CN107932828A - 一种压力流体辅助发泡注塑成型工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种压力流体辅助发泡注塑成型工艺，它解决了现有技术中发泡注塑成型问题多、最终导致发泡产品的孔隙率不高、减重较小的问题，具有能制备出外观品质优良、力学性能优异和减重显著的发泡注塑制品的有益效果，其方案如下：一种压力流体辅助发泡注塑成型工艺，在模具型腔中预先充入设定压力的第一流体，以抑制填充流动过程中的发泡和减少填充流动过程中发泡剂的损失。
Description
技术领域
本发明涉及塑料成形加工技术领域，特别是涉及一种压力流体辅助发泡注塑成型工艺。
背景技术
多孔塑料制品具有节材、质轻、吸能、比强度高、比表面积大、隔热性能优良等特点，被广泛应用在包装、汽车内饰件、运动器材、建筑材料、生物医学、分子过滤器等领域。发泡注塑成型是一种制备多孔塑料制品的主要成型技术。与挤出发泡、模压发泡、釜压发泡等技术相比，发泡注塑成型具有成型效率高、自动化程度高、设计柔性高以及可直接成型具有三维复杂结构的产品等技术优势，因而被认为是最有应用前景的多孔塑料制品成型加工方法之一。
但常规发泡注塑成型技术存在诸多工艺缺陷和问题，极大地限制了该技术在实际工业生产中的应用与推广。所述工艺缺陷和问题主要反映在以下几个方面：(1)在常规发泡注塑成型工艺中，填充阶段熔体流动前沿破裂的泡孔会在最终成型发泡产品的表面形成气泡痕(又称为银纹或漩涡痕)，这将严重影响发泡产品的外观品质；(2)在常规注塑发泡成型工艺中，为了保证聚合物熔体良好的流动性，聚合物熔体温度需要很高，这意味着聚合物熔体的强度很差，从而导致发泡时泡孔成核少、泡孔容易发生破裂与合并，使得最终成型的发泡产品的泡孔结构不良；(3)在常规注塑发泡成型工艺中，聚合物熔体的充模流动与发泡是同时进行的，充模流动造成的复杂流场会加剧泡孔的破裂与合并，并导致泡孔发生严重而不均匀的变形，这会严重恶化泡孔结构，导致最终发泡产品的力学性能较差；(4)在常规发泡注塑工艺中，发泡是在密闭的模具型腔中进行的，模具型腔表面的约束会严重限制泡孔的长大，同时为了让聚合物熔体充满整个模具型腔，也需要很高的注射压力，这也将严重抑制泡孔生长，最终导致发泡产品的孔隙率不高、减重较小。总之，常规发泡注塑成型的产品存在外观品质差、减重较少、泡孔结构粗大且不均匀、力学性能较差等诸多缺陷，从而严重制约了其推广应用。
中国专利CN 103347671 B53.2公开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。
中国专利CN 105001509 A公开了一种高表面质量聚丙烯微发泡材料及其制备方法，该方法通过采用微孔发泡调节助剂，减轻了聚丙烯微发泡制件表面发花、气痕等表面质量问题。但由于该方法无法避免填充过程中熔体流动前沿的泡孔破裂问题，因此无法彻底消除发泡塑件表面的发花、银纹、云纹等表面缺陷，故只能部分改善发泡塑件的外观品质。此外，该方法也无法解决常规发泡注塑成型工艺存在的因泡孔结构不良导致的发泡塑件力学性能差以及由发泡空间受限导致的产品减重少等问题。
中国专利CN 105835292 A公开了一种发泡倍率高、表面无泡痕的微孔发泡注塑工艺，该工艺将发泡过程分为两个阶段完成，首先采用高型腔压力、高注射压力和高保压压力，通过注塑成型的方式制备由塑料和发泡剂组成的未发泡预制坯，然后将未发泡预制坯放入另外一个具有更大空间的模具型腔中，通过加热模具间接加热未发泡预制坯，进而诱导发泡，以获得具有高孔隙率、高外观品质的发泡塑件。该工艺的不足之处在于：(1)需要两套成型模具，导致成本增加；(2)工序多、操作流程长且繁琐，导致成型效率下降；(3)难以保证发泡塑件的外观形状尺寸。
中国专利CN 105835299A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，结合所述新工艺与新模具结构，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。但是该工艺与模具也存在一些明显的技术缺陷：(1)工艺过程复杂、控制难度大、工艺不稳定；(2)模具结构复杂、要求高压密封；(3)利用注入气体的方法，难以实现发泡空间的有效控制，导致发泡不均匀；(4)该工艺与模具难以适用于薄壁塑件。
中国专利CN 106541540 A公开了一种具有装饰外薄膜的微孔发泡制件及加工方法，该方法通过在微孔发泡制件的表面覆装饰外薄膜，解决常规发泡塑件存在的表面质量问题，但该方法的操作相对复杂，导致较高的加工成本，并且无法解决常规发泡注塑成型工艺存在的因泡孔结构不良导致的发泡塑件力学性能差以及由发泡空间受限导致的产品减重少等问题。
美国专利US 4,507,255公开了一种利用注塑成型发泡产品的工艺与装置，所述发泡产品的特征是具有一种由未发泡皮层包裹发泡芯层的三明治结构。该方法的基本工艺原理是：首先向模具型腔中注入第一种不含发泡剂的树脂熔体，紧接着再向第一种塑料熔体内部注入含有发泡剂的第二种树枝熔体，从而可以得到外观品质优良的发泡注塑产品。该方法的不足之处在于需要配备专用的双色或多色发泡注塑成型设备，并且发泡产品的减重非常有限。
美国专利US 4133858 A公开了一种改进的发泡注塑成型方法，该方法通过动调整模具的开合度，为发泡提供额外的自由空间，从而提高发泡注塑件的孔隙率和增加减重。该方法的不足之处是需要专门设计特殊的注塑模具，并需要专门的注塑成型设备，另外该方法没有解决发泡塑件的外观品质问题。
因此，需要对一种压力流体辅助发泡注塑成型工艺进行研究。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种压力流体辅助发泡注塑成型工艺，通过该工艺可制备出外观品质优良、力学性能优异和减重显著的发泡注塑制品。
一种压力流体辅助发泡注塑成型工艺的具体方案如下：
一种压力流体辅助发泡注塑成型工艺，包括：
在模具型腔中预先充入设定压力的第一流体，以抑制填充流动过程中的发泡和减少填充流动过程中发泡剂的损失，以抑制填充流动过程中的发泡和减少填充流动过程中发泡剂的损失。
进一步地，上述工艺包括如下步骤：
1)在模具型腔中冲入设定压力的第一流体；
2)将聚合物熔体、发泡剂组成的均相或非均相混合物注入模具型腔；
3)将设定压力的第二流体注入模具型腔聚合物熔体、发泡剂组成的均相或非均相混合物内部，在第二流体作用下，推动混合物充满整个模具型腔；
4)步骤3)中第二流体的压力降低后进行保持，保持设定时间，以将步骤2)填充过程中析出的发泡剂全部或部分重新溶解回聚合物熔体，将混合物的温度冷却至设定温度，以增强聚合物熔体强度；
5)卸除步骤4)中第二流体压力并排除模具型腔内第二流体，从而诱发发泡，以获得具有密实皮层和多孔中芯的发泡产品。
进一步地，所述步骤5)中在诱发发泡过程中，通过降低模具型腔温度，促进发泡产品的冷却定型；
或者，步骤5)中第二流体卸压、排除的速度为0.1～200MPa/s。
进一步地，所述步骤2)操作前需要将固态的聚合物基塑料塑化、熔融，并将其与设定质量的发泡剂充分混合。
进一步地，在固态的聚合物基塑料塑化、熔融(形成所述的聚合物熔体)，并将其与设定质量的发泡剂充分混合过程中，维持压力为2～30MPa，维持温度为150～350℃，以保证聚合物基塑料熔体与发泡剂充分混合，并防止发泡剂与塑料熔体提前发生相分离。
进一步地，所述发泡剂为化学发泡剂，例如偶氮化合物、磺酰肼类化合物和亚硝基化合物，或物理发泡剂，例如氮气、二氧化碳和丁烷；
或者，为了增强聚合物熔体的粘弹性和强度，改善聚合物熔体的发泡能力，所述步骤2)中在聚合物熔体中加入成核剂；在聚合物熔体中可以加入成核剂，例如蒙脱土、滑石粉、聚四氟乙烯等。
或者，所述步骤2)中聚合物熔体、发泡剂组成的均相或非均相熔融态混合物的发泡剂重量含量为1～25wt％。
步骤2)中利用注射成型机注射系统的螺杆或柱塞，将准备好的聚合物熔体、发泡剂组成的均相或非均相混合物注射入模具型腔。
进一步地，所述步骤1)中第一流体的设定压力为0.01～20MPa，第一流体可以是空气或氮气。
进一步地，所述步骤2)中在注射聚合物熔体、发泡剂组成的均相或非均相混合物之前，模具型腔温度调控至0～250℃；
或者，步骤2)中，注射入模具型腔的聚合物熔体、发泡剂组成的均相或非均相混合物体积占整个模具型腔体积的30～100％；
或者，步骤2)中，聚合物熔体、发泡剂组成的均相或非均相混合物的注射速率控制在10～500cm3/s。
进一步地，所述步骤3)中第二流体的设定压力为0.5～50MPa，温度为-30～200℃；
或者，第二流体为气体或超临界液体或液体；气体可以是空气和氮气，超临界流体可以是氮气和二氧化碳，液体可以是水和油。
或者，第二流体的体积占整个模具型腔体积的5～90％。
进一步地，所述步骤4)中第二流体的保持压力在2.0～50MPa，保持的设定时间为0～30min；第二流体的压力、温度和注入速度要求可控，以有效避免压力流体注入过程中冲破由聚合物熔体、发泡剂组成的均相或非均相混合物，并且有利于调控由聚合物熔体、发泡剂组成的均相或非均相混合物的温度。
或者，通过控制保压时间，进行温度冷却，步骤4)中将混合物的温度冷却至50～200℃。
最终，发泡产品的密实皮层的厚度为0.01～5mm，多孔芯层的孔隙率为5～90％，平均孔径为0.01～500μm，单位体积泡孔数量密度为1.0×105～1.0×1015cells/cm3。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)通过本发明的方法，发泡产品表面没有银纹、云纹、气痕等外观缺陷，具有可以与未发泡产品相媲美的外观品质，与未发泡产品相比，发泡产品的减重可以高达40％以上。
2)本发明通过压力流体辅助发泡，保证混合物充分混合，与常规发泡注塑产品相比，该工艺与方法制备的发泡产品具有更细腻、更均匀、更规整、更高孔隙率的泡孔结构。
3)与常规发泡注塑产品相比，新工艺与方法制备的发泡产品具有更为优异的力学性能。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1是本发明提供的一种压力流体辅助发泡注塑成型工艺与方法的原理示意图。
图2是实施例1中采用常规发泡注塑成型工艺制备的发泡产品的内部泡孔结构。
图3是实施例1中采用本发明提出的压力流体辅助发泡注塑成型工艺制备的发泡产品的内部泡孔结构。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
一种压力流体辅助发泡注塑成型工艺，包括以下步骤：
1)将准备好的由聚合物熔体、发泡剂组成的均相或非均相混合物注入模具型腔。模具型腔中预先充入设定压力的第一流体，以抑制填充流动过程中的发泡和减少填充流动过程中发泡剂的损失。
2)在步骤1)结束后，将设定压力的第二流体注入由聚合物熔体、发泡剂组成的均相或非均相混合物的内部，以推动混合物充满整个模具型腔。其中，第二流体的压力、温度和注入速度要求可控，以有效避免压力流体注入过程中冲破由聚合物熔体、发泡剂组成的均相或非均相混合物，并且有利于调控由聚合物熔体、发泡剂组成的均相或非均相混合物的温度。
3)待第二流体注入结束后，将第二流体的压力调至2.0～50MPa，并保压设定时间，以将步骤2)中发泡剂全部或部分重新溶解回聚合物熔体，并通过调控保压时间，以将聚合物/发泡剂混合的温度调整至某一期望水平，进而为下一阶段的发泡做好准备。
4)卸除第二流体压力，以快速降低熔融态聚合物/发泡剂混合物的压力，从而诱发发泡，以获得具有密实皮层和多孔中芯的发泡产品。在诱发发泡的同时或设定时间后，通过迅速降低模具型腔温度，促进发泡产品的冷却定型，以缩短冷却时间和提高成型效率。
聚合物为聚丙烯、聚乙烯、热塑性聚氨酯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氯乙烯、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二酯、尼龙、丙烯晴-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚酰胺、聚酰亚胺、聚苯硫醚、聚醚砜、聚醚醚酮，硅橡胶、三元乙丙橡胶、乙烯-醋酸乙烯共聚物、热塑性弹性体的一种或两种及以上的混合物。聚合物数均分子量为10000～5000000。
实施例1
原料为聚丙烯，其熔融指数和密度分别为20g/10min(@220℃/10kg)、0.91g/cm3(@23℃)；发泡剂为纯度99.5％的氮气；压力流体采用纯度为98％的氮气，其最高压力可达40MPa。发泡注塑成型工艺分两组进行，第一组采用常规发泡注塑成型工艺与方法，第二组采用本发明提出的压力流体辅助发泡注塑成型工艺与方法。
在第一组实验中，注塑机料筒温度从料筒至喷嘴依次设置为60℃-160℃-210℃-220℃-220℃-220℃，模具温度设为40℃，注射速度设为80mm/s，冷却时间设为25s，射胶量为45cm3，打气量为0.3％(重量含量)。在第二组实验中，注塑机料筒温度从料筒至喷嘴依次设置为60℃-160℃-210℃-220℃-220℃-220℃，模具温度设为40℃，注射速度设为80mm/s，冷却时间设为15s，射胶量为40cm3，打气量为0.3％(重量含量)，压力流体的压力为20MPa，压力流体的保压时间为30s，压力流体的卸压速度为100MPa/s。两组实验采用相同的注塑模具，模具型腔具有平板状结构，模具型腔的总容积为60cm3。第一组实验获得的发泡产品的内部结构如图2所示，第二组实验获得的发泡产品的内部结构如图3所示。
通过对比图2和图3的泡孔结构，可以发现本发明提供的新工艺能够显著改善发泡产品的内部泡孔结构，使得泡孔更细密、孔隙率更高。表1给出了两组实验获得的发泡产品的性能对比。通过对比可以发现，与常规发泡注塑成型工艺相比，本发明提出的新工艺不仅可以增加减重，而且还可以显著改善发泡产品的外观品质和提升其力学性能。
表1实施例1中采用常规发泡注塑工艺和本发明提出的新工艺制备的发泡产品的性能对比
实施例2
原料为聚苯乙烯，其熔融指数和密度分别为10g/10min(@220℃/10kg)、1.02g/cm3(@23℃)；发泡剂为纯度99.5％的氮气；压力流体采用纯度为98％的氮气，其最高压力可达40MPa。发泡注塑成型工艺实验分两组进行，第一组采用常规发泡注塑成型工艺，第二组采用本发明提出的压力流体辅助发泡注塑成型工艺与方法。在第一组实验中，注塑机料筒温度从料筒至喷嘴依次设置为60℃-170℃-220℃-230℃-230℃-230℃，模具温度设为60℃，注射速度设为60mm/s，冷却时间设为25s，射胶量为42cm3，打气量为0.4％(重量含量)。在第二组实验中，注塑机料筒温度从料筒至喷嘴依次设置为60℃-170℃-220℃-230℃-230℃-230℃，模具温度设为60℃，注射速度设为60mm/s，冷却时间设为25s，射胶量为38cm3，打气量为0.4％(重量含量)，压力流体的压力为25MPa，压力流体的保压时间为10s，压力流体的卸压速度为100MPa/s。两组实验采用相同的注塑模具，模具型腔具有平板状结构，模具型腔的总容积为60cm3。
表2给出了两组实验获得的发泡产品的性能对比。通过对比可以发现，与常规发泡注塑成型工艺相比，本发明提出的新工艺和方法不仅可以增加减重，而且还可以显著改善发泡产品的外观品质和提升其力学性能。
表2实施例2中采用常规发泡注塑工艺和本发明提出的新工艺制备的发泡产品的性能对比
| 检测项目 | 测试标准 | 常规工艺 | 新工艺 |
| 密度(g/cm3) | ISO 1183 | 0.72 | 0.62 |
| 拉伸强度(MPa) | ISO 527 | 35.8 | 45.6 |
| 弯曲模量(GPa) | ISO 178 | 4.8 | 5.2 |
| 表面光泽度(GU) | ISO 2813 | 5.2 | 65 |
实施例3
原料为聚乳酸，其熔融指数和密度分别为18g/10min(@220℃/10kg)、1.24g/cm3(@23℃)；发泡剂为纯度99.5％的氮气；压力流体采用纯度为98％的氮气，其最高压力可达40MPa。发泡注塑成型工艺实验分两组进行，第一组采用常规发泡注塑成型工艺与方法，第二组采用本发明提出的压力流体辅助发泡注塑成型工艺与方法。在第一组实验中，注塑机料筒温度从料筒至喷嘴依次设置为60℃-140℃-150℃-160℃-170℃-170℃，模具温度设为25℃，注射速度设为40mm/s，冷却时间设为30s，射胶量为45cm3，打气量为0.35％(重量含量)。在第二组实验中，注塑机料筒温度从料筒至喷嘴依次设置为60℃-140℃-150℃-160℃-170℃-170℃，模具温度设为25℃，注射速度设为40mm/s，冷却时间设为30s，射胶量为45cm3，打气量为0.35％(重量含量)，压力流体的压力为15MPa，压力流体的保压时间为25s，压力流体的卸压速度为100MPa/s。两组实验采用相同的注塑模具，模具型腔具有平板状结构，模具型腔的总容积为60cm3。
表3给出了两组实验获得的发泡产品的性能对比。通过对比可以发现，与常规发泡注塑成型工艺相比，本发明提出的新工艺和方法不仅可以增加减重，而且还可以显著改善发泡产品的外观品质和提升其力学性能。
表3实施例3中采用常规发泡注塑工艺和本发明提出的新工艺制备的发泡产品的性能对比
| 检测项目 | 测试标准 | 常规工艺 | 新工艺 |
| 密度(g/cm3) | ISO 1183 | 0.94 | 0.85 |
| 拉伸强度(MPa) | ISO 527 | 38.6 | 56.4 |
| 弯曲模量(GPa) | ISO 178 | 4.7 | 5.8 |
| 表面光泽度(GU) | ISO 2813 | 4.8 | 42 |
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种压力流体辅助发泡注塑成型工艺，其特征在于，在模具型腔中预先充入设定压力的第一流体，以抑制填充流动过程中的发泡和减少填充流动过程中发泡剂的损失。
2.根据权利要求1所述的一种压力流体辅助发泡注塑成型工艺，其特征在于，包括如下步骤：
1)在模具型腔中冲入设定压力的第一流体；
2)将聚合物熔体、发泡剂组成的均相或非均相混合物注入模具型腔；
3)将设定压力的第二流体注入模具型腔聚合物熔体、发泡剂组成的均相或非均相混合物内部；
4)步骤3)中第二流体的压力降低后进行保持，保持设定时间，以将步骤2)填充过程中析出的发泡剂全部或部分重新溶解回聚合物熔体，将混合物的温度冷却至设定温度，以增强聚合物熔体强度；
5)卸除步骤4)中第二流体压力并排除模具型腔内第二流体，从而诱发发泡，以获得具有密实皮层和多孔中芯的发泡产品。
3.根据权利要求2所述的一种压力流体辅助发泡注塑成型工艺，其特征在于，所述步骤5)中在诱发发泡过程中，通过降低模具型腔温度，促进发泡产品的冷却定型；
或者，步骤5)中第二流体卸压、排除的速度为0.1～200MPa/s。
4.根据权利要求2所述的一种压力流体辅助发泡注塑成型工艺，其特征在于，所述步骤2)操作前需要将固态的聚合物基塑料塑化、熔融，并将其与设定质量的发泡剂充分混合。
5.根据权利要求4所述的一种压力流体辅助发泡注塑成型工艺，其特征在于，在固态的聚合物基塑料塑化、熔融，并将其与设定质量的发泡剂充分混合过程中，维持压力为2～30MPa，维持温度为150～350℃，以保证聚合物基塑料熔体与发泡剂充分混合，并防止发泡剂与塑料熔体提前发生相分离。
6.根据权利要求2所述的一种压力流体辅助发泡注塑成型工艺，其特征在于，所述发泡剂为化学发泡剂或物理发泡剂；
或者，所述步骤2)中在聚合物熔体中加入成核剂；
或者，所述步骤2)中聚合物熔体、发泡剂组成的均相或非均相熔融态混合物的发泡剂重量含量为1～25wt％。
7.根据权利要求2所述的一种压力流体辅助发泡注塑成型工艺，其特征在于，所述步骤1)中第一流体的设定压力为0.01～20MPa。
8.根据权利要求2所述的一种压力流体辅助发泡注塑成型工艺，其特征在于，所述步骤2)中在注射聚合物熔体、发泡剂组成的均相或非均相混合物之前，模具型腔温度调控至0～250℃；
或者，步骤2)中，注射入模具型腔的聚合物熔体、发泡剂组成的均相或非均相混合物体积占整个模具型腔体积的30～100％；
或者，步骤2)中，聚合物熔体、发泡剂组成的均相或非均相混合物的注射速率控制在10～500cm3/s。
9.根据权利要求2所述的一种压力流体辅助发泡注塑成型工艺，其特征在于，所述步骤3)中第二流体的设定压力为0.5～50MPa，温度为-30～200℃；
或者，第二流体为气体或超临界液体或液体；
或者，第二流体的体积占整个模具型腔体积的5～90％。
10.根据权利要求2所述的一种压力流体辅助发泡注塑成型工艺，其特征在于，所述步骤4)中第二流体的保持压力在2.0～50MPa，保持的设定时间为0～30min；
或者，步骤4)中将混合物的温度冷却至50～200℃。
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