微孔注塑

1.概述
典型的微孔注塑系統與普通注塑有很大的不同，主要表現在：在機筒中需將超臨界流體注入到聚合物中，混煉均化後形成單相溶液；注射時熔體不用充滿型腔，未充滿的部分可以通過氣泡長大來補充；保壓階段大大減短，甚至不用保壓。
微孔注塑過程中，在螺桿的計量段將SCF注入注塑機機筒中，當SCF和塑膠熔體沿著螺桿向前輸送時，由SCF本身的擴散作用和螺桿的剪下混合作用，使SCF溶於塑膠熔體中形成單相溶液，這種單相溶液的黏度比純熔融塑膠的低很多。為避免單相溶液在機筒中提前發泡，必須保證機筒中的單相溶液在整個成型過程中都維持在一定的壓力（SCF的臨界壓力）之上。只有單相溶液才能發生均勻的成核作用，在熔體內形成大量的氣泡核，在注射階段，由螺桿把單相溶液注入型腔，由於壓力驟降，氣泡開始成核並逐漸長大，直到熔體完全充滿型腔，再經由模具冷卻，最後開模頂出製品。整個成型過程中各個加工參數都是相互依賴的，微孔注塑的注射速度要比普通注塑快，提高注射速度有利於得到更高的氣泡核密度，進而得到較佳的泡孔結構，提高製品的力學性能。
2.成型特點
超臨界流體輔助發泡用於微孔注塑的主要特點是熔體黏度低、熔體和模具溫度低，因此製品成型周期、材料消耗和注射壓力及鎖模力都有所降低，其獨特之處還在於可以用於薄壁製品以及其它發泡技術無法發泡的製品的注塑。具體工藝特點如下：
a）採用超臨界流體作發泡劑，熔體黏度降低，下降幅度可達50%；
b）由於熔體黏度降低，加工溫度可以大幅度降低（最高可達80 oC）；
c）注射壓力降低30%~50%；
d）不需要保壓，成型周期縮短10%~50%；
e）由於以氣代塑，可以減輕質量，減輕質量的幅度可達30%；
f）可用於壁厚低至0.25 mm的薄壁製品的生產；
g）鎖模力減少30%~60%；
h）消除製品上的凹痕。
正是由於微孔注塑具有上述優點，原來需要大噸位注射機注塑的製品都可以改用微孔注塑的小噸位注射機來生產。目前微孔注塑已成功用於填充和未填充的聚醯胺、聚碳酸酯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚甲醛、聚乙烯和熱塑性彈性體等材料的商業化生產。
3.影響因數
影響微孔注塑成型的加工參數主要有：熔體溫度、模具溫度、注射量、注射速度、發泡劑濃度和成核劑濃度。
許忠斌、吳舜英、黃步明、梁曉[51]總結了影響微孔塑膠注射成型的主要工藝參數。根據他們的文章影響微孔塑膠製品的質量和產量因素主要有原材料、成型工藝和成型設備三方面。當原材料和成型設備確定後,決定因素即為成型工藝參數。微孔塑膠注射成型的主要工藝參數是壓力、溫度和時間等。壓力包括注射壓力、背壓與模腔壓力等;溫度包括機筒溫度、熔體溫度和模具溫度;時間是指注射時間,一般用注射速度來表征。
(1) 注射壓力、背壓及模腔壓力
塑膠熔體中所溶解的氣體能否離析出來形成氣泡、氣泡能否膨脹,這些都與氣體在熔體中的溶解度及所受壓力有關。通過定量地控制壓力(或溫度)使塑膠體系中的氣體呈現過飽和狀態, 從而在很短時間內形成大量的氣泡核。適當的注射壓力可以使塑膠熔體以要求的速度充模。將壓力能轉化為動能, 並克服塑膠熔體在通過噴嘴、澆道系統及模腔時遇到的摩擦阻力。同時, 它直接影響氣體在熔體中的溶解量。為了使微孔塑膠製品泡孔均勻細密, 應防止含有發泡劑的塑膠熔體提前在機筒中發泡, 還應保證氣體在塑膠熔體中的完全溶解。為此, 背壓必須大於氣體在熔體中發泡膨脹的臨界壓力。當塑膠熔體被高速注入模具的型腔時, 模腔中原有的氣體會產生反壓, 因此模具必須具有可控的排氣系統。注塑發泡過程中, 模腔壓力是變化的, 其最大值出現在充模階段, 隨後逐漸下降。可通過對模腔排氣的控制, 達到控制模腔壓力的目的。
(2)機筒溫度、熔體溫度和模具溫度
機筒沿軸向的溫度分布應儘快使塑膠熔融, 第一段加熱裝置因靠近加料口和螺桿支承部位, 因此溫度不宜太高。蓄料段溫度也不宜過高, 因為它直接影響熔體的出口溫度。故此段溫度應根據微孔發泡成型的需要精確控制。注射熔體的溫度即為機筒中塑膠熔體在出口處的溫度。提高塑膠熔體溫度有利於氣泡的膨脹,但如果熔體溫度太高 ,不僅會導致塑膠分解,而且熔體黏度下降、表面張力下降、氣泡容易破裂,致使泡內氣體散逸,發泡倍數下降。此外,熔體溫度過高會增加冷卻系統的負擔,增加冷卻時間及能耗。但熔體溫度過低會使高速注入模具的塑膠熔體中應力鬆弛速度減慢, 氣體的離析速度減慢。同時熔體溫度低,黏度高、膨脹阻力增大,造成氣體擴散速度下降等。為此必須嚴格控制熔體溫度至一個適當值。在其它條件相同情況下,熔體的等溫充模和不等溫充模對氣泡形成的數量有很大的影響。不等溫充模所形成的泡孔數量比等溫充模要來的少。模具溫度將影響泡孔尺寸大小及其分布。在實踐中, 常採用加熱模具並用控制溫度的方法來控制氣泡大小及分布。溫度對微孔塑膠發泡成型及固化定型至關重要。氣泡長大和成型控制直接影響到微孔塑膠的性能。注射成型採用改變溫度控制成核及氣泡長大於成型定型是十分有利的。成型過程中必須有效地抑制泡孔的合併 ,以保證泡孔密度 ,防止氣體過分損失 ,進而確保微孔塑膠獨特的微觀結構 ,得到性能優越的微孔塑膠。
(3 )注射時間和注射速度
為了獲得泡孔大小和泡孔分布均勻的微孔塑膠製品,塑膠熔體應以高速充模 ,使熔體在全部進入模腔後再同時開始發泡膨脹。一般充模時間在1秒以內。注射速度即為塑膠熔體壓注入模腔的速度。注射速度對發泡製品的泡孔分布、發泡倍數及表面性能都有較大影響。為提高注射速度,一方面應提高注射壓力,另一方面應減少熔體流入模腔所遇到的各種壓力損耗。而噴嘴的結構,流道和模腔的結構及幾何參數等都是影響流動阻力的重要因素。