（機械設(shè)計及理論專業(yè)論文）微孔發(fā)泡注塑工藝研究.pdf

學(xué)位論文數(shù)據(jù)集 中圖分類號t q 3 2學(xué)科分類號 4 6 0 2 0 9 9 論文編號 1 0 0 1 0 2 0 1 2 0 7 2 7 密級公開 學(xué)位授予單位代碼 10 0 1 0 學(xué)位授予單位名稱北京化工大學(xué) 作者姓名夏青學(xué)號 2 0 0 9 0 0 0 7 2 7 獲學(xué)位專業(yè)名稱機械設(shè)計及理論獲學(xué)位專業(yè)代碼 0 8 0 2 0 3 課題來源企業(yè)橫向課題研究方向聚合物加工 論文題目 微孔發(fā)泡注塑工藝研究 關(guān)鍵詞 微孔發(fā)泡 泡孔 減重 工藝參數(shù) 注塑成型 論文答辯日期 2 0 1 2 5 2 6 論文類型應(yīng)用研究 學(xué)位論文評閱及答辯委員會情況 姓名職稱工作單位學(xué)科專長 指導(dǎo)教師 李慶春研究員北京化工大學(xué)聚合物加工 評閱人1何亞東研究員北京化工大學(xué)聚合物加工 評閱人2閆寶瑞高工北京化工大學(xué)機電控制 中國石化總公司北 答辯委員縱趙月云高工聚合物加工 京化工研究院 答辯委員l吳大鳴研究員北京化工大學(xué)聚合物加工 答辯委員2薛平研究員 北京化工大學(xué) 聚合物加工 答辯委員3何亞東研究員北京化工大學(xué)聚合物加工 答辯委員4閆寶瑞高工北京化工大學(xué)機電控制 答辯委員5劉穎副研究員 北京化工大學(xué)聚合物復(fù)合材料 答辯委員6王克儉副研究員北京化工大學(xué)聚合物加工 答辯委員7任冬云副研究員北京化工大學(xué) 聚合物加工 答辯委員8金志明副研究員 北京化工大學(xué)聚合物加工 答辯委員9何繼敏副研究員 北京化工大學(xué)聚合物加工 答辯委員1 0 劉廣建高工北京化工大學(xué)聚合物加工 答辯委員1 1趙中里講師北京化工大學(xué) 聚合物加工 二 中圖分類號在 中國圖書資料分類法 查詢 三 學(xué)科分類號在中華人民共和國國家標準 g b t1 3 7 4 5 9 學(xué)科分類與代碼 中 查詢 四 論文編號由單位代碼和年份及學(xué)號的后四位組成 摘要 微孑l 發(fā)泡注塑工藝研究 摘要 微發(fā)泡注塑成型技術(shù)是一項新型的微孔塑料加工技術(shù) 能在最大程度 減重的基礎(chǔ)上保留制品的機械強度 因此具備廣泛的應(yīng)用前景 特別是在 宇航 汽車等領(lǐng)域 國外對于微發(fā)泡注塑成型研究起步相對較早 2 0 1 1 年 美國t r e x e l 公司的m u c e l l 工藝成功市場化應(yīng)用 而國內(nèi)微發(fā)泡注塑 成型研究仍大都處于數(shù)值模擬階段 本文通過模擬和實驗兩種方法 對微發(fā)泡注塑成型工藝進行了全面的 探索和研究 得出了各工藝參數(shù)對泡孔結(jié)構(gòu)和減重比等響應(yīng)影響的基本規(guī) 律 模擬方面 建立模擬模型研究工藝參數(shù)初始填充量 熔體溫度 注氣 量和注射時間等對微發(fā)泡制品泡孔半徑 最高注射壓力 殘余應(yīng)力和翹曲 變形的影響 把模擬結(jié)果與實驗中實際情況進行比較 驗證分析模擬模型 的適用性 實驗方面 我們根據(jù)不同的注氣原理 設(shè)計搭建了非連續(xù)和限流式兩 套注氣系統(tǒng) 首先對基于非連續(xù)注氣系統(tǒng)的微發(fā)泡注塑成型工藝進行了研 究 主要包括注氣工藝參數(shù) 注氣壓力和背壓 與注塑工藝參數(shù) 塑化長 度 注射速度 注射壓力 螺桿轉(zhuǎn)速和熔體溫度 得出了注氣量與注氣 壓力 背壓的基本關(guān)系 各工藝參數(shù)對泡孔結(jié)構(gòu)和減重比影響的基本規(guī)律 其次對限流式注氣系統(tǒng)進行了初步研究 在準確計量氣體注入量的基 礎(chǔ)上 得到了注氣量與注氣壓力 背壓的關(guān)系 注氣量對減重比和制品表 面質(zhì)量的影響 同時得到了注氣量 注射速度和熔體溫度對泡孔結(jié)構(gòu)影響 1 北京化工大學(xué)碩士學(xué)位論文 的基本規(guī)律 提高注氣量和注射速度是改善泡孔結(jié)構(gòu)的有效措施 注射速 度引起的壓力降速率變化是成核的關(guān)鍵因素 p s 相對于p p 可以取得更好 的發(fā)泡效果 平均泡孔直徑l o g m 泡孔密度1 5 1 0 8 個 c m 3 關(guān)鍵詞 微孔發(fā)泡 泡孔 減重 工藝參數(shù) 注塑成型 a b s t r a c t t h ep r o c e s s i n gr c t o r so fm i c r o c e l l u l a r i n j e c t i o nm o l d i n g a b s t r a c t m i c r o c e u u l a ri n j e c t i o nm o l d i n gi san e wm e t h o df o rp r o d u c t i o no ff o a m t e c h n o l o g y m e c h a n i c a ls t r e n g t ho fp r o d u c t s c a nb er e t a i n e do nt h eb a s i s o ft h em a x i m u m d e g r e eo fw e i g h tl o s s t h e r e f o r e t h i st e c h n o l o g yh a saw i d e r a n g e o fa p p l i c a t i o n s e s p e c i a l l y i nt h e a e r o s p a c e a u t o m o t i v e f i e l d s m i c r o c e l l u l a ri n je c t i o nm o l d i n gd e v e l o p e de a r l ya b r o a d i n2 011 m u c e l l f r o mt r e x e lw a sa p p l i e di nt h em a r k e ts u c c e s s f u l l y m i c r o c e l l u l a ri n j e c t i o n m o l d i n g i ss t i l li nt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o ns t a g ei no u r c o u n t r y i nt h i sp a p e r w es t u d i e dt h ep r o c e s s i n gf a c t o r so fm i c r o c e l l u l a ri n j e c t i o n m o l d i n go nt h eb a s e so ft h et w om i c r o c e l l u l a ri n j e c t i o nm o l d i n gs i m u l a t i o n a n de x p e r i m e n tp l a t f o r m sw ee s t a b l i s h e d d r a wt h eb a s i cl a wo ft h ev a r i o u s p r o c e s sp a r a m e t e r so nt h er e s p o n s eo ft h ec e l l w e i g h tl o s s e t c t h ei m p a c to f 蝎e c t i o nm o l d i n g p r o c e s si n c l u d i n gf i np e r c e n t a g e m e l t t e m p e r a t u r e p e r c e n t a g eo ft h ei n j e c t e dg a s i n j e c t i o nt i m ea n dt h em o l d t e m p e r a t u r eo nc e l ls t r u c t u r e m a x i m u mi n j e c t i o np r e s s u r e r e s i d u a ls t r e s sa n d w a r p a g ew e r es t u d i e d c o m p a r e dt h o s ew i t ht h ea c t u a ls i t u a t i o n a n a l y z e dt h e u i 北京化工大學(xué)碩士學(xué)位論文 v a l i d i t y a n dl i m i t a t i o n so ft h i s m o d e l c o m p a r e dm i c r o c e l l u l a ri n je c t i o n m o l d i n gw i t hc o n v e n t i o n a li n je c t i o nm o l d i n gp r o c e s s a n a l y z e dt h ea d v a n t a g e s o fm i c r o c e l l u l a ri n j e c t i o nm o l d i n g a tl a s t m i c r o c e l l u l a ri n j e c t i o nm o l d i n g p r o c e s so p t i m i z e db yr e s p o n s es u r f a c ed e s i g nb o x b e h n k e n w ed e s i g n e da n dc o n s t r u c t e dt w os e t sg a si n je c t i o ns y s t e mi n t e r m i t t e n t a n dl i m i td e p e n d i n go nt h ed i f f e r e n tg a si n je c t i o np r i n c i p l e i m p a c to ft h eg a s i n j e c t i o np a r a m e t e r si n c l u d i n g g a si n j e c t i o np r e s s u r ea n db a c kp r e s s u r ea n d i n j e c t i o nm o l d i n gp r o c e s si n c l u d i n gp l a s t i c i z i n gl e n g t h i n je c t i o ns p e e d s c r e w s p e e da n dm e l tt e m p e r a t u r eo np r o d u c ts u r f a c eq u a l i t y w e i g h tl o s sa n dc e l l s t r u c t u r ew e r es t u d i e do nt h eb a s i so fi n t e r m i t t e n tg a si n j e c t i o ns y s t e m a tt h e s a m et i m e w ec a r r i e do u tap r e l i m i n a r yw o r ko nt h el i m i tg a si n j e c t i o n s y s t e m o b t a i n e dt h eb a s i cr e l a t i o n s h i po ft h eg a si n je c t i o nq u a l i t ya n dt h e w e i g h tl o s s o nt h eb a s i so fc o n t r o lt h ea m o u n to fg a si n je c t i o na c c u r a t e l y w eo b t a i n e dt h ep r o d u c t sw i t ha v e r a g ec e l ld i a m e t e ru pt olo g mb a s e do nt h e r o u n dt h i ns h e e tm o l d k e yw o r d s m i c r o c e l l u l a rf o a m c e l l u l a r w e i g h tl o s s p r o c e s sp a r a m e t e r i n je c t i o nm o l d i n g i v 目錄 目錄 第一章緒論 1 1 1 微發(fā)泡注塑成型技術(shù) 1 1 1 1 微發(fā)泡注塑成型制品的優(yōu)勢與應(yīng)用 1 1 1 2 微孔發(fā)泡塑料的發(fā)展歷程 2 1 2 微發(fā)泡注塑成型設(shè)備與工藝方法 3 1 3 微發(fā)泡注塑成型工藝參數(shù) 6 1 3 1 微孔發(fā)泡注塑成型數(shù)值研究現(xiàn)狀 7 1 3 2 微孔發(fā)泡注塑成型實驗研究現(xiàn)狀 8 1 4 本課題的主要研究內(nèi)容 目的和意義 9 1 4 1 本課題的主要研究內(nèi)容 9 1 4 2 本課題的研究目的和意義 9 第二章實驗原理與平臺 1 1 i l 言 1 1 2 1 模擬平臺 1 1 2 1 1 模擬應(yīng)用軟件 1 1 2 1 2 微發(fā)泡注塑成型工藝參數(shù)模擬 1 2 2 1 2 1 數(shù)值計算原理 1 2 2 1 2 2 模擬參數(shù)設(shè)置 1 4 2 1 2 3 新建工程 一1 4 2 1 2 4 模擬加工工藝設(shè)置 一1 5 2 1 2 5 模擬結(jié)果的輸出 1 5 2 1 3 微發(fā)泡注塑成型工藝優(yōu)化分析平臺 1 6 2 2 實驗平臺 1 9 2 2 1 實驗所需要的材料 1 9 2 2 2 實驗工藝條件設(shè)置 1 9 2 2 3 實驗所需儀器和設(shè)備 2 0 第三章基于c a e 軟件m o ld flo w 的模擬 2 3 v 北京化工大學(xué)碩士學(xué)位論文 引言 2 3 3 1 模擬安排 2 3 3 1 1 材料選用及參數(shù) 2 3 3 1 2 實驗?zāi)Ｐ?2 3 3 1 3 模擬工藝條件設(shè)置 2 4 3 1 4 參考點的設(shè)置 2 4 3 2 結(jié)果分析 2 5 3 2 1 工藝參數(shù)對泡孔半徑的影響 2 5 3 2 1 1 初始填充量對泡孔半徑的影響 2 5 3 2 1 2 熔體溫度對泡孔半徑的影響 2 6 3 2 1 3 模型的有效性 2 7 3 2 1 4 注氣量對泡孔半徑的影響 一2 8 3 2 1 5 注射時間對泡孔半徑的影響 2 9 3 2 1 6 模型的適用性 3 0 3 2 1 7 模具溫度對泡孔半徑的影響 3 l 3 2 2 工藝參數(shù)對注射壓力的影響 31 3 2 3 工藝參數(shù)對殘余應(yīng)力和翹曲變形的影響 3 3 3 2 4 與傳統(tǒng)注射成型工藝的對比 3 6 3 2 4 1 實驗條件設(shè)置 3 6 3 2 4 2 注射壓力的對比 3 7 3 2 4 3 殘余應(yīng)力的對比 一3 8 3 3 微發(fā)泡注塑成型工藝優(yōu)化 4 0 3 3 1 優(yōu)化工藝條件設(shè)置 4 0 3 3 2 優(yōu)化結(jié)果分析 4 1 3 3 3 優(yōu)化結(jié)果驗證 4 2 第四章基于非連續(xù)注氣系統(tǒng)的實驗研究 4 5 引言 4 5 4 1 非連續(xù)注氣系統(tǒng)的搭建 4 5 4 1 1 非連續(xù)注氣系統(tǒng)搭建原理 4 5 4 1 2 各容器元部件設(shè)計 4 7 4 2 實驗準備 4 8 4 2 1 主要實驗原料和設(shè)備 4 8 4 2 2 實驗過程 4 8 v i 目錄 4 3 注氣工藝參數(shù)研究 4 9 4 3 1 工藝條件設(shè)置 4 9 4 3 2 注氣量的計算 4 9 4 3 3 不同注氣壓力下的實驗研究 5 1 4 3 3 1 制品減重和表面質(zhì)量 5 1 4 3 3 2 制品泡孔結(jié)構(gòu)的影響 5 2 4 3 4 結(jié)論 5 4 4 4 注塑工藝參數(shù)研究 5 4 4 4 1 工藝條件設(shè)置 5 4 4 4 2 實驗結(jié)果與討論 5 5 4 4 2 1 塑化長度的影響 5 5 4 4 2 2 注射速度的影響 5 6 4 4 2 3 螺桿轉(zhuǎn)速的影響 5 8 4 4 2 4 熔體溫度的影響 5 9 4 4 2 5 注射壓力的影響 6 0 4 4 2 6 結(jié)論 6 2 第五章基于限流式注氣系統(tǒng)的實驗研究 6 3 引言 6 3 5 1 限流式注氣系統(tǒng)的搭建 6 3 5 2 基于限流式注氣系統(tǒng)的初步研究 6 4 5 2 1 注氣工藝參數(shù)對減重和表面質(zhì)量的影響 6 5 5 2 2 泡孔結(jié)構(gòu)影響因素的初步實驗研究 6 6 5 2 2 1 注氣量對泡孔結(jié)構(gòu)的影響 一6 7 5 2 2 2 注射速度和熔體溫度對泡孔結(jié)構(gòu)的影響 6 8 5 3 制品展示 6 9 5 3 1 方盒制品 6 9 5 3 2 薄片制品 7 0 第六章結(jié)論 一7 3 6 1 結(jié)論 7 3 6 2 一些有待深入研究的問題 7 4 參考文獻 7 5 v i i 北京化工大學(xué)碩士學(xué)位論文 致謝 7 9 研究成果及發(fā)表的學(xué)術(shù)論文 8 1 作者和導(dǎo)師簡介 8 3 v i i i c o n t e a l t s co n t e n t s c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n 1 1 1o v e r i e wo f m i c r o c e l l u l a ri n j e c i t o nm o l d i n g 1 1 11a d v a n t a g ea n da p p l i c a t i o no fm i c r o c e l l u l a ri n je c t i o nm o l d i n g 1 1 1 2d e v e l o p m e n th i s t o r y 2 1 2m e c h a n i c a le q u i p m e n ta n dp r o c e s so f m i c r o c e l l u l a ri n j e c t i o nm o l d i n g 3 1 3p r o c e s s p a r a m e t e r 6 1 3 1n u m e r i c a ls t u d ys t a t u s 一7 1 3 2e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h 8 1 4m a i nr e s e a r c hc o n t e n t s p u r p o s ea n ds i g n i f i c a n c eo f t h i ss u b j e c t 9 1 4 1m a i nr e s e a r c hc o n t e n t s 9 1 4 2p u r p o s ea n ds i g n i f i c a n c e 9 c h a p t e r 2e x p e r i m e n t a lp r i n c i p l ea n dp l a t f o r m i i i n t r o d u c t i o n 11 2 1s i m u l a t i o np l a t f o r m 1l 2 1 1s i m u l a t i o ns o f t w a r e 1 1 2 1 2s i m u l a t i o no f p a r a m e t e r 1 2 2 1 2 1p r i n c i p l e so f n u m e r i c a lc a l c u l a t i o n 1 2 2 1 2 2s i m u l a t i o np a r a m e t e rs e t t i n g 1 4 2 1 2 3n e w p r o j e c t 1 4 2 1 2 4p a r a m e t e rs e t t i n g 1 5 2 1 2 5r e s u l to u t p u t 1 5 2 1 3o p t i m i z et h ea n a l y s i sp l a t f o r m 1 6 2 2e x p e r i m e n t a lp l a t f o r m 1 9 2 2 1m a t e r i a l sn e e d e db yt h ee x p e r i m e n t 1 9 2 2 2e x p e r i m e n t p r o c e s sp a r a m e t e rs e t t i n g 1 9 2 2 3i n s t r u m e n t sa n de q u i p m e n te x p e r i m e n tn e e d e d 2 0 c h a p t e r 3s i m u l a t i o nb a s e do nc a es o f t w a r em o l d f l o w 2 3 i x 北京化工大學(xué)碩士學(xué)位論文 3 1p r e p a r ef o rt h es i m u l a t i o n 2 3 3 1 1m a t e r i a la n di t sp a r a m e t e r s 2 3 3 1 2m o d e lf o rs i m u l a t i o n 2 3 3 1 3p r o c e s ss e t t i n gf o rs i m u l a t i o n 2 4 3 1 4r e f e r e n c ep o i n t s 2 4 3 2r e s u l t sa n a l y s i s 2 5 3 2 1i m p a c to f p r o c e s sp a r a m e t e r so nt h ec e l lr a d i u s 2 5 3 2 1 1i m p a c to f f i l l i n gp e r c e n to nt h ec e l lr a d i u s 2 5 3 2 1 2i m p a c to f m e l tt e m p r e t u r eo nt h ec e l lr a d i u s 2 6 3 2 1 3t h e v a l i d i t yo f t h em o d e l 2 7 3 2 1 4i m p a c to f g a si n j e c t i o np e r c e n to nt h ec e l lr a d i u s 2 8 3 2 1 5i m p a c to f i n j e c t i o nt i m eo nt h ec e l lr a d i u s 2 9 3 2 1 6t h el i m i t a t i o n so f t h em o d e l 3 0 3 2 1 7i m p a c to f m o l dt e m p r e t u r eo nt h ec e l lr a d i u s 3 1 3 2 2i m p a c to f p r o c e s sp a r a m e t e r so ni n j e c t i o np r e s s u r e 3 1 3 2 3i m p a c to f p r o c e s sp a r a m e t e r so nr e s i d u a ls t r e s sa n dw a r p a g e 3 3 3 2 4c o m p a r e dw i t hc o n v e n t i o n a li n j e c t i o nm o l d i n g 3 6 3 2 4 1p r o c e s ss e t t i n g 3 6 3 2 4 2i n j e c t i o np r e s s u r ec o m p a r e d 3 7 3 2 4 3r e s i d u a ls t r e s sc o m p a r e d 3 8 3 3p r o c e s so p t i m i z a t i o no f m i c r o c e l l u l a ri n j e c t i o nm o l d i n g 4 0 3 3 1p r o c e s ss e t t i n g 4 0 3 3 2r e s u l ta n a l y s i s 4 1 3 3 3r e s u l tv e r i f i c a t i o n 4 2 c h a p t e r 4e x p e r i m e n tb a s e do ni n t e r m i t t e n tg a si n j e c t i o ns y s t e m 4 5 i n t r o d u c t i o n 4 5 4 1i n t e r m i t t e n tg a si n j e c t i o ns y s t e m 4 5 4 1 1p r i n c i p l eo f g a si n j e c t i o ns y s t e m 4 5 4 1 2c o m p o n e n t sd e s i g n 4 7 4 2p r e p a r ef o rt h ee x p e r i m e n t 4 8 4 2 1m a t e r i a l sa n de q u i p m e n t 4 8 4 2 2e x p e r i m e n tp r o c e d u r e 4 8 4 3g a si n j e c t i o np r o c e s ss t u d y 4 9 x 4 3 1p r o c e s ss e t t i n g 4 9 4 3 2g a si n j e c t i o np e r c e n t 4 9 4 3 3e x p e r i m e n ts t u d yb a s e do nd i f f e r e n tg a si n j e c t i o np r e s s u r e 5 1 4 3 3 1w e i g h tl o s sa n ds u r f a c eq u a l i t y 5 1 4 3 3 2c e l ls t r u c t u r e 5 2 4 3 4c 0 n d u s i o n 5 4 4 4i n j e c t i o nm o l d i n gp r o c e s sp a r a m e t e r ss t u d y 5 4 4 4 1p r o c e s ss e t t i n g 5 4 4 4 2r e s u l t sa n a l y s i s 5 5 4 4 2 1i m p a c to f p l a s t i c z i n gl e n g t h 5 5 4 4 2 2i m p a c to f i n j e c t i o ns p e e d 4 4 2 3i m p a c to f s c r e ws p e e d 5 8 4 4 2 4i m p a c to f m e l tt e m p r e t u r e 5 9 4 4 2 5i m p a c to f i r l i e c t i o np r e s s u r e 6 0 4 4 2 6c o n c l u s i o n 6 2 c h a p t e r 5e x p e r i m e n tb a s e do nc o n t i n u o u sg a si n j e c t i o ns y s t e m 6 3 i n t r o d u c t i o n 6 3 5 1c o n t i n u o u sg a si n j e e t i o ns y s t e m 6 3 5 2p r e l i m i n a r ys t u d yb a s e do nc o n t i n u o u sg a si n j e c t i o ns y s t e m j 6 4 5 2 1w e i g h tl o s sa n ds u r f a c eq u a l i t y 6 5 5 2 2c e l ls t r u c t u r e 6 6 5 2 2 1g a si n j e c f i o np e r c e n t 6 7 5 2 2 2s c r e ws p e e da n dm e l tt e m p r e t u r e 6 8 5 3p r o d u c t s 6 9 5 3 1s q u a r eb o xm o l d 6 9 5 3 2s h e e tm o l d 7 0 c h a p t e r 6c o n c l u s i o n 7 3 6 1c o n c l u s i o n 7 3 6 2f u r t h e rr e s e a r c hp r o b l e m so f t h i sp a p e r 7 4 r e f e r n c el e t e r a t u r e 7 5 北京化工大學(xué)碩士學(xué)位論文 a c k n o w l e d g m e n t 7 9 p r o d u c t i o na n dp u b l i s h e dp a p e r s 8 1 a u t h o ra n dt u t o ri n t r o d u c t i o n 8 3 x 符號說明 名 刁 盯 丁 恐 7 7 0 h d 島 嘎 m 熔體 矽 心 y 符號說明 泡孔內(nèi)氣體壓力 m p a 熔體的黏度 p a s 氣體和熔體界面間的表面張力 m p a 溫度 k 通用氣體常數(shù) 8 3 1 4 5 1j m o l k 1 零剪切速率 p a s 模腔的深度值 n l l l l 螺桿直徑 m l r l 初始氣體壓力 m p a 最終氣體壓力 m p a 熔體質(zhì)量 g 氣體的體積分數(shù) 泡孔壓差 m p a 剪切速率 s j 第一章緒論 1 1 微發(fā)泡注塑成型技術(shù) 第一章緒論 微孔發(fā)泡技術(shù)起源于2 0 世紀8 0 年代美國麻省理工大學(xué) 是一項新型的微孔塑料 加工技術(shù) 其生產(chǎn)制品的最大特點就是泡孔小而密 泡孔最小可以達到直徑l o l a m 以 下 泡孔密度可以達到1 0 9 1 0 1 2 個 c m 3 1 3 微孔發(fā)泡塑料制品具備 皮芯 結(jié)構(gòu) 可 以在節(jié)省原材料基礎(chǔ)上 最大程度的保留未發(fā)泡時制品的機械強度 據(jù)資料顯示 與 普通注塑成型工藝生產(chǎn)制品相比較 微孔發(fā)泡注塑成型制品疲勞壽命可以延長5 倍 斷裂韌性可以提高4 倍 沖擊強度可以提高6 7 倍卜6 1 1 1 1 微發(fā)泡注塑成型制品的優(yōu)勢與應(yīng)用 微發(fā)泡注塑成型制品的最大優(yōu)勢便是在材料中產(chǎn)生大量的微孔氣泡 因此可以大 大減輕制品重量從而減少原材料的消耗 同時 在成型工藝過程中 可以縮短循環(huán)周 期 降低注射壓力 因而在節(jié)能方面相比傳統(tǒng)注射成型工藝同樣存在著巨大的優(yōu)勢 微發(fā)泡注塑成型與傳統(tǒng)的發(fā)泡相比 主要的特點在與氣泡的直徑和密度上 以聚苯乙 烯發(fā)泡為例 傳統(tǒng)工藝平均泡孔直徑通常在2 5 0 r n 左右 泡孔密度大約在1 0 4 1 0 5 個 c m 3 而采用微孔發(fā)泡注塑成型生產(chǎn)的聚苯乙烯泡孔直徑可以達到l o l g n 以下 密度 最高可以達到1 0 9 個 c m 3 7 1 泡孔結(jié)構(gòu)是導(dǎo)致微發(fā)泡注塑成型和傳統(tǒng)發(fā)泡注塑成型制 品性能差異的主要原因 資料顯示 微發(fā)泡注塑成型制品與傳統(tǒng)發(fā)泡注塑成型制品相 比有很多優(yōu)勢 可以克服傳統(tǒng)發(fā)泡注塑成型的許多缺點 比如需要較長循環(huán)周期和較 大的制品壁厚 總之 微發(fā)泡注塑成型工藝主要優(yōu)勢可以概括如下降1 0 1 微發(fā)泡注塑成型可以使制品皮層厚度更薄 可以做到更好的泡孔結(jié)構(gòu)從而 在減輕重量和成本的同時使制品的力學(xué)性能損失最小化 2 微發(fā)泡注塑成型可以應(yīng)用到薄壁制品 可以大大降低注塑成型過程中的合 模力和注射壓力 3 微發(fā)泡注塑成型可以降低甚至消除尺寸穩(wěn)定性方面的問題 例如熔接痕 表面凹坑 翹曲和殘余應(yīng)力等問題 4 微發(fā)泡注塑成型可以大大降低循環(huán)周期 5 微發(fā)泡注塑成型設(shè)備可以更節(jié)能 因為其可以大大降低注射壓力和合模力 合模力可以降低5 0 4 正因為微發(fā)泡注塑成型工藝具備如此多的有點 所以其在各應(yīng)用領(lǐng)域都具備非常 廣泛前景 比如在薄壁制品領(lǐng)域 可以生產(chǎn)厚度達0 5 m m 的制件 汽車零部件方面 北京化i 大學(xué)硬 學(xué)位論文 可以應(yīng)用到汽車儀表板 車門內(nèi)飾扳 鏡子支架等很多方面 高精度成型制件 比如 成型硬幣大小的閥 在醫(yī)療應(yīng)用領(lǐng)域方面 因為醫(yī)用材料通常都是比較貴重的 微發(fā) 泡技術(shù)可以節(jié)省材料用料量大約5 1 5 同樣通過縮短循環(huán)周期 從而可以大大降 低成本 在一些其他方面諸如高性能的工程材料 成型p e t 瓶 超微孔制件 特殊功 能制品方面都有應(yīng)用 j 在2 0 1 1 年 t r e x e l 公司的推出的m u e e l l 技術(shù)生產(chǎn)的儀表板在f o r d 的兩款新車上 得到了旨次工業(yè)化應(yīng)用 是微發(fā)泡注塑應(yīng)用的里程碑 相對于原先的未發(fā)泡部件 注 射成型周期減少l5 臺模力降低4 5 每輛車減重l 磅 鑒于此 獲得r 年度汽車 工q k e l l 新獎 熏零 嗡1 群 圖i 1 微發(fā)泡洼塑成型制品的首次1 業(yè)化應(yīng)用于汽牟儀表板和安全氣囊系統(tǒng) f i g 1 im i c r o c e l h d a r i n j c c t i o n m o l d i n gp r o d u c t so f t h e f i r s t t i m e i n d u s t r i a l i t a t i o na p p l i e d l o t h ec a r d a s h b o a r da n da i r b a g 掣s t e m 112 微 l 發(fā)泡塑料的發(fā)展歷程 最早的微孔結(jié)構(gòu)泡沫塑料出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)發(fā)泡中 特別是存在一些薄壁結(jié)構(gòu) 同樣存 在于結(jié)構(gòu)發(fā)泡制件的一些高剪切區(qū)域 在2 0 世紀8 0 年代 麻省理工大學(xué)的d r n a ms u h 研究發(fā)明了微發(fā)泡成型工藝 這項工藝的主要目標有兩個 一是減少材料用量 二是 細小的微孔可以阻止應(yīng)力裂紋的延展 從而可以提高材料的韌性 增加材料抗沖擊性 能i i 同樣 在受到外山作用是 封閉的圓j 眵泡孔可以通過變形抵擋外力作用 從而 可能增加部分材料的剛性 在2 0 世紀8 0 年代末期 人們開始大量的研究和發(fā)展微孔 發(fā)泡成型工藝方法 j o n a t h a nc o i t o n 發(fā)明了一種異相成核設(shè)備 在特定的溶解度條件下 把添加劑加 入到聚合物中來成型微孔泡沫材料 j o n a t h a nc o l t o n 同樣研究了半結(jié)晶性聚合物材料 如聚丙烯 p p 的泡沫成型理論 當溫度高于聚合物的熔點時 可以消除半結(jié)晶性聚 合物材料的晶相結(jié)構(gòu) 從而氣體可以溶解到聚合物的無定型結(jié)構(gòu)當中 現(xiàn)在這種異相 成核的理論同樣支配了我們的聚合物成型加工工藝陋 l c h u lp a r k 和d a nb a l d w i n 研 第一章緒論 究了聚合物微孔發(fā)泡的連續(xù)擠出成型工藝 c h u lp a r k 同樣研究了在適宜生產(chǎn)狀態(tài)下的 氣體溶解問題和可以作為成核設(shè)備的一種能夠產(chǎn)生瞬間壓力降的噴嘴 l5 1 d a n b a l d w i n 研究了結(jié)晶性材料和非結(jié)晶性材料中微孔的結(jié)構(gòu) 1 6 1 s u n gc h a 研究了超臨界 流體的應(yīng)用 比如c 0 2 如何能夠在熔體中溶解的更快 如何能夠產(chǎn)生更多的泡孔 超 臨界流體的應(yīng)用 使泡孔密度從1 0 9c e l l s c m 3 增加到1 0 1 5 c c l l s c m 3 1 s u n gc h a 同樣 發(fā)現(xiàn)在聚合物熔體中加入大量的氣體可以顯著的降低聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度 因 此 是可以在室溫條件下進行發(fā)泡的 所有以上的這些先人的大量研究成果奠定了微 孔發(fā)泡的基礎(chǔ) 通過這些大量的實驗研究 微孔發(fā)泡技術(shù)逐步從實驗室發(fā)展到工業(yè)化 應(yīng)用 1 8 1 微發(fā)泡技術(shù)的商業(yè)化應(yīng)用始于1 9 9 5 年的a x i o m a t i c 公司 隨后公司改名為t r e x e l 公司 t r e x e l 公司最開始的時候致力于擠出工藝的微發(fā)泡成型技術(shù) 隨后t r e x e l 公司 在e n g e lc a n a d a 公司的幫助下 在1 9 9 7 年發(fā)明了一種用螺桿進行塑化和氣體注入 然后通過柱塞進行注射的注塑機 在這臺柱塞加擠出式的注射機進行微發(fā)泡注塑成型 的成功嘗試之后 在1 9 9 8 年 t r e x e l 和e n g e l 兩家公司合作研制成功了第一臺往復(fù)螺 桿式微發(fā)泡注射機 這臺機器的成功研制是微發(fā)泡注塑成型商業(yè)化歷史上的一座里程 碑 迄今為止 仍是世界上應(yīng)用最多的微發(fā)泡注塑機 l9 1 在2 0 0 0 年 t r e x e l 把一臺 u n i l o ym i l a e r o n 注塑機改進成為首臺微發(fā)泡吹塑成型機 在微發(fā)泡注塑成型工藝的發(fā)展史上 另外一個不得不提的便是超臨界流體 s c f 的應(yīng)用 超臨界流體是物質(zhì)處于臨界溫度 壓力 稱臨界點 以上的狀態(tài) 一種可壓 縮的高密度流體 是氣 液 固三態(tài)以外的第四態(tài) 分子間作用力小 低于氣體 而 密度很大 接近于液體 具有氣體和液體的雙重性質(zhì) 具有液體的高溶解性和氣體的 高流動性 擴散系數(shù)介于液氣之間 有好的滲透性 縮短加工時間 例如c 0 2 在8 0 c 2 5 m p a 時飽和p s 需要2 3 個小時即可 并且飽和濃度較高 2 0 l 在相同溫度下 飽和 壓力提升 平衡濃度增大 根據(jù)經(jīng)典成核理論 可以顯著提升成核速率 增大泡孔密 度 超臨界流體解決了高濃度氣體的溶解問題 容易形成聚合物熔體 氣體均相溶液體 系 2 l 1 2 微發(fā)泡注塑成型設(shè)備與工藝方法 微發(fā)泡注塑成型工藝發(fā)展迅速 出現(xiàn)了很多新設(shè)備和新的制備思路及方法 表羅 列了現(xiàn)在主要的微發(fā)泡注塑成型工藝 其中 t r e x e l 公司的m u c e l l 是其中應(yīng)用最廣 泛的微發(fā)泡注塑成型工藝方法 可能其他的一些注塑成型公司或者研究機構(gòu)早于 t r e x e l 公司應(yīng)用這項技術(shù) 但是 它們并沒有像t r e x e l 公司一樣完成這項工藝的在實 際應(yīng)用中的商業(yè)化 m u c e l l 工藝使用往復(fù)式螺桿對超臨界流體和熔體進行混合 通過 機筒把超臨界流體注入到往復(fù)式螺桿中 這樣充分利用了螺桿的剪切和混合作用 能 3 n 京化r 凡學(xué) i 學(xué)位論女 夠決速完成超臨界流體n 勺汴八過稿 的m 時 u r 以維持超臨界流體往螺軒和機筒中注入 的最小注射i h 力 從而可以連續(xù)的微發(fā)泡t e 塑成型制 目 1 2 2 送 閏1 2m u c e l l j 芝所 镕微拄泡注塑砬囂結(jié)掏 f 堙 1 2 m i c r o c c i l uj a r i n i c z l i o n m o l d i n g q l 3 口 冊t m u c 川 p m c 器sr e q u i r e d 表皮 圖1 0m u c e l l 藝示意圖 f i gl 3m u c e l l p r o c e s ss c h e l i l a f i c 習(xí) 在t r e x e l 公司的m u c e l l 工藝之后 叉出現(xiàn)了一些其它的工藝技術(shù) 諸如s u l z e r c h e m t e c h 公司的o p t i f o a m 8 工藝技術(shù)與d e m a g 公司的e r g o c e l l 工藝技術(shù) o p t i f o a m o 微發(fā)泡技術(shù)是應(yīng)用噴嘴作為超l 臨界流體注入的元件 相對于傳統(tǒng)的超臨界流體注入到 機筒中的方法 這是一種革命性的創(chuàng)新工作 這種獨特的方法采用了 個特制的燒結(jié) 金屬套管 套管l 二有很多端門 可以使氣體分敞微小的注入 男一方面 熔體流經(jīng)此 噴i 觜時 在噴嘴流道和燒結(jié)余屬套管之削被分成了薄薄的流層 這樣氣體可以在短時 間內(nèi)注入到熔體中 在i 幘嘴套筒之后 安裝有靜態(tài)混合器 這些飽含氣體的熔體可以 在靜態(tài)混合器內(nèi)進行進一步的混合分敞均勻 這種工藝的優(yōu)越性在于可以使用常規(guī)的 注塑螺樸和機筒 而不需要對其進行修改 兇此現(xiàn)有的常規(guī)注射機都可以改進用于 o p t i f o a m o 工藝的微發(fā)泡注塑成型 但是此工藝涉及到工藝的優(yōu)化及燒結(jié)合屬元件的使 用壽命問題 因此 只是在一部分應(yīng)用中取得了成功 最皮 圖1 4o p t i f o a m l 豈示意酬 f i g1 4o p t i f o a m p r o c e s ss c h e m a t i c 在2 0 0 1 年的k 展上 d e m a g e r g o t e c h 推出了它們的微發(fā)泡成型工藝e r g o c e l l 8 技 術(shù) 這套e r g o c e l l 9 設(shè)備主要是由儲料缸 混合器 氣體供應(yīng)裝置和一個特別的注射系 統(tǒng)組成的 這套注射系統(tǒng)安裝在機簡未端和模具之陽j 在此可以把氣體注入到熔體中 不同的直徑的螺桿需要設(shè)計相對應(yīng)尺寸的裝置 附加的液壓泵和馬達必須能夠滿足混 合器和注射系統(tǒng)的需求 另外e r g o c e l l 工藝目f i j r 嘲c 0 2 作為發(fā)泡劑 洲 圖i 5 e r g o c e l i z 示意幽 f i g 1 5 e r g o c e l l p r o c e s ss c h e m a t i c 微發(fā)泡注塑的最新技術(shù)是來自于i k v 的p r o f o a m 8 工藝 這是一種新型廉價的物 理發(fā)泡注塑方法 這種工藝方法采用c 0 2 或者n 2 作為物理發(fā)泡劑 把它們直接引入 料斗中 然后在正常的塑化加工過程中 發(fā)泡劑會溶解到熔融的熔體中 螺桿的加 料段是密封的 這樣氣體可以在一定的壓力狀態(tài)下t e 入 但是在采用粒料時 可以在 不需要加額外壓力的情況下便可以實現(xiàn)氣體注入 通過采用p r o f o a m 工藝 制件可 咀減重達3 0 北京他t 人學(xué)ml 學(xué)位論立 圈l 巧p r o f o a l l l i 芝小意h f i g1 6p r o f o a m p r o c 器ss c h e m a t i c 1 3 微發(fā)泡注塑成型工藝參數(shù) 眾所周知微孔發(fā)泡工藝分為四個基本步驟 氣體溶解 成核 氣泡增長和成型 圳 所有的這四個步驟都是在微孔發(fā)泡 塑機內(nèi)發(fā)生的 通過選用往復(fù)螺桿 r s 注塑機 和恰當臺適的模具柬制備微孔泡沫制件 一旦當設(shè)備和材料選定之后 上述四個步驟 就將依賴于口 確的加j 豈方法 與以前常見的非發(fā)泡成型制件相比 微孔發(fā)泡注塑成型有更短的成型劇期和更加 穩(wěn)定的尺寸 但是一旦加工工藝不j 下確 可能就不會此種工藝中獲益 更有甚者可能 導(dǎo)致產(chǎn)品成型的失敗 最常見的制各單項熔體的方法就是往往復(fù)式螺桿 r s 的塑化 段中加