CN104723510A - 基于石墨烯镀层快速热循环注射成型装置 - Google Patents

基于石墨烯镀层快速热循环注射成型装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于石墨烯镀层快速热循环注射成型装置，包括聚合物塑化注射装置、合模装置、模具及机架，所述的模具包括有定位、导向、型腔和石墨烯镀层快速热循环装置，石墨烯镀层快速热循环装置包括硅基石墨烯镀层、直流电源、冷却水管道、热电偶和温控系统装置；金属模具型腔表面上分布有硅基石墨烯镀层；直流电源通过铜电极与石墨烯镀层的两端连接形成电源回路；热电偶分布靠近金属模具型腔表面的部位；热电偶与温控系统连接；温控系统与直流电源和冷却水控制阀连接。石墨烯镀层保留了石墨烯单体高导热和高导电的物理特性，连续致密的石墨烯镀层可作为膜式电阻加热器通过外部电源驱动实现遵循复杂模具型腔表面形状随形快速热循环注塑成型过程。

Description

基于石墨烯镀层快速热循环注射成型装置
技术领域
本发明属于材料加工学科的注塑成型技术领域，尤其涉及快速热循环注射成型技术。
背景技术
随着微机电、汽车、建筑、航空航天等产业的发展，人们对工业产品提出了节能、环保、美观、舒适等要求，因此对于塑料制品向着外表更美观、壁厚更薄、质量更轻、结构更精密、光学性能更优等方向发展。注塑成型加工作为一种应用最广泛的塑料加工方法，需要通过不断地技术革新，以满足市场发展的需求。近年来，推出了一种新的注射成型加工技术即快速热循环注射成型技术。与传统注塑成型技术相比，该技术可有效减轻甚至消除注射制品熔接痕、流痕、流线、喷射痕、云纹、浮纤、低光泽等缺陷，且能显著提升产品外观品质，使产品高光高亮，从而避免了常规注塑生产流程中对产品的打磨、喷涂、罩光等二次加工工序，在显著缩短产品生产流程的同时降低产品的生产成本。此外，该技术显著提升熔体在型腔内的流动性，避免熔体在模具型腔中冷凝层的形成，提高熔体填充型腔的能力，实现三维复杂结构、超薄结构及微纳结构的精确注射成形，同时降低产品内应力，提高产品的形状尺寸精度。总之，快速热循环注射成型技术是一种综合考虑制品外观、环境影响和资源消耗的先进注射成型新技术，能够有效改善产品的品质，提高制品表面的光洁度，显著降低环境污染，提高资源利用率，降低产品生产成本，达到协调优化经济效益与社会效益的目标。
快速热循环注射成型技术的加热方式大致可分为模具整体加热技术和型腔表面加热技术两大类。模具整体加热技术指的是热源从模具内部间接加热模具型腔表面，在加热模具型腔的同时也加热了模具整体或者大部分局域。目前模具整体加热技术以蒸汽加热快速热循环注射成型技术为主，由于蒸汽热源距离型腔表面有一定的距离，造成模具型腔表面的温升速率不等，造成表面温度分布不均匀，因此加热效率低、加热效果不佳且浪费能源。传统的型腔表面加热技术指的是热源直接加热模具型腔表面，如火焰加热、感应加热、蒸汽加热等，其优点是加热效率高，其缺点是传统的型腔表面加热技术易污染型腔表面、难以保证型腔的加热均匀性，因此应用场合极其有限。
发明内容
本发明针对传统型腔表面快速热循环注射成型技术存在的污染型腔和热均匀性差的缺陷，提出一种新的型腔表面加热的快速热循环注射成型技术，基于石墨烯镀层快速热循环注射成型技术，该技术能显著提高型腔表面的升温速率，避免污染模具型腔，使型腔的热均匀性能提升，同时可满足三维复杂结构、超薄结构以及微纳结构的注塑成型要求。
本技术发明通过以下技术解决方案实现的：
基于石墨烯镀层快速热循环注射成型装置，包括聚合物塑化注射装置、合模装置、模具及机架，聚合物塑化注射装置和合模装置固定在机架上，模具安装在合模装置的模板之间，聚合物塑化注射装置向模具中注入聚合物熔体，合模装置控制模具的开合，模具包括有定位、导向、型腔和石墨烯镀层快速热循环装置，石墨烯镀层快速热循环装置包括硅基石墨烯镀层、直流电源、冷却水管道、热电偶和温控系统装置；模具型腔表面上分布有硅基石墨烯镀层；直流电源通过铜电极与石墨烯镀层的两端连接形成电源回路；热电偶分布靠近型腔表面的部位；热电偶与温控系统连接；温控系统与直流电源和冷却水控制阀连接。
本发明基于石墨烯镀层快速热循环注射成型装置，所述的硅基石墨烯镀层是分布在模具型腔表面，其中硅基石墨烯镀层中的硅基为在模具型腔表面镀二氧化硅作为过渡层，在二氧化硅的镀层上镀一层纳米级的石墨烯镀层，或是采用单质硅制成模具型腔模块，在硅型腔表面上镀石墨烯镀层。
本发明基于石墨烯镀层快速热循环注射成型装置，所述的石墨烯镀层是采用化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition,CVD)的方法在模具型腔表面制备由石墨烯单体形成的连续致密且厚度可控的石墨烯镀层，其中石墨烯单体与石墨烯单体之间、石墨烯单体与基材之间均通过化学键键合的方式确保镀层具有足够的结合力，厚度仅为45nm。
本发明基于石墨烯镀层快速热循环注射成型装置，通过模具型腔表面附近的热电偶来实时采集并反馈型腔表面的温度。
本发明基于石墨烯镀层快速热循环注射成型装置，所述的温控系统分为升温部分、保温部分和降温部分。所述的升温部分与可编程直流电源连接，可编程直流电源给石墨烯镀层两端施加电压，通过热电偶采集到的温度反馈，将石墨烯表面温度升至熔体注射时的最佳温度；所述的保温部分与可编程直流电源连接，可编程直流电源给石墨烯镀层两端施加电压，通过热电偶采集到的温度反馈，将石墨烯镀层的型腔表面温度保持注射最佳温度直到注射保压阶段；所述的降温部分与可编程直流电源和冷却水控制阀连接，降温系统将可编程直流电源关闭，打开冷却水控制阀将型腔温度降低至脱模温度。
所述的快速热循环温度控制系统与注射机的注射系统联接，注射机的注射系统与温控系统进行实时的数据交互。
本发明基于石墨烯镀层快速热循环注射成型装置，所述的石墨烯镀层保留了石墨烯单体高导热和高导电的物理特性，连续致密的石墨烯镀层可作为膜式电阻加热器通过外部电源驱动实现遵循复杂模具型腔表面形状的随形快速热循环注塑成型过程。石墨烯镀层的电导率为1.98×104S/m，且分布在型腔表面，因此能够实现“随形”快速升温和型腔表面温度的均匀性。
本发明基于石墨烯镀层快速热循环注射成型装置，所述的石墨烯镀层具有超光滑的表面，表面粗糙度Ra值约为4.5nm且其表面摩擦系数为0.029(抛光硅材料为0.076)，这增强了熔体在型腔内部的流动性，提高熔体的填充性，显著改善高深宽比注塑制品微细结构特征脱模时的剥离难度。
本发明基于石墨烯镀层快速热循环注射成型装置，所述的石墨烯镀层的高强度性能，保证了模具型腔的刚性和重复性注射。
本发明基于石墨烯镀层快速热循环注射成型装置，所述的模具型腔表面分布有硅基石墨烯镀层是在模具型腔的表面镀一层硅基石墨烯镀层，石墨烯的镀层无需全部分布在型腔各个部分，要在型腔的大部分面积且保证通电后形成电源回路。
本发明基于石墨烯镀层快速热循环注射成型装置，所述的石墨烯镀层覆盖型腔的表面可实现对随形加热，极大提高了热能利用率。
附图说明
图1是本发明基于石墨烯镀层快速热循环注射成型装置的型腔内硅基石墨烯镀层结构示意图。
图2是本发明基于石墨烯镀层快速热循环注射成型装置在模具中应用的结构示意图。
图3是本发明基于石墨烯镀层快速热循环注射成型装置注射成型工艺循环图。
图4是本发明基于石墨烯镀层快速热循环注射成型装置注射机控制系统与温控系统联接结构示意图。
图中：1、石墨烯镀层，2、二氧化硅镀层，3、模具金属型腔，4、模具基体，5、浇口套，6、制品，7、变温层，8、热电偶，9、铜电极，10、冷却水管道。
具体实施方式
本发明基于石墨烯镀层快速热循环注射成型装置，包括聚合物塑化注射装置、合模装置、模具及机架，聚合物塑化注射装置和合模装置固定在机架上，模具安装在合模装置的模板之间，聚合物塑化注射装置向模具中注入聚合物熔体，合模装置控制模具的开合，模具包括有定位、导向、型腔和石墨烯镀层快速热循环装置，石墨烯镀层快速热循环装置包括硅基石墨烯镀层、直流电源、冷却水管道、热电偶和温控系统装置；模具型腔表面上分布有硅基石墨烯镀层；直流电源通过铜电极与石墨烯镀层的两端连接形成电源回路；热电偶分布靠近型腔表面的部位；热电偶与温控系统连接；温控系统与直流电源和冷却水控制阀连接。
如图1所示，在模具金属型腔3内分布有二氧化硅镀层2作为过渡层，将石墨烯镀层1镀于二氧化硅镀层2上，其中二氧化硅镀层2是绝缘的，其上石墨烯镀层1厚度约为45nm左右，型腔的导电性，超导热性能，超光滑以极其可重复性得到保证。
本发明在模具上应用如图2所示，变温层7包括石墨烯镀层1和二氧化硅镀层2，变温层7分布于模具金属型腔3的表面；冷却流道10分布于模具基体4中，其位置靠近变温层7；铜电极9(镀绝缘皮)与变温层7中的石墨烯镀层1连接，铜电极9与石墨烯镀层1的左右两端连接，铜电极9表面镀绝缘层的部分置在模具基体4电极槽中；热电偶8测温端位于模具基体4中靠近型腔表面的位置。工作时直流电源输出端与两铜电极9连接，直流电通过变温层7中的石墨烯镀层1使其快速升温，位于模具基体4中的热电偶8显示型腔表面的温度，冷却水管道10通冷却水给变温层7冷却降温。
本发明基于石墨烯镀层快速热循环注射成型装置的快速热循环控制如图3所示，快速热循环温控系统主要分为快速升温控制部分、保温控制部分和冷却降温控制部分三个部分，其中快速升温控制部分控制直流电源输出电压，当热电偶显示的温度为注射最佳温度时，进入保温控制部分，直流电源根据注射温度调整保温所需要的电压，使模具型腔表面丢失的热量与补充的热量保持平衡。注射完成后进入降温冷却部分，此时控制直流电源零输出开通冷却水管道，当热电偶显示的温度为顶出温度时，关闭冷却水管道。
本发明基于石墨烯镀层快速热循环注射成型装置的工作原理如图2、3、4所示，根据模具温度变化历程，一个完整的快速热循环注塑成型周期可以分为型腔表面加热阶段、高温保持阶段、型腔表面冷却阶段。结合注射机对上述三个工作阶段中，本发明的工作原理进行详细说明。
在型腔表面加热阶段，温控系统中的升温部分通过控制直流电源输，电压施加在铜电极9上，型腔表面的石墨烯镀层1快速升温，由于石墨烯的导热系数约为模具钢的导热系数的3-4倍，二氧化硅和硅的导热系数都比模具钢的高，因此型腔表面的石墨烯镀层1的温度会快速提高，模具钢的温度会相对升温慢，当型腔表面达到注射最佳温度时，模具基体的温度上升比较小，从而减少热量消耗和提高模腔加热效率。由于型腔表面的石墨烯镀层随制品几何形状因此加热的过程中模具型腔表面的温度可以得到高效、均匀地分布。当热电偶8显示的型腔表面的温度达到注射最佳温度时，进入型腔表面高温保持阶段，注塑机料筒中的塑料熔体将依次经喷嘴、浇口套5进入模具型腔，直至熔体完全充满型腔，此时直流电源根据需要高温保持的温度和热电偶8显示的温度进行电压调整。
当注射机进入保压阶段时，快速热循环温控系统进入冷却降温阶段，此时控制直流电源为零输出电压，控制控制阀打开冷却水管路，低温冷却水流入模具基体，模具基体的热量将不断向低温冷却水中扩散而被带走，从而降低模具基体和型腔表面的温度，以快速冷却模具型腔中的塑件。在模具冷却过程中，热电偶8实时向温控装置反馈型腔表面的温度，当温度降低至预先设定的温度下限时，温控装置关闭控制阀停止向冷却水管道10通入冷却水，以停止冷却模具。在此阶段，制品的温度己冷却至满足顶出要求，可以打开模具，取出制品。当注射机完成合模后，温控系统进入下一个循环。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (5)

1.基于石墨烯镀层快速热循环注射成型装置，包括聚合物塑化注射装置、合模装置、模具及机架，聚合物塑化注射装置和合模装置固定在机架上，模具安装在合模装置的模板之间，聚合物塑化注射装置向模具中注入聚合物熔体，合模装置控制模具的开合，其特征在于：模具包括有定位、导向、型腔和石墨烯镀层快速热循环装置，石墨烯镀层快速热循环装置包括硅基石墨烯镀层、直流电源、冷却水管道、热电偶和温控系统装置；金属模具型腔表面上分布有硅基石墨烯镀层；直流电源通过铜电极与石墨烯镀层的两端连接形成电源回路；热电偶分布靠近金属模具型腔表面的部位；热电偶与温控系统连接；温控系统与直流电源和冷却水控制阀连接。
2.根据权利要求1所述的基于石墨烯镀层快速热循环注射成型装置，其特征在于：所述的硅基石墨烯镀层与金属模具型腔表面之间为二氧化硅作为过渡层。
3.根据权利要求1所述的基于石墨烯镀层快速热循环注射成型装置，其特征在于：采用单质硅制成模具型腔模块，在硅型腔表面上镀石墨烯镀层。
4.根据权利要求1所述的基于石墨烯镀层快速热循环注射成型装置，其特征在于：石墨烯镀层厚度为45nm。
5.根据权利要求1所述的基于石墨烯镀层快速热循环注射成型装置，其特征在于：所述的温控系统分为升温部分、保温部分和降温部分，所述的升温部分与可编程直流电源连接，可编程直流电源给石墨烯镀层两端施加电压，通过热电偶采集到的温度反馈，将石墨烯表面温度升至熔体注射时的最佳温度；所述的保温部分与可编程直流电源连接，可编程直流电源给石墨烯镀层两端施加电压，通过热电偶采集到的温度反馈，将石墨烯镀层的型腔表面温度保持注射最佳温度直到注射保压阶段；所述的降温部分与可编程直流电源和冷却水控制阀连接，降温系统将可编程直流电源关闭，打开冷却水控制阀将型腔温度降低至脱模温度。
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