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微细发泡注塑成型工艺与微泡尺寸的关系

微细发泡注塑成型技术采用超临界气体作为物理发泡剂，在注塑件中进行微细发泡。微泡大小一般在μm之间。气体通常采用二氧化碳或者氮气。微细发泡注塑成型过程包含四个步骤：1)气体溶解；2)均匀成核；3)微泡长不过后期大；4)产品成型。微细发泡注塑成型技术对模具设计上没有特别的要求。

而在微细发泡注塑成型充模阶段，聚合物与气体形成的单一相熔体，由于压力从MPP(微细发泡成形压力)下降到大气压，使气体析出而形成大量的成核点。这些成核点后来长大成微泡。微泡一直在长大，直到达成新的压力平衡或者材料被冻结。微泡长大和气泡密度直接取决于成型工艺，如预注塑量、熔体温度、模具温度、注塑压力、注塑速率、超临界液体(SCF)含量等。本文研究了成型工艺和微泡长大的关系。其中着重考虑注塑时间、模丝印片材具温度、熔体温度和初始填充量对微泡长大的影响。本文采用数值模拟作为实验手段，工艺参数对微泡长大影响的判断则采用田口实验方法来进行，优化了注塑成型工艺，得到较优秀的微成交不佳泡大小分布和结构。在此基础上，进一步研究各个工艺参数对微泡长大的影响程度。

1 实验模型以及优化方法

在对微细发泡注塑成型过程进行数值模拟中，所需要提供的初始条件除了传统注塑成型分析所需要的工艺参数外，还要提供以下四个参数作为边界值：发泡开始时塑料预填充量、初始微泡直径、单位体积内微泡数量和初始气体浓度。

1.1 实验模型

本文以一个平板件为例进行研究，其尺寸为320mm*280mm*2mm，产品模型、浇注系统和冷却系统如图1所示。从前人的研究知道，在浇口附近的微泡实际大小与模拟结果误差较小。所以选择浇口附近的特征点为参考点，来研究成型工艺参数对微泡大小的影响。

图 1: 实验模型

塑料材料采用牌号为HCA-352P的PP料。其主要性能参数如表1所示。气体采用氮气。表 1: HCA-352P的性能

本文主要对微泡尺寸影响比较大的模具温度、熔体温度、注射时间和初始填充量等参数进行研究。确定冷却系统和浇注系统后，根据材料推荐的参数和初步模拟结果，选取的各个工艺参数水平如表2所示。需要指出的是，SCF用量对微泡结构影响很大，本研究中假定SCF用量给定，在此条件下进行工艺优化的研究。

除了所研究的四个参数，其它初始参数设置成核密度2×10的11次方/立方米，初始的气体浓度Co＝0.25％，初始泡孔半径Ro＝1.1×10的负6次方m。

1.2 优化方法

本文采用田口实验设计法作为优化方法，根据参数和水平的设置，选取四参数三水平的L9正交表来安排实验。该正交表如表3所示。使用田口实验设计法中的变量分析，可以计算出各个工艺参数对微泡尺寸的影响次序和最优的工艺参数组合。同时对实验结果进行直观分析，即计算各工艺参数在三个水平下的微泡尺寸平均值。在本文中以微泡尺寸作为质量指标，为最小值问题。所以计算公式如下：

式中，m为工艺参数在某水平下的平均值；n为此水平出现的个数；y为工艺参数在此水平下的结果值。然后由各工艺参数最大平均值和最小平均值之差计算出极差R。根据极差R值，便可得到工艺参数对微泡大小的影响。表 3: 正交表及实验的安排和结果

2 实验结果

根据L9正交表来安排模拟实验，获取了参考点处的微泡尺寸。模拟实验的安排／顷序和结果见表3。同时根据方程(1)，计算了每个工艺参数在各个水平下的均值。在获得各个工艺参数的最大和最小均值的基础上，计算了极差值，见表4。表 4: 工艺参数的直观分析

利用优化获得的工艺参数组合进行模拟，得到模拟结果如图2所示。结果显示微泡的直径大部分分布在23―27μm之间，且分布均匀，从而微泡的结构得到了优化。

图 2: 优化后的模拟微泡尺寸

对图2进行分析，工艺参数对微泡大小的关系如表5所示。表 5: 工艺参数与微泡尺寸的关系

3 结论

1)从表4中的极差的大小可直观得出各工艺参数对微泡尺寸的影响次序由大到小为：熔体温度、初始填充量、注射时间、模具温度。

2)在考察的工艺参数水平运行安稳；上，对于本文中的模型，最优化的工艺参数组合是模具温度10 C、熔体温度180 C、注射时间1s和初始填充量95％。

3)利用优化获得的工艺参数组合进行模拟，结果显示微泡的直径大都分布在23～27μm之间特殊款式，且分布均匀，从而微泡的结构得到了优化。

4)对于材料PP，在所考察的工艺参数范围内，适当地降低熔体温度和提高初始填充量可以优化微细发泡注塑制品的微泡尺寸；适当地缩短注塑时间和降低模具温度也能优化微泡尺寸，但是影响不大。(e石灰nd)