圖4 制品注氣量隨熔體背壓的變化Fig.4 Product gas injection volume as a function of melt back pressure

2.3 減重比分析

上文中定義了充模長度的起始點為澆口位置，在此定義充模長度的終點為4組不同熔體背壓條件下每個取樣位置的中點，取值結果如表3所示。如圖5所示，顯示了制品減重比隨充模長度的變化規(guī)律。可以看出，在同一熔體背壓條件下，隨著充模長度的增加，取樣位置處樣品的減重比整體呈增大的趨勢，在充模長度為15.000～487.099 mm范圍內(nèi)，減重比增長速率緩慢，在487.099～655.542 mm范圍內(nèi)減重比快速增長，圖5中樣品的減重比范圍為9.323%～30.091%。主要原因是混合好的均相熔體注射進入模具型腔時，先注入的物料停留在模具流道遠離澆口的位置，后注入的物料停留在模具流道靠近澆口的位置。由于物料進入模具型腔的時間不同，而且模具流道末端為敞口設計，初始注入到模具中的物料具有較大的壓力降速率，氣泡成核驅動率大，并且此時模腔內(nèi)具有較大的發(fā)泡空間，發(fā)泡阻力相對較小，易于發(fā)泡，但由于此處形成的泡孔數(shù)量過多，導致泡孔之間出現(xiàn)大量合并及破裂現(xiàn)象，因此減重比急劇增大。相應地，靠近澆口位置的物料成核驅動力小，發(fā)泡空間有限，因此形成的泡孔數(shù)量相對較少，減重比較小。

表3 不同熔體背壓條件下1～20號樣品取樣位置所對應的充模長度值Tab.3 Under different melt back pressure conditions，the corresponding filling length of sample No.1～20 at sampling position

圖5 制品減重比隨充模長度的變化Fig.5 Product weight loss ratio as a function of filling length

2.4 SEM分析

如圖6（a）所示，可以看出充模長度為15.000 mm時，此處靠近澆口位置，發(fā)泡空間較小，熔體壓力較大，泡孔難以成型，泡孔少且泡孔生長受到較大的阻力，泡孔整體呈橢球形結構；充模長度為133.728 mm時，在視場中泡孔增多，整體呈現(xiàn)為較為規(guī)整的球形結構，泡孔分布均勻性有所改善，而且泡孔尺寸穩(wěn)定；充模長度為337.061 mm時，在視場中泡孔繼續(xù)增多，泡孔分布均勻，泡孔整體尺寸以及形態(tài)幾乎沒有發(fā)生改變；充模長度為487.099 mm時，在視場中泡孔略微增加，泡孔分布均勻，呈現(xiàn)為更加致密的球形泡孔，但泡孔整體的尺寸穩(wěn)定性有所下降，部分泡孔尺寸較大；充模長度為655.542 mm時，泡孔較致密，但整體尺寸分布十分不均勻，泡孔形態(tài)變化較大，泡孔合并以及破裂現(xiàn)象十分嚴重［圖6（e）］。

圖6 PP斷面形態(tài)隨充模長度變化的SEM照片F(xiàn)ig.6 SEM of PP as a function of filling length

2.5 正交試驗分析

綜上分析，發(fā)現(xiàn)在不同充模長度處，制品的減重比和泡孔結構等存在顯著差異，因此研究發(fā)泡工藝對制品充模長度的影響對于指導生產(chǎn)微發(fā)泡注塑制品具有重要意義。采用PP、超臨界N2為實驗材料，用Design of Expert軟件設計4因素3水平正交試驗［17］，選取注氣壓差（A）、注氣時間（B）、注射壓力（C）、注射速率（D）為影響因素，研究微發(fā)泡注塑工藝參數(shù)對制品充模長度的影響規(guī)律，每組實驗條件下取樣10個制品取平均值。此處注氣壓差定義為注氣壓力與熔體壓力之間的差值，用LabVIEW控制程序采集純料塑化時熔體背壓6 MPa條件下所對應的熔體壓力傳感器數(shù)值，取平均值即為實驗所采用的熔體壓力值。

根據(jù)表2的4個影響因素的取值設計正交試驗后進一步用軟件對得到的實驗結果進行擬合，并分析制品充模長度與各影響因素之間的關系。圖7為制品充模長度與影響因素的關系。

制品充模長度（L）與各影響因素擬合關系如式（3）所示：

由圖7以及式（3）可以看出，注氣壓差A、注氣時間B、注射壓力C、注射速率D越大，制品的充模長度越長。其中，注射壓力對制品的充模長度影響最大，主要原因是在微發(fā)泡注塑的過程中注射壓力的作用是克服均相熔體從機筒注射進入模具型腔的流動阻力，使其完成充模過程。在一定程度上，注射壓力決定著均相熔體的充模速率。適當提高注射壓力，可改善均相熔體在模具型腔內(nèi)的流動性，減小流動阻力，提高充模速率，從而提高制品的充模長度［18］。影響次之的是注射速率，相比之下影響較小的是注氣壓差和注氣時間，二者主要通過調(diào)控注氣量來改變均相熔體的黏度。適當提高注氣壓差或注氣時間，可以增加注氣量，降低均相熔體的黏度，減小其在模具型腔內(nèi)的流動阻力，從而提高制品的充模長度。此外，由式（3）可以得出，兩因素間的交互作用也會對充模長度產(chǎn)生較大影響，其中隨著注射壓力與注射速率、注氣壓差與注射壓力的增大，充模長度增加較為顯著，其他因素的交互作用影響較小，具體關系如圖8所示。

圖7 制品的充模長度與影響因素的關系Fig.7 Diagram of relationship between filling length and influencing factors of products

圖8 制品的充模長度與交互因素的關系Fig.8 Diagram of relationship between filling length and interaction factors of products

3 結論

（1）通過以熔體背壓為變量研究了其與制品充模長度、注氣量之間的關系，在一定范圍內(nèi)，隨著熔體背壓的升高，制品的充模長度呈線性增長（關系式為L=8.52P+636.162）；隨著熔體背壓的升高，注氣量增加（關系式為Q=0.011P2-0.063 2P+0.509 8）；

（2）隨著充模長度的增加，取樣位置處樣品的減重比呈現(xiàn)先緩慢增大后快速增大的趨勢；同時，在靠近澆口的位置，泡孔少，泡孔整體呈現(xiàn)為橢球形結構；在中間位置，在視場中泡孔增多，泡孔整體呈現(xiàn)為較為規(guī)整的球形結構，且泡孔分布均勻，尺寸穩(wěn)定；在遠離澆口的位置，泡孔十分致密，但整體尺寸分布不均勻，泡孔形態(tài)變化較大，且泡孔合并以及破裂現(xiàn)象嚴重；

（3）通過4因素3水平正交試驗發(fā)現(xiàn)，注氣壓差、注氣時間、注射壓力、注射速率這4個因素都會對延長制品充模長度起到促進作用，其中注射壓力對制品充模長度的影響最為顯著；此外，兩因素間的交互作用也會對充模長度產(chǎn)生較大的影響，其中注射壓力與注射速率、注氣壓差與注射壓力的影響較為顯著。