微发泡注塑成型材料的制备

微发泡注塑成型材料的制备1目录1.背景2.国内外发展状况3.存在的问题4.改善的途径5.制备过程6.制备方法的对比分析7.展望21.背景随着近年来能源的紧缺，导致塑料原料价格不断上升，如何在保证产品性能的前提下来节约塑料原料，是目前研究的一个热点。微发泡注塑成型就是在这个背景下所开发和研究的一项新技术，微孔发泡技术起源于20世纪80年代美国麻省理工大学，是一项新型的微孔塑料加工技术。31.背景目前这项技术已被广泛地应用于家用电器、航空航天、汽车等领域。41.背景微发泡注塑成型技术是一项新型的微孔塑料加工技术，能在最大程度减重的基础上保留制品的机械强度，微孔发泡塑料制品具备“皮芯”结构，可以在节省原材料基础上，最大程度的保留未发泡时制品的机械强度。51.背景微发泡注塑成型技术是一项新型的微孔塑料加工技术,能在最大程度减重的基础上保留制品的机械强度，微孔发泡塑料制品具备“皮芯”结构，可以在节省原材料基础上，最大程度的保留未发泡时制品的机械强度。61.背景微发泡注塑成型技术是一项新型的微孔塑料加工技术,能在最大程度减重的基础上保留制品的机械强度，微孔发泡塑料制品具备“皮芯”结构，可以在节省原材料基础上，最大程度的保留未发泡时制品的机械强度。7完整切面外层细胞核心外层2.国内外发展状况在20世纪80年代，麻省理工大学的Dr.NamSuh研究发明了微发泡成型工艺，这项工艺的主要目标有两个：一是减少材料用量,二是细小的微孔可以阻止应力裂纹的延展,从而可以提高材料的韧性，增加材料抗冲击性能。同样,在受到外力作用是，封闭的圆形泡孔可以通过变形抵挡外力作用,从而可能增加部分材料的刚性。82.国内外发展状况在20世纪80年代末期,人们开始大量的研究和发展微孔发泡成型工艺方法。1.JonathanColton研究了半结晶性聚合物材料泡沫成型理论，当温度高于聚合物的炼点时，可以消除半结晶性聚合物材料的晶相结构，从而气体可以溶解到聚合物的无定型结构当中。2.ChulPark和DanBaldwin研究了聚合物微孔发泡的连续挤出成型工艺,ChulPark同样研究了在适宜生产状态下的气体溶解问题和可以作为成核设备的一种能够产生瞬间压力降的喷嘴。92.国内外发展状况3.DanBaldwin研究了结晶性材料和非结晶性材料中微孔的结构。4.SungCha研究了超临界流体的应用,比如C02如何能够在焰体中溶解的更快，如何能够产生更多的泡孔。超临界流体的应用，使泡孔密度从109cells/cm3增加到1015cells/cm3。SungCha同样发现在聚合物溶体中加入大量的气体可以显著的降低聚合物的玻璃化转变温度，因此，是可以在室温条件下进行发泡的。所有以上的这些先人的大量研究成果奠定了微孔发泡的基础。102.国内外发展状况微发泡技术的商业化应用始于1995年的Trexel公司，在1997年发明了一种用螺杆进行塑化和气体注入，然后通过柱塞进行注射的注塑机。在这台柱塞加挤出式的注射机进行微发泡注塑成型的成功尝试之后，在1998年，Trexel和Engel两家公司合作研制成功了第一台往复螺杆式微发泡注射机，这台机器的成功研制是微发泡注塑成型商业化历史上的一座里程碑，迄今为止,仍是世界上应用最多的微发泡注塑机。112.国内外发展状况MuCell工艺介绍123.存在的问题微孔发泡注射成型技术是近年发展起来的一种新型聚合物成型加工方法，可以降低加工温度、降低注射压力、减小对锁模力、缩短成型周期和节约能耗。然而，这项技术也存在一些限制，最突出的是微孔发泡注射成型制品的表面质量不够好，经常伴有气穴和银纹等表面缺陷。133.存在的问题当制品对外观有严格要求时，微孔发泡注射成型技术的应用就受到限制。因此，如何改善微孔发泡注射成型制品的表面质量对于微孔发泡注射成型技术的发展具有重要意义。进而如何在促进微孔发泡注射成型技术发展的同时，可以降低设备成本和简化流程，并且从根本上解决微孔制品表面质量不好的难题，对微孔发泡注射成型技术提出新的挑战。144.改善的途径到目前为止人们对消除表面缺陷做了大量的研究，提出了很多改善SCF发泡制品表面质量的方法。例如为了减少或者消除制品表面的漩涡状流痕，人们提出并发展了气体保压技术；将RHCM技术与微孔发泡技术相结合，制备高光亮制品；在模具表面贴一层热绝缘薄膜制备低表面粗糙度的制品。154.改善的途径气体保压技术是在注塑早期让模具密封，这样型腔中的高压使得聚合物/气体溶液在填充阶段不能发泡，等填充完成后，释放型腔中的压力，这时聚合物/气体熔体体系开始发泡。但这时，制品表面已经冷却固化了，最终制品就不会出现发泡引起的流痕。164.改善的途径快速热循环注塑模具：一种利用各种加热冷却手段，通过模具温度控制系统动态改变模具表面温度，在高模温填充和低模温冷却之间快速循环的一种新型精密注射成型工艺。是一种无熔痕、高光洁度的塑料成型技术其一般的工艺流程为：在开模和填充阶段，加热系统工作，将模具表面加热到塑料的热变形温度以上，然后开始填充熔融物料，填充阶段模具的温度基本保持稳定的高温。175.制备过程185.制备过程注射成型技术通常可以用来批量生产具有复杂形状的塑料制品。已经商业化的微孔发泡注射成型技术应用超临界流体（N2）作为发泡剂，在注射机料筒中实现聚合物熔体和超临界流体的混合，并形成单相体系，在熔体填充模具型腔的过程中完成微孔的成核和长大过程，最后在型腔中冷却固定，完成微孔发泡注射成型的一个周期.195.制备过程这项技术可以减轻制品的重量即降低原材料成本，并且可以减少制品冷却时间即缩短成型周期。由于熔体填充模具型腔过程中注射压力的降低，使锁模力的需求降低，节约能耗。并且由于制品中的泡孔内部有一定的气压可以抑制塑料制品脱模后的冷却收缩使微孔发泡注射成型制品具有很好的尺寸稳定性。205.制备过程微孔发泡注射成型技术的最初出发点是在保证材料机械性能的基础上，降低原材料成本，减轻塑料制品的质量。微孔发泡注射成型技术可以生产质量轻，尺寸稳定性好，并且可以节省能源。一个完整的微孔发泡注射成型周期包括：注入定量的超临界流体到注射机料筒中；在螺杆的作用下混合聚合物熔体和超临界流体形成聚合物熔体/超临界流体单相体系，并储存在料筒中螺杆的前端；把单相体系注射到模具型腔中，泡孔成核和长大。215.制备过程需要较短的冷却时间，并且不用保压；螺杆回退，顶出微孔制品，一个成型周期结束。考虑到成本和不同条件下的溶解度等因素，应用于微孔发泡注射成型的超临界流体通常为氮气或者二氧化碳。注入到注射机料筒中的超临界流体需要精确计量，以保证制品重量及性能的可重复性。225.制备过程聚合物熔体/超临界流体单相体系被注射过程中，离开喷嘴的一刹那，由于压力迅速降低打破热力学平衡，使超临界流体在聚合物熔体中处于过饱和状态，引发微孔成核。成核过程可以是均相成核或者异相成核。聚合物熔体/超临界流体单相体系被注射到模具型腔中，发生相分离，不再是单相体系，而泡孔的成核和长大不断进行，直到含有泡孔的聚合物填充满整个型腔，随着冷却，泡孔最终被固定在聚合物基体中，完成冲模和冷却过程。236.制备方法的对比分析6.1MuCell工艺技术Trexel公司的MuCell是其中应用最广泛的微发泡注塑成型工艺方法。可能其他的一些注塑成型公司或者研究机构早于Trexel公司应用这项技术,但是,它们并没有像Trexel公司一样完成这项工艺的在实际应用中的商业化。246.制备方法的对比分析6.1MuCell工艺技术MuCell工艺使用往复式螺杆对超临界流体和溶体进行混合,通过机筒把超临界流体注入到往复式螺杆中。这样充分利用了螺杆的剪切和混合作用,能够快速完成超临界流体的注入过程的同时,可以维持超临界流体往螺杆和机筒中注入的最小注射压力,从而可以连续的微发泡注塑成型制品.256.制备方法的对比分析6.2Optifoam工艺技术在喷嘴套筒之后,安装有静态混合器,这些饱含气体的溶体可以在静态混合器内进行进一步的混合分散均匀。这种工艺的优越性在于可以使用常规的注塑螺杆和机筒,而不需要对其进行修改,因此现有的常规注射机都可以改进用于Optifoam工艺的微发泡注塑成型。但是此工艺涉及到工艺的优化及烧结金属元件的使用寿命问题266.制备方法的对比分析6.3ProFoam工艺技术微发泡注塑的最新技术是来自于IKV的ProFoam工艺,这是一种新型廉价的物理发泡注塑方法。这种工艺方法采用C02或者N2作为物理发泡剂,把它们直接引入到料斗中,然后在正常的塑化加工过程中,发泡剂会溶解到馆融的炼体中。276.制备方法的对比分析6.2Optifoam工艺技术Optifoam微发泡技术是应用喷嘴作为超临界流体注入的元件,相对于传统的超临界流体注入到机筒中的方法,这是一种革命性的创新工作,这种独特的方法釆用了一个特制的烧结金属套管,套管上有很多端口,可以使气体分散微小的注入,另一方面,溶体流经此喷嘴时,在喷嘴流道和烧结金属套管之间被分成了薄薄的流层。这样气体可以在短时间内注入到溶体中。286.制备方法的对比分析6.3ProFoam工艺技术螺杆的加料段是密封的,这样气体可以在一定的压力状态下注入,但是在采用粒料时,可以在不需要加额外压力的情况下便可以实现气体注入。通过采用ProFoam工艺,制件可以减重达30%。297.展望从聚合物微发泡材料的发展过程可以看出,这种材料的制备技术日趋成熟,而且其市场的应用也正在逐渐扩大,因此可以预见在不远的将来,这种新的材料制备技术将带给塑料材料行业和加工工业一个新的机遇。只有充分认识到这种趋势,在进行理论研究的同时紧跟技术发展的潮流,才有可能促进我国塑料加工工业向高水平、高技术含量的方向发展。30