型芯后撤二次注射开合模发泡注塑成型技术研究

发布时间：2020-05-27 14:34

【摘要】：开合模发泡注塑工艺是一种模具型腔体积可变的聚合物发泡注塑工艺,其技术特点是在高保压之后将模具动模侧或模具型芯沿着开模方向以一定的速率移动一定的距离,从而为聚合物发泡提供更多空间。在开合模发泡注塑中,开模发泡阶段的开模动作可以为聚合物熔体内部气泡的形核长大提供充足的空间,这将显著提高聚合物发泡材料塑件的发泡倍率,增加塑件内部泡孔尺寸均匀性和泡孔分布均匀性。因此,开合模发泡注塑工艺能够注塑成形具有超高发泡倍率的发泡塑件,有效提高塑件的减重效果、隔热性能、隔音性能和吸能缓冲性能,增加塑件的比表面积,有效提高发泡塑件的吸附能力。由于开合模发泡注塑塑件具有较高的减重效果,可以有效降低整备质量,实现更高的轻量化目标,所以在交通运输领域获得了广泛关注。同时,由于开合模发泡注塑塑件具有较好的隔热性能、隔音性能、吸能缓冲性能和比表面积,所以在建筑建材、体育用品、吸附和催化等领域也获得了广泛关注。目前,学者们围绕开合模发泡注塑工艺,在开合模发泡注塑模具、开合模发泡注塑材料、开合模发泡注塑工艺参数设计和聚合物注塑最常见的熔接痕缺陷等方面开展了大量的研究工作。然而,常规开合模发泡注塑模具结构简单,其完成开模动作后分型面已经打开,无法进行二次注射等操作,因而限制了开合模发泡注塑工艺的拓展应用;开合模发泡注塑常用超临界流体作为发泡剂,超临界流体的发生设备和打气设备价格昂贵,进而增加了设备成本;为提升塑件熔接痕性能而开展的研究,大都建立在传统结构熔接痕的基础上,受到熔接痕结构的限制,其研究成果对熔接痕性能的提升作用有限。针对上述问题,本文从开合模发泡注塑工艺原理、成型机理、工艺优化创新、模具设计与制造、塑件结构分析、熔接痕结构分析、塑件与熔接痕特殊结构形成原理、工艺参数影响塑件成形过程与性能的规律等方面对开合模发泡注塑工艺进行了系统的研究。主要研究工作和研究成果如下:(1)研究了开合模发泡注塑成型工艺原理,提出了一种型芯后撤二次注射开合模发泡注塑成型新方法,设计了一种型腔深度控制系统,并以这种型腔深度控制系统为核心,制造了一套可以精确控制开模距离和开模速率,并可在开模动作后进行二次注射的型芯后撤二次注射开合模发泡注塑模具。在首次注射完毕后,通过型芯后撤获得了一种不同于常规发泡注塑试样的特殊皮层结构,并通过保压作用使聚合物熔体在这个封闭的皮层结构内进行二次填充,最终获得了一种具有特殊结构的开合模发泡注塑塑件。研究发现,这种特殊的皮层结构有效抑制了发泡阶段气体从聚合物熔体中溢出,明显增加了聚合物熔体内气泡形核长大的动力;被封闭在皮层内部的气体可以为新注入的聚合物熔体流动前沿自然提供一个内部反压压力,从而抑制了聚合物熔体填充时的泉涌效应,显著改善了试样的内部泡孔结构。这种特殊皮层致密的构造对提高发泡塑件的力学性能起到了重要作用。(2)研究了工艺参数对型芯后撤二次注射开合模发泡注塑塑件的影响规律,分析了工艺参数与塑件力学性能和减重效果之间的关系。研究发现,化学发泡剂AC的用量以7%为宜,发泡剂用量低时发泡效果不佳,发泡剂用量过高会因其过量分解放热而破坏已经形成的泡孔结构;注射速率和模具温度影都会响塑件表面质量;注射量的主要作用是控制型芯后撤二次注射开合模发泡注塑塑件所特有的皮层结构的强度;第一阶段保压压力决定了型芯后撤二次注射开合模发泡注塑方法所特有的二次注射阶段中聚合物熔体填充皮层结构空腔的速率,第一阶段保压时间决定了二次注射阶段中聚合物熔体填充皮层结构空腔的程度;第二阶段保压的作用是最终固定泡孔的尺寸和数量,并对塑件进行补缩;型芯后撤速率的作用是控制型芯后撤二次注射开合模发泡注塑塑件所特有的皮层的外观和形状;采用型芯后撤二次注射开合模发泡注塑方法获得的塑件减重率最低为16%,最高可达46%。(3)研究了型芯后撤二次注射开合模发泡注塑方法对塑件熔接痕的影响,获得了一种具有特殊熔接痕的塑件,发现了一种新的熔接痕结构,提出了一种新的熔接痕形成过程。研究发现,采用型芯后撤二次注射开合模发泡注塑方法获得的塑件的熔接痕内部具有一种特殊的网状结构,这种网状结构可以诱导新注入的聚合物熔体发生交叉流动并互相缠绕,从而增强了熔接痕处的力学性能;特殊网状结构自身在熔接痕区域内部也起到了类似纤维强化的作用,从而进一步增强了熔接痕处的力学性能;带有特殊熔接痕的型芯后撤二次注射开合模发泡注塑试样的抗拉强度、比抗拉强度和断裂伸长率比带有常规熔接痕的试样分别提高了30.7%、53.3%和550%,这种带有特殊网状结构的熔接痕构造为提高试样熔接痕处的力学性能发挥了重要作用。(4)研究了型芯后撤二次注射开合模发泡注塑方法的工艺参数对塑件熔接痕结构形成与性能的影响规律,分析了工艺参数与塑件力学性能和减重效果之间的关系。研究表明,注射量影响特殊网状结构中网络的粗细以及网状结构的整体厚度,网状结构的网络随着注射量的增加而变粗,其整体厚度也随之增大,但过高的注射量会造成网状结构过厚,导致试样熔接痕处产生新的缺陷:在注射量一定的情况下,注射速率影响特殊网状结构的强度,随着注射速率的增加,网状结构的强度也会提升,但是当注射速率超过一定值时,网状结构强度的提升量降低;采用型芯后撤二次注射开合模发泡注塑方法获得的带有特殊结构熔接痕的塑件的减重效果和力学性能均优于采用常规发泡注塑获得的带有普通结构熔接痕的塑件。(5)将型芯后撤二次注射开合模发泡注塑方法应用于生产实践,注塑成型了一种高比强度高减重的某品牌汽车B柱护板,并与常规化学发泡注塑方法获得的B柱护板在泡孔结构和力学性能等方面进行了对比和分析,揭示了型芯后撤二次注射开合模发泡注塑方法对于提高汽车B柱护板内部泡孔分布均匀性、优化泡孔结构、提高力学性能和减重效果的影响机制。研究表明,采用型芯后撤二次注射开合模发泡注塑方法获得的汽车B柱护板泡孔结构优良,能够在保证力学性能的前提下,减重24.4%。相较于采用常规发泡注塑方法获得的B柱护板,其减重率、抗拉强度、弯曲强度和带缺口冲击强度都有所提高。在综合考虑了减重后,采用型芯后撤二次注射开合模发泡注塑方法获得的B柱护板的比抗拉强度、比弯曲强度和带缺口比冲击强度比采用常规发泡注塑方法获得的B柱护板更是有较大幅度提高。
【图文】：

物基体发泡［２４１。常见的物理发泡剂主要有Ｈ２０、空气、Ｎ２、Ｃ０２和氟利昂等。为逡逑使物理发泡剂能够顺利溶入聚合物熔体中，通常使用超临界流体发生装置将物理逡逑发泡剂由液态或者气态转变为超临界状态。图１－２给出了物质状态随温度和压逡逑力的变化关系｜２５：｜，如图所示，当物质的压力和温度均升高到图中所示的临界点时，逡逑其气一液两相间的界面就会消失，这时的温度和压力称为该物质的临界温度和临逡逑界压力，继续升高压力和温度，，物质就会进入超临界状态，成为超临界流体。超逡逑临界流体不仅具有与气体相同粘度和扩散系数，还具有与液体相同的密度和溶解逡逑４逡逑

１．３．１邋ＣＦＩＭ邋技术逡逑ＭａｒｔｉｎｉＰｌ等于二十世纪八十年代首先提出了微孔发泡注塑成型技术，并申逡逑请了专利。图１－３为Ｍａｒｔｉｎｉ等申请的专利中介绍的微孔发泡注塑成型技术设备逡逑示意图。如图所示，这种微孔发泡注塑成型过程分为三个步骤：首先，使用挤出逡逑机（或者注塑机）将含有发泡剂的聚合物熔体注入一套特制的模具的型腔内，这逡逑套模具的型腔容积由一个可移动的板控制，这个可移动的板又由液压系统控制，逡逑当含有发泡剂的聚合物熔体被注入型腔时，液压系统对可移动的板施加一定的压逡逑力，使得模具型腔内含有发泡剂的聚合物熔体压力高于体系的发泡临界压力，此逡逑７逡逑
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ320.662


本文编号：2683676