CN105835299B - 一种高表面光泽高气泡致密度的微孔发泡注塑工艺与模具 - Google Patents

一种高表面光泽高气泡致密度的微孔发泡注塑工艺与模具 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高表面光泽高气泡致密度的微孔发泡注塑工艺与模具，包括：利用微孔发泡注塑机将物理发泡剂或化学发泡剂在高压环境中均匀混入聚合物熔体；升高模具温度，向模具型腔内通入高压气体，将小于模具型腔总体积的聚合物熔体注入到模具型腔，预留发泡空间；保持模具型腔壁面高温状态，配合开启位于模具型腔动模侧壁面和位于模具分型面上的气体通道，控制气体进出模具型腔，控制聚合物熔体流动，使发泡预留空间转移到模具型腔动模侧；冷却模具，待熔体温度降到发泡温度时，开启模具全部气体通道，排净预留空间内气体，使聚合物发泡并充填动模型腔剩余空间。该工艺可以避免动态发泡并且促进静态发泡，可用于生产表面光泽度高、内部气泡致密度高的塑料产品。

Description

一种高表面光泽高气泡致密度的微孔发泡注塑工艺与模具
技术领域
本发明涉及一种控制注塑模具型腔内聚合物发泡过程的工艺方法和模具结构，特别涉及一种避免动态发泡且促进静态发泡的控制方法，用于生产表面光泽度高、内部气泡致密的塑料产品。
背景技术
20世纪80年代初期，美国的Suh教授提出并研制了一种微孔发泡塑料，即以热塑性塑料为基体、以超临界流体为发泡剂制备的聚合物微孔发泡材料，这种材料与普通的聚合物材料相比，其密度可降低5％～95％，冲击强度可增加5倍，韧性提高5倍，刚度增加3～5倍，疲劳寿命延长5倍，介电常数和热导率也大幅下降，微孔发泡聚合物材料的应用领域非常宽广，被称为“21世纪的新型材料”。美国特瑞塞尔公司提出了MuCell工艺，即微孔发泡注塑工艺，可制备泡孔尺寸小、泡孔密度高的注塑件，且其制备过程不涉及化学反应，是一种绿色注塑生产工艺，在汽车、家电、航空航天、生物医药等领域逐步得到广泛关注。
然而，微孔发泡注射成型工艺问世30余年以来，依然难以在实际生产中充分发挥其技术优势，仍未实现最初设计者所定义的产品性能并实现大规模推广。这是由于该项工艺仍面临一些技术难题，例如，难以生产表面光泽度高和内部泡孔微小致密的产品等。特瑞塞尔公司在1999年11月4日申请的授权公开的中国专利“包括注塑成形的微孔低密度聚合物材料的模塑聚合物材料”(CN200510068953.2)中提供了一种用于制备微孔泡沫材料和微孔制品的注塑成型系统和方法。通过调试注塑成型工艺，该方法可获得较为细密的内部泡孔结构，但产品表面仍存在明显的银纹、泡坑、螺旋纹等质量缺陷。这是由于在该工艺过程中存在动态发泡和静态发泡两种发泡过程，其中，静态发泡是理想的发泡模式，而动态法将导致气泡畸变、破裂，进而形成表面缺陷。
为解决表面质量问题，人们采用了气体反压技术、快速热循环技术和减少发泡剂用量等工艺方法，尽管可以消除表面缺陷，但产品的内部结构仍然不理想，存在泡孔少而大的问题，进而导致产品力学性能下降。这是由于上述工艺方法在防止动态发泡的同时也对静态发泡过程造成了不利影响，使静态发泡缺少发泡空间，难以形成微小且致密的内部泡孔结构。国家复合改性聚合物材料工程技术研究中心在2011年1月10日申请的授权公开的中国专利“一种微孔聚合物材料的可控制备方法及其装置”(201110003791.X)中提供了一种通过调节装置的型腔体积和温度，获得微孔聚合物材料的方法。该方法通过外加液压或电动系统调节模块移动进而实现型腔体积变化，从而为发泡创造空间。但该方法未提及如何保证发泡产品的表面质量，且该方法也不适用于薄壁或含筋柱等结构的产品。
发明内容
本发明根据上述现有技术的不足之处，提出一种生产表面光泽度高和内部泡孔致密度高塑料产品的微孔发泡注塑工艺以及一种型腔压力、温度可控的注塑模具结构。该模具通过电加热或蒸汽加热的温度控制技术和两套气体进出通道的型腔压力控制技术，可以准确控制微孔发泡注塑过程中模具型腔的温度和压力。该工艺不仅能够避免聚合物熔体在注塑充填过程中的动态发泡，而且为聚合物熔体在型腔充填结束后的静态发泡创造体积膨胀空间。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明所述的型腔压力和温度可控的发泡注塑模具，包括定模座板、定模模板组件、动模模板组件、动模座板和浇注系统；所述的定模座板、定模模板组件、动模模板组件、动模座板依次相连组成模架系统，且定模模板组件和动模模板组件之间形成型腔，在定模模板组件上设有浇注系统；在动模模板组件上设有两套与型腔相连通的气体通道，型腔边缘的气体通道和型腔动模侧壁面气体通道均将模具型腔与外界气压控制装置联通；在定模模板组件和动模模板组件中还包含有加热和冷却系统。
进一步的，型腔还包括位于动模板上的产品筋柱结构的空腔。
进一步的，型腔边缘气体通道通过模具分型面间隙、筋柱结构镶块间隙将型腔与外界气压控制装置联通，型腔动模侧壁面气体通道通过透气机构(透气钢或注气针)将模具型腔与外界气压控制装置联通。
进一步的，所述的气体通道和型腔中的气体包括但不限于N2等气体。
进一步的，所述的模具外界气压控制装置可以将型腔压力控制在0.1～25MPa范围。
进一步的，所述的定模模板组件中包含加热和冷却系统，加热系统可以用电加热或蒸汽加热、冷却系统采用水冷或高热导率金属(热导率大于90W·m-1·K-1)冷却。所述的动模模板组件中包含冷却系统，也可包含加热系统，加热系统可以用电加热或蒸汽加热、冷却系统采用水冷或者高热导率金属冷却。加热系统和冷却系统由外界温度控制装置控制。
进一步的，所述的外界温度控制装置可以将模具型腔温度控制在10～220℃范围。
进一步的，所述的浇注系统可以是热流道浇注系统，也可以是冷流道浇注系统。
本发明提供微孔发泡注塑工艺过程，包括如下具体步骤：
步骤1通过微孔发泡注塑机将发泡剂均匀混入聚合物熔体中，升高模具型腔壁面温度，并保持；
步骤2闭合模具，开启模具中的两套气体通道，向已密封的模具型腔注入气体，将小于模具型腔总体积的聚合物熔体注入到模具型腔，预留发泡空间。
步骤3继续保持模具壁面高温状态，配合开闭两套气体通道，控制气体进出模具型腔，控制聚合物熔体流动，使发泡预留空间转移到模具型腔动模侧；
步骤4冷却模具，待熔体温度降到合理发泡温度时，开启两套气体通道，排出空腔内气体，卸去模具型腔内熔体压力，使聚合物发泡并充填动模型腔剩余空间；
步骤5待模具冷却至室温，打开模具，取出产品。
进一步的，步骤1的具体过程如下：
模具合模前，微孔发泡注塑机将发泡剂均匀混入聚合物熔体中，并保持高压环境，防止提前发泡；通过动模模板组件和定模模板组件中的加热系统加热模具型腔壁面，使型腔壁面温度达到60～200℃并保持。
进一步的，步骤2的具体过程如下：
模具闭合，开启气体通道，向已密封的模具型腔注入气体，使型腔内气压达到设定值后，关闭气体通道；向模具型腔内注入含有发泡剂的聚合物熔体，注入总体积为模具型腔总体积的50～99％。注塑机完成预设聚合物体积注射后，停止注射并关闭注塑机喷嘴。
进一步的，步骤3的具体过程如下：
继续保持模具壁面高温状态，开启型腔动模侧壁面气体通道，向聚合物熔体与型腔动模侧壁面之间注入气体；当型腔动模侧空腔内气体压力超过步骤(2)中型腔压力时，开启型腔边缘气体通道排出模具型腔边缘处和筋柱空腔内气体。继续通过型腔动模侧壁面气体通道向动模侧空腔加注气体，直到预留的型腔空间全部转移至聚合物熔体与型腔动模侧壁面之间的动模侧空腔，关闭气体通道，保持型腔动模侧空腔内气体压力。
进一步的，步骤2中注塑机注射前，型腔内气压要达到0.1～25MPa，此压力高于发泡气体在聚合物熔体中的饱和压力，以防止型腔内聚合物发泡；
进一步的，步骤3中所述的型腔动模侧空腔内气体压力要比注塑机注射前，型腔内气压高1～3Mpa。
进一步的，产品的表面质量受模具壁面温度影响，较高的壁面温度可以获得表面光泽度高的产品；产品内部的发泡总体积量由步骤(2)中预留的型腔空间体积决定，泡孔尺寸和致密度主要受步骤(1)中发泡剂溶解量和步骤(4)中型腔动模侧壁面气体通道的卸压速率影响。
本发明的有益效果：
与现有技术相比，本发明提供的微孔发泡注塑工艺过程方法和配套的模具结构，可以大幅度释放熔体发泡能力，为形成致密泡孔结构提供了可靠条件，而且可以获得具有高光泽度表面的产品，可克服微孔发泡注塑技术的瓶颈。本发明对于物理发泡和化学发泡均可适用，不仅适用于外观产品，且不受产品结构限制。本发明主要通过注塑短射量来控制产品的减重比，因而降低了对发泡剂计量精度的要求。相比现有的微孔发泡注塑工艺，本发明可降低生产耗能30％以上。
附图说明
图1为本发明提供的微孔发泡注塑工艺流程和发泡模具示意图。
图中，I、合模；II、型腔欠注；III、空间转移；IV、模具冷却；V、卸压发泡；VI、开模取件；1、注塑机喷嘴；2、定模座板；3、定模模板组件；4、型腔；5、动模模板组件；6、动模座板；7、型腔边缘气体通道；8、产品筋柱结构空腔；9、型腔动模侧壁面气体通道；10、浇注系统；11、含发泡剂的聚合物熔体；12、泡孔。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
本发明的微孔发泡注塑工艺过程包括如图1所示的：合模I；型腔欠注II；空间转移III；模具冷却IV；卸压发泡V；开模取件VI；具体为：聚合物熔体和发泡剂混合、短射充填、预留空间转移、卸压发泡和产品冷却，最终获得表面光泽度高和内部泡孔致密度高的发泡产品。其中，预留空间的大小和转移是该项工艺成功实施的关键。
本实施例的型腔压力、温度可控的发泡模具，包括注塑机喷嘴1、定模座板2、定模模板组件3、型腔4、动模模板组件5、动模座板6、型腔边缘气体通道7、产品筋柱结构空腔8、型腔动模侧壁面气体通道9、浇注系统10；
其中，定模座板2、定模模板组件3、动模模板组件5、动模座板6依次相连组成模架系统，且定模模板组件和动模模板组件之间形成型腔4和产品筋柱结构空腔8，产品筋柱结构空腔8属于型腔4的一部分。型腔边缘气体通道7和型腔动模侧壁面气体通道9均将模具型腔与外界气压控制装置联通。型腔边缘气体通道7通过模具分型面间隙、筋柱结构镶块间隙将型腔4与外界气压控制装置联通，型腔动模侧壁面气体通道9通过透气机构(透气钢或注气针)将模具型腔4与外界气压控制装置联通。
进一步的，气体通道和型腔中的气体包括但不限于N2等气体。
进一步的，模具外界气压控制装置可以将型腔压力控制在0.1～25MPa范围。
进一步的，定模模板组件中包含加热和冷却系统，加热系统可以用电加热或蒸汽加热、冷却系统采用水冷或高热导率金属(热导率大于90W·m-1·K-1)冷却。所述的动模模板组件中包含冷却系统，也可包含加热系统，加热系统可以用电加热或蒸汽加热、冷却系统采用水冷或者高热导率金属冷却。加热系统和冷却系统由外界温度控制装置控制。-
进一步的，外界温度控制装置可以将模具型腔温度控制在10～220℃范围。
进一步的，浇注系统可以是热流道浇注系统，也可以是冷流道浇注系统。
本实施例的工作过程为：
步骤(1)，模具合模前，微孔发泡注塑机将发泡剂均匀混入聚合物熔体中，并保持高压环境，防止提前发泡；通过定模模板组件3中的加热系统加热模具型腔壁面，使型腔4壁面温度达到60～200℃并保持；
优选的，型腔4壁面温度为130℃。
步骤(2)，模具闭合。开启型腔边缘气体通道7和型腔动模侧壁面气体通道9，向已密封的模具型腔4注入气体，使型腔4内气压达到16MPa后，关闭型腔边缘气体通道7和型腔动模侧壁面气体通道9。向模具型腔内注入含有发泡剂的聚合物熔体11，注入总体积为模具型腔4总体积的90％(具体注射量可根据型腔充填难易程度、目标发泡倍率、目标减重比确定)。注塑机完成预设聚合物体积注射后，停止注射并关闭注塑机喷嘴1。如果采用热流道浇注系统，同时也要关闭截断热流道通道。未被聚合物熔体11填充的空间是预留的发泡空间。型腔4内的高压气体用于防止注入的聚合物熔体11发泡。
步骤(3)继续保持模具壁面高温状态。开启型腔动模侧壁面气体通道9，向步骤(2)中的聚合物熔体与型腔4动模侧壁面之间注入气体。此步骤注入的气体推动聚合物熔体11充填流动，一方面填充模具型腔4边缘处和筋柱空腔剩余空间，另一方面在聚合物熔体11与型腔4动模侧壁面之间形成空腔。当型腔4动模侧空腔内气体压力超过步骤(2)中型腔压力时，开启型腔边缘气体通道7排出模具型腔边缘处和筋柱空腔内气体。继续通过型腔动模侧壁面气体通道9向动模侧空腔加注气体，直到模具型腔4内完成边缘处和筋柱空腔的充填。至此，步骤(2)中预留的型腔空间全部转移至聚合物熔体与型腔动模侧壁面之间的动模侧空腔，完成发泡预留空间转移。此时，关闭型腔边缘气体通道7和型腔动模侧壁面气体通道9，保持动模侧空腔内气体压力。
预留发泡空间转移过程中型腔动模侧壁面气体通道布局、通气量控制十分关键。通气量过小，无法阻止聚合物熔体发泡，而且不能完成预留空间的完全转移，易造成型腔充不满；通气量过大，容易发生气体沿型腔厚度方向贯穿聚合物熔体，进入聚合物熔体与型腔定模侧壁面之间，或者气体进入步骤(2)中形成的预留空间，经过型腔边缘气体通道溢出型腔，无法满足型腔内压力要求。
步骤(4)，开启动模模板组件5和定模模板组件3内冷却系统，开始冷却模具。待熔体11温度降到合理发泡温度时，开启型腔动模侧壁面气体通道9，排出在步骤(3)中形成的动模侧空腔内气体，卸去模具型腔内熔体压力，开始发泡。步骤(3)中聚合物熔体11的发泡会导致流体体积膨胀，从而完成模具型腔内剩余空间的填充。步骤(1)中预留的型腔空间总体积约等于产品内部泡孔总体积。
步骤(5)，待模具冷却至室温，打开模具，取出产品。
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 (9)

1.一种高表面光泽高气泡致密度的微孔发泡注塑工艺，其特征在于，包含如下步骤：
步骤（1），模具合模前，微孔发泡注塑机将发泡剂均匀混入聚合物熔体中，并保持高压环境，防止提前发泡；通过动模模板组件和定模模板组件中的加热系统加热模具型腔壁面，使型腔壁面温度达到60～200℃并保持；
步骤（2），模具闭合；
开启型腔边缘气体通道和型腔动模侧壁面气体通道，向已密封的模具型腔注入气体，使型腔内气压达到设定值后，关闭型腔边缘气体通道和型腔动模侧壁面气体通道；向模具型腔内注入含有发泡剂的聚合物熔体，注入总体积为模具型腔总体积的50～99%；注塑机完成预设聚合物体积注射后，停止注射并关闭注塑机喷嘴；
步骤（3）继续保持模具壁面高温状态；开启型腔动模侧壁面气体通道，向步骤（2）中的聚合物熔体与型腔动模侧壁面之间注入气体；此步骤注入的气体推动聚合物熔体充填流动，一方面填充模具型腔边缘处和筋柱空腔剩余空间，另一方面在聚合物熔体与型腔动模侧壁面之间形成空腔；当型腔动模侧空腔内气体压力超过步骤（2）中型腔压力时，开启型腔边缘气体通道排出模具型腔边缘处和筋柱空腔内气体；继续通过型腔动模侧壁面气体通道向动模侧空腔加注气体，直到模具型腔内完成边缘处和筋柱空腔的充填；至此，步骤（2）中预留的型腔空间全部转移至聚合物熔体与型腔动模侧壁面之间的动模侧空腔，完成发泡预留空间转移；此时，关闭型腔边缘气体通道和型腔动模侧壁面气体通道，保持动模侧空腔内气体压力；
步骤（4），开启动模模板组件和定模模板组件内冷却系统，开始冷却模具；待熔体温度降到合理发泡温度时，开启型腔动模侧壁面气体通道，排出在步骤（3）中形成的动模侧空腔内气体，卸去模具型腔内熔体压力，开始发泡；步骤（3）中聚合物熔体的发泡会导致流体体积膨胀，从而完成模具型腔内剩余空间的填充；步骤（1）中预留的型腔空间总体积约等于产品内部泡孔总体积；
步骤（5），待模具冷却至室温，打开模具，取出产品。
2.如权利要求1所述的微孔发泡注塑工艺，其特征在于，步骤2中注塑机注射前，型腔内气压要达到0.1～25MPa；步骤3中所述的型腔动模侧空腔内气体压力要比注塑机注射前，型腔内气压高1~3Mpa。
3.如权利要求1所述的微孔发泡注塑工艺，其特征在于，其采用的模具包括定模座板、定模模板组件、动模模板组件、动模座板和浇注系统；所述的定模模板组件安装在定模座板上，所述的动模模板组件安装在动模座板上，且定模模板组件和动模模板组件之间形成型腔，在定模模板组件上设有与型腔相连通的浇注系统，在动模模板组件上设有两套与型腔相连通的气体通道，型腔边缘的气体通道和型腔动模侧壁面气体通道均将模具型腔与外界气压控制装置联通；在定模模板组件和动模模板组件中还包含有加热和冷却系统。
4.如权利要求3所述的微孔发泡注塑工艺，其特征在于，所述的型腔边缘气体通道通过模具分型面间隙、筋柱结构镶块间隙将型腔与外界气压控制装置联通，型腔动模侧壁面气体通道通过透气机构将模具型腔与外界气压控制装置联通。
5.如权利要求4所述的微孔发泡注塑工艺，其特征在于，所述的透气机构为透气钢或注气针。
6.如权利要求3所述的微孔发泡注塑工艺，其特征在于，所述的加热系统用电加热或蒸汽加热、冷却系统采用水冷或者热良导体金属冷却。
7.如权利要求3-5任一所述的微孔发泡注塑工艺，其特征在于，所述的模具外界气压控制装置将型腔压力控制在0.1～25MPa范围。
8.如权利要求3-5任一所述的微孔发泡注塑工艺，其特征在于，所述的加热系统和冷却系统由外界温度控制装置控制，其将型腔温度控制在10～220℃范围。
9.如权利要求4-6任一所述的微孔发泡注塑工艺，其特征在于，所述的浇注系统为热流道浇注系统或冷流道浇注系统。
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