氣體反壓化學(xué)發(fā)泡注塑產(chǎn)品泡孔結(jié)構(gòu)形成與演變過(guò)程的實(shí)驗(yàn)研究

李帥，徐一涵，孫雪梅，麻曉飛*，孫成通，盧世偉，李洋

(1. 臨沂大學(xué) 機(jī)械與車(chē)輛工程學(xué)院，山東 臨沂 276005；2. 青島海信模具有限公司，山東 青島 266114)

與常規(guī)塑料相比，發(fā)泡塑料具有質(zhì)輕、比強(qiáng)度高、熱導(dǎo)率低、隔熱保溫、減震性能好等優(yōu)點(diǎn)[1-4]。目前，針對(duì)發(fā)泡注塑設(shè)備[5-7]及發(fā)泡劑[8-10]等方面開(kāi)展了大量研究工作?；瘜W(xué)發(fā)泡注塑具有裝備簡(jiǎn)單、成本低及生產(chǎn)穩(wěn)定等特點(diǎn)，占據(jù)了大部分發(fā)泡注塑成型的應(yīng)用市場(chǎng)。

與常規(guī)注塑產(chǎn)品相比，化學(xué)發(fā)泡注塑產(chǎn)品(chemical foaming injection molding,CFIM)表面有氣痕缺陷，需經(jīng)打磨、噴涂等二次工序方可作為外觀產(chǎn)品應(yīng)用。為消除發(fā)泡注塑產(chǎn)品表面缺陷，Yang[11]采用高電阻率金屬片材對(duì)模具進(jìn)行加熱的方法，提高了發(fā)泡注塑產(chǎn)品的表面質(zhì)量。Cha等[12]研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)模溫達(dá)到PP的結(jié)晶溫度或ABS的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，可完全消除PP化學(xué)發(fā)泡注塑件及ABS化學(xué)發(fā)泡注塑件的表面氣痕缺陷。Bociaga等[13]發(fā)現(xiàn)模溫對(duì)化學(xué)發(fā)泡注塑件表面質(zhì)量的影響最為顯著。Bledzki等[14]研究發(fā)現(xiàn)吸熱型發(fā)泡劑使微孔化學(xué)發(fā)泡注塑產(chǎn)品表面粗糙度下降了近70%。蔣團(tuán)輝[15]利用一種變?nèi)莘e釋壓倉(cāng)微發(fā)泡裝置，發(fā)現(xiàn)升高溫度可減少化學(xué)發(fā)泡注塑件表面氣痕缺陷。

針對(duì)物理發(fā)泡注塑工藝，有些學(xué)者利用動(dòng)態(tài)模溫控制技術(shù)來(lái)提高模具溫度，最終減少了塑件表面的氣痕缺陷[16-17]。與動(dòng)態(tài)模溫控制技術(shù)的影響機(jī)理類(lèi)似，在模具型腔表面覆絕熱膜[18-19]的方法同樣可以提高模具溫度，從而減少塑件表面的氣痕缺陷。Lee等[20]通過(guò)理論分析提出了減少超臨界流體(supercritical fluid，SCF)含量的方法，從而提高了微發(fā)泡注塑件的表面質(zhì)量。Peng等[21]以水作為物理發(fā)泡劑進(jìn)行了微發(fā)泡注塑，發(fā)現(xiàn)與氮?dú)庀啾?，以水作為物理發(fā)泡劑成型的塑件表面質(zhì)量更好。

除此之外，氣體反壓(gas counter pressure,GCP)技術(shù)[22-24]是一種有效消除發(fā)泡注塑產(chǎn)品氣痕缺陷的方法。朱敏杰[25]利用氣體反壓輔助化學(xué)發(fā)泡注塑工藝，成功制得了化學(xué)發(fā)泡注塑打印機(jī)外觀底座。Wu等[26]構(gòu)建了具有熱流道模具的氣體反壓輔助化學(xué)發(fā)泡注塑實(shí)驗(yàn)線(xiàn)，獲得了表面質(zhì)量良好的發(fā)泡注塑產(chǎn)品。Chen等[27-28]結(jié)合氣體反壓技術(shù)和和模溫控制技術(shù)，發(fā)現(xiàn)氣體反壓技術(shù)可大幅度提高塑件的表面質(zhì)量。

氣體反壓技術(shù)可有效提高發(fā)泡注塑產(chǎn)品的表面質(zhì)量，然而，目前該技術(shù)消除發(fā)泡注塑件表面氣痕缺陷的機(jī)理尚不明確。因此，本文以拉伸樣條為研究對(duì)象，系統(tǒng)研究了氣體反壓技術(shù)對(duì)熔體發(fā)泡行為的影響。根據(jù)實(shí)驗(yàn)獲得的結(jié)果，提出了兩個(gè)臨界反壓壓力和一個(gè)臨界反壓壓力作用時(shí)間，揭示了氣體反壓技術(shù)對(duì)化學(xué)發(fā)泡注塑過(guò)程中熔體發(fā)泡行為的影響機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 產(chǎn)品模型

以標(biāo)準(zhǔn)拉伸樣條(ASTM: D638)為成型產(chǎn)品，產(chǎn)品模型如圖1所示。

圖1 氣體反壓輔助化學(xué)發(fā)泡注塑試樣Fig.1 GCP assisted CFIM spline

1.2 成型原料

以通用型PP為成型材料，成型前將PP放置于80 ℃環(huán)境下干燥6～8 h。以偶氮二甲酰胺(azodicarbonamide，AC)作為發(fā)泡劑，在干燥后的PP料中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.5%的AC發(fā)泡劑進(jìn)行發(fā)泡注塑。

1.3 成型設(shè)備

選用海天塑機(jī)(MA3200)為成型設(shè)備。選用自鎖噴嘴替換注塑機(jī)普通噴嘴，自鎖噴嘴在熔體注射時(shí)開(kāi)啟，注射過(guò)程結(jié)束時(shí)關(guān)閉。利用自主研制的氣體反壓控制設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體反壓壓力及其作用時(shí)間的控制?？諝鈮嚎s機(jī)作為反壓氣源。通過(guò)上述方法構(gòu)建的氣體反壓輔助化學(xué)發(fā)泡注塑實(shí)驗(yàn)線(xiàn)如圖2所示。

1.4 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用全析因?qū)嶒?yàn)設(shè)計(jì)方法，進(jìn)行不同反壓壓力和反壓作用時(shí)間組合下的注塑實(shí)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)比分析塑件表面質(zhì)量和內(nèi)部泡孔，揭示氣體反壓技術(shù)對(duì)熔體發(fā)泡行為的影響機(jī)理。氣體反壓參數(shù)取值如表1所示。

圖2 氣體反壓輔助化學(xué)發(fā)泡注塑實(shí)驗(yàn)線(xiàn)Fig.2 Test line of GCP assisted CFIM process

表1 氣體反壓參數(shù)取值

1.5 試樣測(cè)試

大景深三維顯微系統(tǒng)：用于成型樣條內(nèi)部泡孔形態(tài)的觀察，觀察前對(duì)樣條淬斷，如圖1中A、B、C所示為淬斷及觀察位置。

相機(jī)：華為技術(shù)有限公司生產(chǎn)，型號(hào)為Mate 20 X。用于不同塑件表面質(zhì)量的直接觀察。

2 結(jié)果與討論

2.1 表面泡孔

圖3為反壓作用時(shí)間為2.3 s時(shí)，不同反壓壓力成型的樣條?？梢钥闯?，當(dāng)反壓壓力為0 MPa時(shí)，樣條表面存在大量氣痕缺陷。隨著反壓壓力的增大，樣條整體的表面氣痕缺陷均逐漸減少，當(dāng)反壓壓力達(dá)到0.4 MPa時(shí)，樣條表面無(wú)任何氣痕缺陷。

a 0 MPa；b 0.2 MPa；c 0.4 MPa；d 0.6 MPa；e 常規(guī)注塑圖3 氣體反壓輔助化學(xué)發(fā)泡注塑樣條與常規(guī)注塑樣條的對(duì)比照片F(xiàn)ig.3 Comparison pictures of GCP assisted CFIM samples and regular injection molding sample

氣體反壓技術(shù)可有效抑制成型過(guò)程中流動(dòng)前沿泡孔的破裂行為，從而減少塑件的表面氣痕缺陷，當(dāng)反壓壓力達(dá)到一定值時(shí)，流動(dòng)前沿泡孔的破裂行為被完全抑制，塑件表面無(wú)任何氣痕缺陷。

2.2 內(nèi)部泡孔

圖4為不同反壓壓力及其作用時(shí)間組合下成型樣條內(nèi)部泡孔對(duì)比圖片。由圖4a～c可以看出，反壓壓力對(duì)塑件內(nèi)部泡孔的影響較大。隨著反壓壓力的增大，塑件各個(gè)部位的泡孔均逐漸減少。成型過(guò)程中反壓壓力越高，熔體的發(fā)泡行為受到的抑制作用越大，導(dǎo)致泡孔形核點(diǎn)越少，從而塑件內(nèi)部泡孔數(shù)量越少。

圖4 不同氣體反壓參數(shù)對(duì)注塑樣條內(nèi)部泡孔形態(tài)的影響Fig.4 Effect of different GCP parameters on inner cell morphology of samples

對(duì)比圖4b和4d可以發(fā)現(xiàn)，反壓作用時(shí)間對(duì)塑件內(nèi)部泡孔影響較大。當(dāng)反壓作用時(shí)間為2.3 s時(shí)，高壓氣體卸除時(shí)熔體溫度較高，此時(shí)熔體具有二次發(fā)泡能力；當(dāng)反壓作用時(shí)間為60 s時(shí)，高壓氣體卸除時(shí)熔體已冷卻定型，此時(shí)熔體無(wú)法再次發(fā)泡。

由圖4b(ii)和4d(ii)可知，當(dāng)反壓壓力為0.2 MPa、反壓作用時(shí)間為2.3 s和60 s時(shí)，塑件內(nèi)部均存在泡孔。當(dāng)反壓壓力較小時(shí)，熔體的發(fā)泡行為受到一定抑制，但仍有發(fā)泡能力，此時(shí)熔體的發(fā)泡分為填充過(guò)程中發(fā)泡和反壓壓力卸除后的二次發(fā)泡。

對(duì)比圖4b(iii)和4d(iii)，當(dāng)反壓壓力為0.4 MPa、反壓作用時(shí)間為2.3 s和60 s時(shí)，塑件內(nèi)部均有泡孔，反壓作用時(shí)間為60 s時(shí)塑件內(nèi)部泡孔極少。隨著反壓壓力的提高，填充過(guò)程中熔體發(fā)泡行為抑制較大，塑件內(nèi)部泡孔主要是由高壓氣體卸除后的二次發(fā)泡形成的。

對(duì)比圖4b(ⅳ)和4d(ⅳ)，當(dāng)反壓壓力為0.6 MPa、反壓作用時(shí)間為2.3 s時(shí)，成型的樣條內(nèi)部有泡孔存在，而反壓作用時(shí)間為60 s時(shí)成型的樣條內(nèi)部無(wú)任何泡孔存在。當(dāng)反壓壓力超過(guò)一定值時(shí)，填充過(guò)程中的發(fā)泡被完全抑制，塑件內(nèi)部泡孔全部由二次發(fā)泡形成。

2.3 影響機(jī)理

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，氣體反壓輔助化學(xué)發(fā)泡注塑工藝中存在兩個(gè)臨界壓力和一個(gè)臨界時(shí)間，即熔體流動(dòng)前沿泡孔不破裂的臨界反壓壓力(pa)、熔體不發(fā)泡的臨界反壓壓力(pb)和二次發(fā)泡卸壓時(shí)間(tc)?；谏鲜鲅芯?，提出了反壓壓力(p)及其作用時(shí)間對(duì)化學(xué)發(fā)泡注塑過(guò)程熔體發(fā)泡行為的影響機(jī)理示意圖，如圖5所示。

當(dāng)p=0時(shí)，屬于常規(guī)化學(xué)發(fā)泡注塑，熔體流動(dòng)前沿存在大量泡孔破裂行為，導(dǎo)致塑件表面存在大量氣痕缺陷。

當(dāng)0

當(dāng)pa≤p

當(dāng)p≥pb時(shí)，熔體發(fā)泡行為被完全抑制，塑件表面無(wú)任何氣痕缺陷。

當(dāng)t

圖5 氣體反壓技術(shù)對(duì)熔體發(fā)泡行為的影響機(jī)理示意圖Fig.5 Schematic diagram of influence mechanism of GCP technology on melt foaming action

4 結(jié)論

通過(guò)全析因?qū)嶒?yàn)，給出了氣體反壓技術(shù)對(duì)熔體發(fā)泡過(guò)程的影響機(jī)理示意圖。在注塑生產(chǎn)過(guò)程中，反壓壓力等于或稍大于前沿泡孔不破裂的臨界反壓壓力，且反壓作用時(shí)間等于或稍大于熔體填充時(shí)間時(shí)，可獲得表面質(zhì)量?jī)?yōu)良、泡孔數(shù)量較多的發(fā)泡注塑外觀產(chǎn)品。