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微細發泡注塑成型工藝與微泡尺寸的關系
微細發泡注塑件成型技術采用超臨界氣體作為物理發泡劑，在注塑件件中進行微細發泡。微泡大小一般在5-100μm之間。氣體通常采用二氧化碳或者氮氣。微細發泡注塑件成型過程包含四個步驟：1)氣體溶解；2)均勻成核；3)微泡長大；4)產品成型。微細發泡注塑件成型技術對注塑件模具設計上沒有特別的要求。 而在微細發泡注塑件成型充模階段，聚合物與氣體形成的單一相熔體，由于壓力從MPP(微細發泡成形壓力)下降到大氣壓，使氣體析出而形成大量的成核點。這些成核點后來長大成微泡。微泡一直在長大，直到達成新的壓力平衡或者材料被凍結。微泡長大和氣泡密度直接取決于成型工藝，如預注塑件量、熔體溫度、注塑件模具溫度、注塑件壓力、注塑件速率、超臨界液體(SCF)含量等。本文研究了成型工藝和微泡長大的關系。其中著重考慮注塑件時間、注塑件模具溫度、熔體溫度和初始填充量對微泡長大的影響。本文采用數值模擬作為實驗手段，工藝參數對微泡長大影響的判斷則采用田口實驗方法來進行，優化了注塑件成型工藝，得到較優秀的微泡大小分布和結構。在此基礎上，進一步研究各個工藝參數對微泡長大的影響程度。 1 實驗模型以及優化方法 在對微細發泡注塑件成型過程進行數值模擬中，所需要提供的初始條件除了傳統注塑件成型分析所需要的工藝參數外，還要提供以下四個參數作為邊界值：發泡開始時塑料預填充量、初始微泡直徑、單位體積內微泡數量和初始氣體濃度。 1.1 實驗模型 本文以一個平板件為例進行研究，其尺寸為320mm*280mm*2mm，產品模型、澆注系統和冷卻系統如圖1所示。從前人的研究知道，在澆口附近的微泡實際大小與模擬結果誤差較小。所以選擇澆口附近的特征點為參考點，來研究成型工藝參數對微泡大小的影響。 圖 1: 實驗模型塑料材料采用牌號為HCA-352P的PP料。其主要性能參數如表1所示。氣體采用氮氣。 表 1: HCA-352P的性能 本文主要對微泡尺寸影響比較大的注塑件模具溫度、熔體溫度、注射時間和初始填充量等參數進行研究。確定冷卻系統和澆注系統后，根據材料推薦的參數和初步模擬結果，選取的各個工藝參數水平如表2所示。需要指出的是，SCF用量對微泡結構影響很大，本研究中假定SCF用量給定，在此條件下進行工藝優化的研究。 除了所研究的四個參數，其它初始參數設置成核密度2×10的11次方/立方米，初始的氣體濃度Co＝0.25％，初始泡孔半徑Ro＝1.1×10的負6次方m。 1.2 優化方法 本文采用田口實驗設計法作為優化方法，根據參數和水平的設置，選取四參數三水平的L9正交表來安排實驗。該正交表如表3所示。使用田口實驗設計法中的變量分析，可以計算出各個工藝參數對微泡尺寸的影響次序和最優的工藝參數組合。同時對實驗結果進行直觀分析，即計算各工藝參數在三個水平下的微泡尺寸平均值。在本文中以微泡尺寸作為質量指標，為最小值問題。所以計算公式如下： 式中，m為工藝參數在某水平下的平均值；n為此水平出現的個數；y為工藝參數在此水平下的結果值。然后由各工藝參數最大平均值和最小平均值之差計算出極差R。根據極差R值，便可得到工藝參數對微泡大小的影響。 2 實驗結果 根據L9正交表來安排模擬實驗，獲取了參考點處的微泡尺寸。模擬實驗的安排／頃序和結果見表3。同時根據方程(1)，計算了每個工藝參數在各個水平下的均值。在獲得各個工藝參數的最大和最小均值的基礎上，計算了極差值， 利用優化獲得的工藝參數組合進行模擬，得到模擬結果如圖2所示。結果顯示微泡的直徑大部分分布在23―27μm之間，且分布均勻，從而微泡的結構得到了優化。 2進行分析，工藝參數對微泡大小的關系。 3 結論 1)從表4中的極差的大小可直觀得出各工藝參數對微泡尺寸的影響次序由大到小為：熔體溫度、初始填充量、注射時間、注塑件模具溫度。 2)在考察的工藝參數水平上，對于本文中的模型，最優化的工藝參數組合是注塑件模具溫度10 C、熔體溫度180 C、注射時間1s和初始填充量95％。 3)利用優化獲得的工藝參數組合進行模擬，結果顯示微泡的直徑大都分布在23～27μm之間，且分布均勻，從而微泡的結構得到了優化。 4)對于材料PP，在所考察的工藝參數范圍內，適當地降低熔體溫度和提高初始填充量可以優化微細發泡注塑件制品的微泡尺寸；適當地縮短注塑件時間和降低注塑件模具溫度也能優化微泡尺寸，但是影響不大
