微孔发泡注塑成型技术及其产品泡孔结构形成过程和演变规律研究

发布时间：2017-04-06 06:02

  本文关键词：微孔发泡注塑成型技术及其产品泡孔结构形成过程和演变规律研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：微孔发泡注塑成型技术是一种成型微孔发泡塑料产品的重要加工工艺,具有高效、节能、资源利用率高、无污染、塑件质轻且力学性能优良等多项技术和产品优势,是一种经济效益和社会效益俱佳的绿色先进制造技术,具有广阔的应用前景和巨大的市场潜力。然而,由于微孔发泡注塑成型技术的系统原理和成型机理都非常复杂,导致目前商业化的微孔发泡注塑成型设备系统尚不完善且价格昂贵,其所使用的超临界流体计量与注入方法不够精确,整体设备系统的构建技术也不够明确,同时在关于微孔发泡注塑产品泡孔结构的研究中,还存在着对产品表面气泡痕的形成过程与消除机理研究不深入、对变模温辅助微孔发泡注塑成型工艺的基础研究不全面以及对产品内部泡孔结构和外部不发泡皮层的形成过程和演变规律研究不系统等一系列问题,亟需开展进一步的深入系统研究。针对上述问题,本文系统研究了微孔发泡注塑成型设备系统的构建技术及其原理,设计开发了超临界氮气发生与计量注入系统和装备,研制了微孔发泡注塑成型螺杆、料筒以及其他塑化系统部件,构建了微孔发泡注塑成型设备系统和变模温辅助微孔发泡注塑成型试验线,并在此基础上对微孔发泡注塑成型产品表面气泡痕的形成过程与变模温技术消除机理、变模温辅助微孔发泡注塑成型工艺基础以及微孔发泡注塑成型产品内外泡孔结构的形成过程和演变规律等方面进行了深入研究,获得了具有理论指导意义和工程应用价值的系列结论。研究了超临界氮气辅助微孔发泡注塑成型工艺原理,制定了工艺流程。研究了超临界氮气的发生原理,开发了超临界氮气发生系统与装备。研究了微孔发泡注塑成型过程中超临界氮气的计量与注入要求,提出了“旁通回流”、“定量稳流”、“定量定流”三种超临界氮气计量注入方法,研制了“定量定流”超临界氮气计量与注入系统,开发了相应的基于可编程控制器和触摸屏技术的计量注入控制软件和设备,并实现了自主开发的超临界氮气发生系统、计量注入系统与注塑成型设备的良好连接。与现有的超临界流体泵送系统相比,本文开发的超临界氮气发生与计量注入系统的发泡剂来源充足、压力稳定,注入调控手段直接简便,计量精度明显提高,为微孔发泡注塑成型整体设备系统的构建奠定了基础。研究了微孔发泡注塑成型设备系统的构建技术及其原理,提出了一套以常规注塑机(海天MA3200型节能伺服注塑机)为基础的微孔发泡注塑成型设备系统构建方案。自主设计、制造了一种微孔发泡注塑成型专用螺杆和与之相配套的微孔发泡注塑成型专用料筒,实现了与原有注塑机塑化系统的良好互换。自主设计、开发了一种超临界氮气打气头底座和一种以蓄能器为核心的塑化背压控制系统与设备,并对注塑机的液压系统进行了改造。进行了超临界氮气打气阀和自锁喷嘴的性能分析和选型,构建了完整的微孔发泡注塑成型设备系统和试验线,完成了工艺调试与试验生产。试验结果表明,本文设计的微孔发泡注塑成型螺杆与料筒塑化和混炼能力优异,中间止逆效果良好,开发的塑化背压控制系统响应及时、压力控制平稳,整体设备系统符合微孔发泡注塑工艺的要求。研究了微孔发泡注塑成型产品表面气泡痕的形成过程和变模温技术条件下的消除机理。设计制造了电加热微孔发泡注塑成型样条模具,开发了电加热模具温度控制系统和装备,建立了变模温辅助微孔发泡注塑成型试验线。研究了常规低模温条件下微孔发泡注塑产品的表面质量和表面气泡痕形貌,探讨了表面气泡痕的形成过程。研究了不同模温条件下微孔发泡注塑成型产品流动前锋端面和表面的泡孔形态变化以及高模温条件下微孔发泡注塑成型短射产品从流动前锋到近浇口位置处的表面气泡痕形貌变化,分析了模具温度对产品表面气泡痕形成过程的影响以及变模温条件下表面气泡痕的演变规律,揭示了变模温技术消除微孔发泡注塑成型产品表面气泡痕的过程和机理。通过研究,发现微孔发泡注塑产品的表面气泡痕是由流动前锋处的泡孔受熔体喷泉流动行为的影响而在端面发生破裂并冷却遗留在表面所形成,而变模温技术对表面气泡痕的影响则经历了一个“先产生,后消除”的过程,其消除机理是填充阶段的高模温使表面熔体不冷凝,同时逐渐增大的熔体内部压力和泡孔长大压力使产生的气泡痕底部的熔体逐渐被顶出并与模具表面接触,进而压缩气泡内气体重新溶解进入塑料熔体并最终消除气泡痕。开展了变模温辅助微孔发泡注塑成型技术的相关工艺基础试验研究。利用构建的变模温辅助微孔发泡注塑成型试验线,研究了变模温技术对微孔发泡注塑成型填充阶段和冷却阶段熔体压力、产品内部泡孔结构以及产品力学性能的影响,探讨了模具温度对熔体压力、产品泡孔平均直径、泡孔密度和泡孔直径分散度以及产品有／无熔接痕拉伸强度、有／无熔接痕弯曲强度和无熔接痕缺口冲击强度的影响规律和机理。研究发现,填充阶段的模具温度越高,对应冷却阶段的熔体压力降趋势减弱；当模具温度低于90℃时,产品内部泡孔直径、泡孔密度、不发泡皮层厚度以及有熔接痕试样的拉伸强度和弯曲强度基本不变,当模具温度高于90℃时,随模具温度的升高,泡孔直径明显增大,泡孔密度明显减小,未发泡表层厚度减小,有熔接痕试样的拉伸强度和弯曲强度显著增强；同时对于无熔接痕试样,模具温度对其拉伸强度和弯曲强度的影响不明显。研究了微孔发泡注塑成型产品内外泡孔结构的形成过程和演变规律。提出了一种研究微孔发泡注塑成型产品泡孔结构形成和演变过程的试验方法和全面表征泡孔结构空间形态的技术手段,并以此研究了微孔发泡注塑成型注射阶段不同射胶量条件下的微孔发泡注塑产品沿垂直熔体流动方向和平行熔体流动方向的泡孔结构特点,发现并提出了在微孔发泡注塑成型产品泡孔形成过程中,存在“填充过程中发泡”和“填充结束后发泡”两个过程,进一步分析得出,填充过程中的型腔熔体压力是决定这两种泡孔形成过程发生的主要因素。研究了微孔发泡注塑成型产品不发泡皮层的形成过程及其结构特点,发现不发泡皮层的形成也经历了“填充过程中”和“填充结束后”两个过程,对于“填充过程中”形成的不发泡皮层,熔体填充过程中的剪切流动行为和熔体流动前锋处的喷泉流动行为是其形成的主要因素,而对于“填充结束后”形成的不发泡皮层,熔体的冷却凝固则是其形成的根本原因。研究同时发现,微孔发泡注塑产品的不发泡皮层由两部分组成,其外部为一层薄的包含有变形和破裂气泡的快速冷凝层,内部则为相对较厚的不含有可视气泡的类似实心层,其整体厚度随注射速度、模具温度的增加而减小,而受熔体温度的影响不大。
【关键词】：塑料 微孔发泡 注塑成型 变模温技术 泡孔结构 形成演变
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ328.06
【目录】：

• 摘要16-19
• ABSTRACT19-23
• 第一章 绪论23-49
• 1.1 引言23-25
• 1.2 微孔发泡塑料的主要成型技术25-29
• 1.2.1 间歇成型法25-26
• 1.2.2 连续挤出法26-27
• 1.2.3 注射成型法27-29
• 1.3 微孔发泡注塑成型技术及其相关辅助工艺的发展和研究现状29-39
• 1.3.1 微孔发泡注塑成型技术的发展30-36
• 1.3.2 微孔发泡注塑成型技术的研究现状36-38
• 1.3.3 微孔发泡注塑成型辅助工艺的发展和研究现状38-39
• 1.4 微孔发泡注塑产品的泡孔结构及其研究现状39-43
• 1.5 微孔发泡注塑成型技术及其产品泡孔结构研究存在的主要问题43-46
• 1.6 本文选题意义及主要研究内容46-49
• 第二章 超临界流体发生与计量注入方法研究及系统开发49-77
• 2.1 引言49-51
• 2.2 微孔发泡注塑成型技术开发51-54
• 2.2.1 超临界氮气辅助微孔发泡注塑成型工艺流程51-54
• 2.2.2 超临界氮气发生与计量注入要求54
• 2.3 超临界氮气发生系统原理研究与设备开发54-59
• 2.3.1 超临界氮气的性质54-56
• 2.3.2 超临界氮气发生系统的构成原理56-57
• 2.3.3 超临界氮气发生系统的设备构成57-58
• 2.3.4 超临界氮气发生系统研制58-59
• 2.4 超临界氮气计量注入方法研究与系统开发59-73
• 2.4.1 超临界氮气计量注入方法研究59-66
• 2.4.2 超临界氮气计量注入系统设备组成66-68
• 2.4.3 控制与监视单元68-69
• 2.4.4 监控单元的硬件设计69-70
• 2.4.5 监控单元的软件设计70-72
• 2.4.6 计量注入设备研制72-73
• 2.5 超临界氮气发生与计量注入系统与注塑成型设备的连接技术73-75
• 2.5.1 硬件连接技术73-74
• 2.5.2 软件连接技术74-75
• 2.6 本章小结75-77
• 第三章 微孔发泡注塑专用螺杆、料筒开发及系统构建技术研究77-107
• 3.1 引言77-78
• 3.2 微孔发泡注塑成型设备系统设计与构建方案78-82
• 3.2.1 设计与构建原则79
• 3.2.2 现有设备基础79-81
• 3.2.3 设计与构建方案81-82
• 3.3 微孔发泡注塑成型专用螺杆的设计与开发82-97
• 3.3.1 螺杆性能要求82-84
• 3.3.2 螺杆结构分析84-86
• 3.3.3 螺杆结构设计86-91
• 3.3.4 螺杆止逆、剪切与混炼元件的性能分析与选择91-96
• 3.3.5 螺杆材料选择96
• 3.3.6 螺杆加工制造96-97
• 3.4 微孔发泡注塑料筒、喷嘴、打气头以及注塑机液压系统的设计、开发与改造97-102
• 3.4.1 专用料筒的设计与开发97-99
• 3.4.2 自锁喷嘴的分析与选择99-100
• 3.4.3 超临界氮气打气头的设计与选择100-101
• 3.4.4 液压系统的设计与改造101-102
• 3.5 设备系统调试与试验注塑102-104
• 3.5.1 原料与设备103
• 3.5.2 试验结果与分析103-104
• 3.6 本章小结104-107
• 第四章 微孔发泡注塑产品表面气泡痕形成过程与变模温条件下的演变规律和消除机理研究107-131
• 4.1 引言107-109
• 4.2 变模温辅助微孔发泡注塑成型试验线的构建109-114
• 4.2.1 电加热微孔发泡注塑模具开发109-112
• 4.2.2 模具温度控制系统研制112-113
• 4.2.3 试验线组成113-114
• 4.3 微孔发泡注塑产品表面质量分析114-116
• 4.3.1 光泽度测量114-115
• 4.3.2 表面形貌分析115-116
• 4.3.3 三维表面轮廓测量116
• 4.4 微孔发泡注塑产品表面气泡痕的形成过程研究116-119
• 4.4.1 表面气泡痕的形貌变化116-118
• 4.4.2 表面气泡痕的形成过程118-119
• 4.5 变模温辅助微孔发泡注塑成型产品表面气泡痕的演变规律与消除机理研究119-129
• 4.5.1 试验方案与试验设计119-121
• 4.5.2 变模温对产品同一位置处表面气泡痕形貌的影响121-123
• 4.5.3 变模温对表面气泡痕形成过程的影响123-125
• 4.5.4 高模温条件下表面气泡痕的演变规律125-127
• 4.5.5 高模温条件下表面气泡痕的消除过程和消除机理127-129
• 4.6 本章小结129-131
• 第五章 变模温辅助微孔发泡注塑成型工艺的试验研究131-153
• 5.1 引言131-133
• 5.2 变模温技术对微孔发泡注塑成型熔体压力的影响研究133-137
• 5.2.1 试验材料133
• 5.2.2 仪器与设备133
• 5.2.3 试验设计133-135
• 5.2.4 结果与讨论135-137
• 5.3 变模温技术对微孔发泡注塑产品内部泡孔结构的影响研究137-145
• 5.3.1 试验材料137-138
• 5.3.2 仪器与设备138
• 5.3.3 试验设计与泡孔结构表征138-140
• 5.3.4 结果与讨论140-145
• 5.4 变模温技术对微孔发泡注塑产品力学性能的影响研究145-150
• 5.4.1 试验材料145-146
• 5.4.2 仪器与设备146
• 5.4.3 试验方案146-147
• 5.4.4 结果与讨论147-150
• 5.5 本章小结150-153
• 第六章 微孔发泡注塑产品泡孔结构形成过程和演变规律研究153-187
• 6.1 引言153-154
• 6.2 塑料微孔发泡与注射成型的基本理论154-158
• 6.2.1 塑料微孔发泡基本理论154-157
• 6.2.2 塑料注射成型填充过程中熔体的压力变化及其流动行为157-158
• 6.3 微孔发泡注塑产品芯部泡孔的形成过程与演变规律研究158-170
• 6.3.1 试验方案与试验设计158-161
• 6.3.2 泡孔结构表征方法161
• 6.3.3 泡孔结构形貌对比分析161-164
• 6.3.4 泡孔结构形成机理讨论164-167
• 6.3.5 微孔发泡注塑成型芯部泡孔结构的形成过程167-170
• 6.4 微孔发泡注塑产品不发泡皮层的形成过程与结构特点研究170-183
• 6.4.1 试验方案与试验设计170-171
• 6.4.2 不发泡皮层结构表征方法171-172
• 6.4.3 不发泡皮层结构形态分析172-175
• 6.4.4 微孔发泡注塑成型不发泡皮层的形成过程与机理分析175-178
• 6.4.5 微孔发泡注塑成型不发泡皮层的结构特点178-180
• 6.4.6 微孔发泡注塑成型不发泡皮层形成的厚度影响因素分析180-183
• 6.5 产品试验生产183-184
• 6.6 本章小结184-187
• 第七章 结论与展望187-191
• 7.1 结论187-190
• 7.2 展望190-191
• 参考文献191-213
• 致谢213-215
• 攻读博士期间已发表和撰写的论文及专利215-217
• 攻读博士期间参与的科研项目217-219
• 附件219-251
• 学位论文评阅及答辩情况表251

【参考文献】

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本文编号：288348