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微發(fā)泡注塑PP及其工藝影響因素
2017-6-27 10:10:16
微孔發(fā)泡PP是指泡孔分布均勻、泡孔平均直徑在1～100 μm，泡孔密度大約為106～1011 個/cm3，材料的密度相比于未發(fā)泡減少8～15%的發(fā)泡材料，由于微孔發(fā)泡PP中的微孔改變了原始聚合物材料中應(yīng)力的分布以及應(yīng)力在材料中的傳遞方式，使得微發(fā)泡聚合物表現(xiàn)出有別于其他連續(xù)材料的力學(xué)特性。比如具有質(zhì)輕、比強度高、隔音、沖擊強度更高等優(yōu)點，并且其抗疲勞壽命甚至可以數(shù)十倍地提高，同時其絕緣、保溫性能等也會大幅度地增加。因此，微發(fā)泡PP特別適用于對材料輕量化要求較高的領(lǐng)域，如汽車、軌道交通，船舶，風(fēng)機葉片等。
目前，微發(fā)泡PP主要有以下幾種成型方法：① 間歇成型法 ② 連續(xù)擠出成型法 ③ 注塑成型法。但是，間歇成型法，生產(chǎn)周期長，不適合應(yīng)用于大規(guī)模工業(yè)化;連續(xù)擠出成型法雖然可以縮短生產(chǎn)周期，但是連續(xù)擠出成型法僅能制造結(jié)構(gòu)簡單的制品，限制了其應(yīng)用范圍。而注塑成型法具有生產(chǎn)周期短，又能制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)原件，可在傳統(tǒng)注塑機的基礎(chǔ)上進行改進，因此是目前工業(yè)上主要采用的方法。
1. 微發(fā)泡注塑成型技術(shù)的工藝與原理
注塑成型技術(shù)的原理是利用快速改變溫度來使聚合物/氣體均相體系進行微孔發(fā)泡
其工藝過程為：聚合物粒料通過料斗加入機筒，通過螺桿的機械摩擦和升溫加熱器使粒料熔為聚合物熔體，N2或CO2等小分子氣體通過計量閥的控制以一定的速率注入機筒內(nèi)的聚合物熔體中(或通過在聚合物中添加化學(xué)發(fā)泡劑分解產(chǎn)生氣體)，與聚合物熔體混合均勻，形成聚合物/氣體均相體系。
隨后，聚合物/氣體均相體系由靜態(tài)混合器進入擴散室, 通過分子擴散使體系進一步均化，在這里通過快速升溫加熱器(例如，在1s內(nèi)使熔體溫度由190℃上升至240℃)使氣體在聚合物熔體中的溶解度急劇下降，過飽和氣體由熔體中析出形成大量的微小氣泡核。為了抑制擴散室內(nèi)已形成的氣泡核快速生長, 擴散室內(nèi)必須保持高壓狀態(tài)。
在進行注射操作前, 模具型腔中充滿壓縮氣體。螺桿向前移動到指定位置后，將含有大量微小氣泡核的聚合物熔體注入型腔內(nèi),壓縮氣體提供的壓力可以防止泡孔在填充過程中的過分膨脹。填充過程結(jié)束后，降低型腔內(nèi)的壓力可以使泡孔膨脹。與此同時，模具的冷卻作用使泡孔固化成型。
2. 工藝參數(shù)對微發(fā)泡PP性能的影響
發(fā)泡PP的性能依賴于發(fā)泡材料的相對密度和泡孔的結(jié)構(gòu)特征。對于泡孔結(jié)構(gòu)而言，增加泡孔尺寸分布的均勻性和減少泡孔尺寸是增強發(fā)泡制品性能的關(guān)鍵因素。有學(xué)者對此進行研究發(fā)現(xiàn)：在相同的密度條件下，泡孔尺寸越小，分布越均勻，發(fā)泡材料的拉伸性能越高;材料的減重幅度增大，拉伸性能降低;發(fā)泡制品的沖擊強度跟相對密度以及皮層厚度有很大的聯(lián)系等。對于注塑發(fā)泡PP來說，其發(fā)泡形貌受到溫度、剪切力、型腔壓力等的多重影響。注塑過程中工藝條件設(shè)置、添加納米粒子、聚合物共混等對于獲得較好發(fā)泡質(zhì)量的制品有著很大的促進作用。
注塑條件的影響
對于發(fā)泡材料來講，泡孔的成核和長大是控制發(fā)泡形貌的關(guān)鍵因素。成核速率與壓力降低速率有關(guān)，而注射速率參數(shù)直接決定了壓力降低速率的大小。充模過程中，較高的注射速率縮短了充模時間，使得熔體各區(qū)域溫度差降低，模內(nèi)壓力得到均勻釋放。泡孔的長大受到熔體溫度和熔體壓力的限制。熔體溫度對表面張力、熔體黏度和氣體的溶解度產(chǎn)生影響，進而影響氣體的擴散和長大;射膠量影響著充模后型腔的熔體壓力，探索合適的射膠量和熔體溫度對于泡孔形態(tài)控制至關(guān)重要。
注射速率的影響主要針對充模中形成的泡孔，在未注滿和恰好注滿型腔時，注射速率的增大有利于泡孔數(shù)目的增多;如果射膠量過大，充模過程中生成的泡孔會重新溶解在熔融的樹脂基體中;大部分泡孔的生成主要由冷卻收縮造成，注射速率對發(fā)泡形貌的影響很小，而最終形貌的定型主要依賴于充模結(jié)束后的熔體壓力和溫度。
注塑壓力的增大和較高的模溫控制有助于增加泡孔密度，降低皮層厚度。一方面充模時間縮短，熔體進入型腔后仍具有較高的溫度，使得發(fā)泡時間延長皮層厚度降低;另一方面熔體在通過噴嘴時，壓力降速率增大誘發(fā)了大量的氣體成核，泡孔密度增加;對于成核能力較強的PP熔體，應(yīng)適當降低射膠量以提供一定的發(fā)泡膨脹空間，這樣可獲得較小的泡孔尺寸。
發(fā)泡工藝的影響
微發(fā)泡注塑工藝一般是指單相熔體射入一定體積的型腔中，射入的單相熔體體積小于型腔體積以提供多余的空間進行發(fā)泡。這種發(fā)泡工藝操作簡單，但由于受到型腔內(nèi)部剪切流和溫度的影響，氣體損失較大，泡孔結(jié)構(gòu)不一致從而造成力學(xué)性能的損失。
為了解決上述泡孔問題，可以采用一種新型的發(fā)泡工藝——注壓發(fā)泡。其步驟是單相熔體首先注入到一個部分打開的型腔中，利用多余空間發(fā)泡后在很短時間內(nèi)依靠鎖模力壓縮至所需的試樣厚度。從平行于流道方向上觀察可發(fā)現(xiàn)，矩形試樣在靠近型腔表面出現(xiàn)較大泡孔變形的區(qū)域降低25%，且泡孔尺寸偏差明顯降低。這是由于熔體填充完畢后，施加壓力使得型腔內(nèi)部熔體壓力增大，臨界成核半徑增大，制品內(nèi)部泡孔尺寸重新分布且趨于一致。
也可以利用退芯成型和氣體反壓聯(lián)合應(yīng)用制備發(fā)泡材料。研究發(fā)現(xiàn)：在厚度方向上，由于退芯和氣體反壓的施加使得泡孔的尺寸分布偏差明顯減少( 少于5%)，表面質(zhì)量得到改善。
或者采用延時二次開模方法對PP進行發(fā)泡。比如在熔體注滿型腔后延遲9s使動模在厚度方向上打開到所需厚度，釋放空間進行發(fā)泡，可使PP的結(jié)晶度有所增加。而早期晶體的形成，使的晶體周圍氣體濃度升高，促進了泡孔的成核。
3. 總結(jié)
注塑發(fā)泡由于自身的優(yōu)點，在工業(yè)上具有很好的應(yīng)用前景。但是注塑發(fā)泡成型泡孔受到復(fù)雜注塑環(huán)境的影響，往往不能得到理想的發(fā)泡制品，這也限制了其性能的提高。通過工藝條件的改進在一定程度上改善發(fā)泡質(zhì)量，獲得平均直徑更小、分布更窄, 而密度更大的泡孔。但是微孔聚合物內(nèi)微孔的存在在提高材料韌性的同時也使材料的有效承載截面積減小，從而使得這類微孔聚合物材料的相對強度和模量大幅度下降，不能作為結(jié)構(gòu)件使用，限制了其在很多工程領(lǐng)域中的應(yīng)用。因此，進一步對齊進行共混改性、無機納米粒子填充以及纖維增強改性也尤為重要。

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