CN103600473A - 一种微孔泡沫塑料成型装置及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种微孔泡沫塑料成型装置及其方法，该装置包括注塑机，所述注塑机上加装有使得气体达到超临界状态以作为发泡剂的超临界流体控制器，所述超临界流体控制器由超临界流体恒压供应装置和超临界流体输送装置组成，所述超临界流体控制器将超临界流体定量输送至注塑机的塑化段，所述注塑机的截流式喷嘴将熔体注射进入模具型腔内，所述模具型腔的温度由模温控制器控制。本发明在传统注塑机上加装超临界流体控制器，低成本、环保、通用性好且工艺稳定，以超临界氮气为发泡剂，注射法成型微孔泡沫塑料，所制取的微孔泡沫塑料的泡孔直径小、密度大且分布均匀，从而获得具有密度小、力学性能好的新型高分子材料。

Description

一种微孔泡沫塑料成型装置及其方法
技术领域
本发明涉及一种微孔泡沫塑料成型装置及其方法。
背景技术
微孔泡沫塑料自20世纪80年代初在美国麻省理工学院的实验室里研制成功以来，由于具有良好的热性能、加工性能以及机械力学性能，极大地弥补了传统注塑成型条件下注塑件性能的缺陷而被广泛研究。微孔泡沫塑料泡孔平均直径约为0.1~10μm，密度在109~1015个/cm3，与普通塑料相比，微孔泡沫塑料的性能更加优异：冲击韧性和疲劳寿命可以提高五倍以上，比刚性可达实体塑料的3~5倍。另外，微发泡塑料具有高的热稳定性，较低介电常数和热传导性，在改善光学、隔热和隔音性能等方面优点突出，被称为是21世纪的新型材料，并在汽车、航空、包装以及其他表观性能要求高的领域中得到了广泛的应用。
微孔泡沫塑料成型中一个重大的技术突破就是在微孔发泡成型过程中采用超临界流体状态的气体作为发泡剂。所谓超临界流体是指气体温度和压力达到某临界温度和临界压力时的状态，这时气体就具有了一些平时不具有的特性，如超临界流体具有类似于液体的密度，同时又具有气体的粘度，它可以溶于几乎所有的聚合物，显著提高其在聚合物中的扩散速度。
超临界流体制备微孔泡沫塑料的过程与传统泡沫塑料相似，也分为三个阶段即：（1）超临界流体在一定的压力和温度下通过一定方法全部溶解在聚合物中形成聚合物/超临界流体均相体系；（2）通过快速升温或降压使溶解在聚合物中的气体析出、发生相变形成气泡核即气泡成核；（3）气泡核的长大固化和定型。但由于微孔泡沫塑料制得的泡孔与传统泡沫塑料相比，尺寸更小、密度更大，所以增加了技术难度，对各成型阶段的工艺控制要求更高。因此如何以工业化生产速率制造低成本、环保的微孔泡沫塑料是目前国内外研究的重点。
目前，微孔泡沫塑料的成型方法主要有以下三种形式：间歇成型法、连续挤出成型法、注射成型法。间歇成型法是微孔泡沫成型技术中最早使用的，但是其明显的缺点即低效，低产量，限制了该技术的在工业生产中的应用。微孔塑料连续挤出成型所需设备量少简单，但是其快速降压口模需要大长径比，因此限制了微孔塑料的工业生产产量。而注射成型法是通过快速升温来形成气泡核，这一过程较好控制，并且注塑成型还有着消除制品凹陷、减小尺寸收缩、降低内应力、减轻变形、降低注塑压力、降低锁模力、节能等优点，所以该成型法是目前微孔泡沫塑料的主要成型方法。
但目前使用的注塑机一般都不是专用的超临界流体微孔发泡注塑机，因此，为了扩大原有设备的通用性，超临界流体可应用于现有的注塑机进行微发泡及成型，需要对现有的注塑机进行改造；并且微孔注塑成型过程仍涉及较多工艺参数，如何保证制件的稳定性及工艺重现性是目前微孔发泡注塑成型技术的难点。
发明内容
本发明针对上述现有技术存在的问题做出改进，即本发明所要解决的技术问题是提供一种低成本、环保、通用性好、工艺稳定的微孔泡沫塑料成型装置及其方法，其在传统注塑机上加装超临界流体控制器，以超临界氮气为发泡剂，注射法成型获得直径小、密度大且分布均匀的微孔，从而获得具有密度小，力学性能好的新型高分子材料。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案一是：一种微孔泡沫塑料成型装置，包括注塑机，所述注塑机上加装有使得气体达到超临界状态以作为发泡剂的超临界流体控制器，所述超临界流体控制器由超临界流体恒压供应装置和超临界流体输送装置组成，所述超临界流体控制器将超临界流体定量输送至注塑机的塑化段，所述注塑机的截流式喷嘴将熔体注射进入模具型腔内，所述模具型腔的温度由模温控制器控制。
进一步的，所述超临界流体恒压供应装置包括气体供应设备和超临界流体生成装置，所述超临界流体输送装置包括超临界流体计量装置和超临界流体注射装置。
进一步的，所述超临界流体为超临界氮气。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案二是：一种微孔泡沫塑料成型方法，该方法采用上述的微孔泡沫塑料成型装置，并包括下列步骤：
（a）将原料在80-110℃温度下干燥3～5小时；
（b）将步骤（a）干燥后的原料加入注塑机的料筒后进入机筒，通过加热以及螺杆的搅拌，使原料熔融；同时由超临界流体恒压供应装置制备作为发泡剂的超临界流体，并由超临界流体输送装置进行输送计量，注气6-12秒，将超临界流体注入机筒，形成气体/聚合物混合体；
（c）由步骤（b）所得的气体/聚合物混合体，在注塑机螺杆的搅拌、剪切的作用下形成气体/聚合物均相体系，通过快速加热至200-300℃，使均相体系产生极大的热不稳定性，而使气体析出成核；然后熔体在60-100bar注射压力和60-100mm/s射出速度作用下注射进入40-90℃温度的模腔中，利用熔体与型腔温差、压差，使微孔长大，之后冷却、定型；
（d）将步骤（c）脱模冷却后的材料取出，即制得产品。
较之已有技术而言，本发明在传统注塑机上加装超临界流体控制器，采用超临界氮气作为发泡剂，注射法成型，具有下述优点：
（1）对现有注塑机进行技术改造，加装了超临界流体控制器，包括气体供应设备、超临界流体生成装置、超临界流体计量装置和超临界流体注射装置等。该超临界流体控制器可使气体达到超临界状态，并可定量输送至注塑机的塑化段；该超临界流体控制器大大提高了传统注塑机的通用性。
（2）以超临界氮气作为发泡剂，使用量小，原料（氮气）成本极为低廉且环保，是所有发泡剂中最便宜的，大大降低了生产成本。
（3）超临界氮气发泡与注塑成型方法结合，由于超临界氮气可减小树脂粘度，降低注塑中的锁模力，可减少产品的毛边和内应力，延长了模具寿命，增加产品的尺寸稳定性；还可减小产品的翘曲、缩水痕等缺陷，提高产品品质。另外，由于不需要传统注塑中的保压阶段，缩短了注塑周期，提高了生产效率，降低了成本。 
（4）本发明制得的微孔泡沫塑料，泡孔直径小（平均孔径小于10μm）、密度大（泡孔数量大于109个/cm3）且分布均匀。
（5）本发明适合于目前几乎所有的热塑性材料。出于经济性和产品品质的要求，目前该技术主要应用于品质要求较高、材料较贵的产品上。
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
附图说明
图1为微孔泡沫塑料成型装置的结构示意图。
图2为本发明实施例1产品微观形貌SEM图。
图3为本发明实施例2产品微观形貌SEM图。
具体实施方式
如图1所示，一种微孔泡沫塑料成型装置，包括注塑机1，所述注塑机1上加装有使得气体（N2/CO2）达到超临界状态以作为发泡剂的超临界流体控制器2，所述超临界流体控制器2由超临界流体恒压供应装置和超临界流体输送装置组成，所述超临界流体控制器2将超临界流体定量输送至注塑机1的塑化段，所述注塑机1的截流式喷嘴将熔体注射进入模具3型腔内，所述模具3型腔的温度由模温控制器4控制。
在本发明中，所述超临界流体恒压供应装置包括气体供应设备和超临界流体生成装置，所述超临界流体输送装置包括超临界流体计量装置和超临界流体注射装置；所述超临界流体为超临界氮气。
如图1所示，一种微孔泡沫塑料成型方法，该方法采用上述的微孔泡沫塑料成型装置，并包括下列步骤：
（a）将原料在80-110℃温度下干燥3～5小时；
（b）将步骤（a）干燥后的原料加入注塑机的料筒后进入机筒，通过加热以及螺杆的搅拌，使原料熔融；同时由超临界流体恒压供应装置制备作为发泡剂的超临界流体，并由超临界流体输送装置进行输送计量，注气6-12秒，将超临界流体注入机筒，形成气体/聚合物混合体；
（c）由步骤（b）所得的气体/聚合物混合体，在注塑机螺杆的搅拌、剪切的作用下形成气体/聚合物均相体系，通过快速加热至200-300℃，使均相体系产生极大的热不稳定性，而使气体析出成核；然后熔体在60-100bar注射压力和60-100mm/s射出速度作用下注射进入40-90℃温度的模腔中，利用熔体与型腔温差、压差，使微孔长大，之后冷却、定型；
（d）将步骤（c）脱模冷却后的材料取出，即制得产品。
下面通过具体实施例和比较对本发明作进一步的说明，但本发明并不仅限于这些例子。
实施例1：采用上述的微孔泡沫塑料成型装置，按下述步骤制备：
（a）将PC/ABS合金原料在100℃左右温度下干燥3～5小时；
（b）将步骤（a）干燥后的原料加入注塑机的料筒后进入机筒，通过加热以及螺杆的搅拌，使原料熔融；同时由超临界流体恒压供应装置制备超临界氮气，并由超临界流体输送装置进行输送计量，注气7s，将适量的超临界氮气注入机筒，形成气体/聚合物混合体；
（c）由步骤（b）所得的气体/聚合物混合体，在注塑机螺杆的搅拌、剪切等作用下形成气体/聚合物均相体系，通过快速加热至250℃，使均相体系产生极大的热不稳定性，而使气体析出成核；然后熔体在注射压力为90bar、射出速度为70mm/s的作用下注射进入模具温度为65℃的模腔，利用熔体与型腔温差、压差使微孔长大，之后冷却、定型；
（d）将步骤（c）脱模冷却后的材料取出，即制得产品。
实施例2：采用上述的微孔泡沫塑料成型装置，按下述步骤制备：
（a）将ABS合金原料在100℃左右温度下干燥3～5小时；
（b）将步骤（a）干燥后的原料加入注塑机的料筒后进入机筒，通过加热以及螺杆的搅拌，使原料熔融；同时由超临界流体恒压供应装置制备超临界氮气，并由超临界流体输送装置进行输送计量，注气9s，将适量的超临界氮气注入机筒，形成气体/聚合物混合体；
（c）由步骤（b）所得的气体/聚合物混合体，在注塑机螺杆的搅拌、剪切等作用下形成气体/聚合物均相体系，通过快速加热至240℃，使均相体系产生极大的热不稳定性，而使气体析出成核；然后熔体在注射压力为90bar、射出速度为90mm/s的作用下注射进入模具温度为45℃的模腔，利用熔体与型腔温差、压差使微孔长大，之后冷却、定型；
（d）将步骤（c）脱模冷却后的材料取出，即制得产品。
超临界氮气发泡注塑成型的PC/ABS合金的微观形貌如图2所示，微孔直径在0.4μm左右，泡孔密度达3.25×1012个/cm3，是微孔分布均匀的闭孔结构。超临界氮气发泡注塑成型的ABS合金的微观形貌如图3所示，微孔直径均在4.3μm左右，泡孔密度达9.3×1012个/cm3，是微孔分布均匀的闭孔结构。上述分析表明以超临界氮气为发泡剂，采用加装了超临界流体控制器后的传统注塑机可注塑成型出泡孔直径小、密度大且分布均匀的微孔泡沫塑料。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (4)

1.一种微孔泡沫塑料成型装置，包括注塑机，其特征在于：所述注塑机上加装有使得气体达到超临界状态以作为发泡剂的超临界流体控制器，所述超临界流体控制器由超临界流体恒压供应装置和超临界流体输送装置组成，所述超临界流体控制器将超临界流体定量输送至注塑机的塑化段，所述注塑机的截流式喷嘴将熔体注射进入模具型腔内，所述模具型腔的温度由模温控制器控制。
2.根据权利要求1所述的微孔泡沫塑料成型装置，包括注塑机，其特征在于：所述超临界流体恒压供应装置包括气体供应设备和超临界流体生成装置，所述超临界流体输送装置包括超临界流体计量装置和超临界流体注射装置。
3.根据权利要求1所述的微孔泡沫塑料成型装置，包括注塑机，其特征在于：所述超临界流体为超临界氮气。
4.一种微孔泡沫塑料成型方法，其特征在于，该方法采用如权利要求1至3中任一项所述的微孔泡沫塑料成型装置，并包括下列步骤：
（a）将原料在80-110℃温度下干燥3～5小时；
（b）将步骤（a）干燥后的原料加入注塑机的料筒后进入机筒，通过加热以及螺杆的搅拌，使原料熔融；同时由超临界流体恒压供应装置制备作为发泡剂的超临界流体，并由超临界流体输送装置进行输送计量，注气6-12秒，将超临界流体注入机筒，形成气体/聚合物混合体；
（c）由步骤（b）所得的气体/聚合物混合体，在注塑机螺杆的搅拌、剪切的作用下形成气体/聚合物均相体系，通过快速加热至200-300℃，使均相体系产生极大的热不稳定性，而使气体析出成核；然后熔体在60-100bar注射压力和60-100mm/s射出速度作用下注射进入40-90℃温度的模腔中，利用熔体与型腔温差、压差，使微孔长大，之后冷却、定型；
（d）将步骤（c）脱模冷却后的材料取出，即制得产品。
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