在高压釜内注入CO2, 对塑料颗粒进行浸渍, 并用常规的注塑成型设备进行加工.
发泡的PC部件重量减轻了16%, 由于采用了气体反压法, 表面更为光滑. (来源: Kunststoff-Institut)汽车电动化发展趋势推动产品轻量化制造成为当前一大趋势. 现在, Kunststoff-Institut Lüdenscheid 和 林德气体开发了一种新型物理发泡工艺, 省去了对注塑设备进行代价高昂的重新改造或加工. 这种技术所具有的灵活性吸引了小批量生产和量产企业. 如果结合气体反压法, 还可以赋予产品漂亮的外观表面.
众多OEM厂商在组装车辆时, 都会竭力挖掘轻量化的潜力. 受到法规要求减少有害物质排放以及围绕电动车展开的一系列讨论的推动, 各种塑料部件也被置于人们的视线中. 如, 发泡技术是一种有效的减轻注塑部件重量的方法. 而在汽车工业以减重为首要关注点时, 其它行业对发泡技术也产生了兴趣, 因为它可以减少材料的使用量, 这意味着成本的降低.
发泡注塑成型也有加工技术上的优势. 因为它可以显著降低粘度, 从而增加熔体的流动性能. 由于发泡材料的填充压力变小, 一定程度上不再需要确定的保压时间, 也可以降低注塑机的合模力和模具的刚度. 改用更小的注塑机, 更轻的注塑模具意味着可以带来显著的节约. 原来需要用钢材制造的结构紧凑的注塑机才能加工的大型部件, 如果采用发泡注塑, 可能只需要铝制模具即可.
通过发泡提高尺寸精度
发泡技术可以为部件质量带来积极影响. 许多塑料的各向异性收缩是造成零件变形和尺寸精度不足的主要原因之一. 由于发泡能减少收缩, 因为气泡会在部件内部产生一种复杂的保压力, 从而降低了收缩的差异, 从而提高了部件的尺寸精度.
出于各种原因, 目前市场上有多种发泡技术. 此处我们将化学和物理发泡工艺进行一些区分.
化学与物理发泡工艺的比较
在化学发泡工艺中, 发泡剂与塑料颗粒, 通常是色母粒, 按照0.5~ 2%的重量比混合. 化学发泡的优点包括容易操作, 可用现有的常规注塑机加工. 与物理发泡工艺相比, 则存在发泡压力低, 薄壁部件发泡有限的缺点. 而化学反应导致的产品分解会在模具上造成残留.
模具或注塑机应配有喷嘴或端部闭合系统, 以防止合成发泡材料从塑化单元中溢出. 还要对螺杆的位置进行控制, 以确保可重复加工. 否则材料在螺杆前端空间的发泡会在计量工作完毕后对螺杆造成不受控制的背压. 在进行物理发泡时, 必须满足这两个要求.
除了上述对注塑机的要求外, 已知的物理发泡方法要求对注塑单元和螺杆进行改造, 同时要增加周边设备, 以控制气体的供应, 具体视工艺不同而异. 这也是为什么需要有能适应不同工艺的特殊塑化单元的原因所在.
就目前市场上供应的物理发泡技术而言, 发泡剂是在注塑机内与塑料颗粒或熔体直接混合的. 最有名的代表性技术是ProFoam工艺(Arburg/IKV), 它通过粒子阀内的发泡剂丰富了塑料颗粒, 并对后部密封的螺杆施加压力;以及MuCell工艺, 后者将发泡剂添加到位于改造过的塑化单元中的发泡剂中.
由于不发生化学反应, 因此产品不会出现变形, 模具上也不会产生积垢. 物理发泡的另一个优势是发泡压力高, 因此, 薄壁部件也可以取得很好的发泡效果.
一种简单的新型物理发泡工艺
由Kunststoff-Institut Lüdenscheid 和林德气体共同开发的新型物理发泡工艺兼具简单化学发泡和高效物理发泡的优点.
图1 新型发泡工艺流程: 与其它物理发泡技术不同的是, 塑料颗粒在设备内进行处理前, 被浸润在发泡剂中. (来源: Kunststoff-Institut) 在注塑机加工工艺前增加了一个步骤: 干燥后的材料被浸润在二氧化碳(CO2)中, 作为压力容器内的推进剂(图1). 粒子带走的气体根据塑料材料的种类, 温度, 浸润时间以及压力的不同而有差异. 根据当前已有的知识, 聚碳酸脂消耗的气体最多(图2).
图2 在两种不同的浸渍时间条件下, 重量分别增加100g. 压力增加产生的影响非常明显. (来源: Kunststoff-Institut) 随着含CO2的PET饮料瓶的推出, 人们认识到, CO2会快速扩散进入并贯穿到塑料粒子中, 但Kunststoff-Institut Lüdenscheid和林德气体的共同研究表明, 在载荷和压力释放后, CO2依然会保留在塑料粒子中相当长的时间, 即便在敞开存放条件下, 有时候还能保持2-3小时.
图3 对用不同塑料制成的发泡部件进行连续称重(参考: 紧致部件). 每一个点对应于一个部件. 确认了经过几个小时, 浸渍塑料表现出了可重现性. (来源: Kunststoff-Institut) 迄今为止, 很多材料得到了研究, 因此, 人们可以在数小时内重现发泡结果. 只有当气体逐渐从塑料粒子中逃逸后, 部件才会开始变得重起来(图3). 更让人振奋的是, 像化学发泡一样, 人们也在常规注塑机上对多种材料进行了物理发泡研究.
图4 材料浸渍的气体供应. 可以由同一台高压釜供应多台注塑成型设备(来源: 林德气体)与中央干燥方式相似, 一只高压釜也可以加载几台注塑机(图4)用的材料. 除了对材料进行进一步研究外, Kunststoff-Institut Lüden scheid和林德气体还与周边技术合作伙伴共同就工业化概念进行合作, 并有望于2018年推出产品.
用气体反向压力改善部件表面外观
各种发泡工艺都存在的缺点是气泡会突然在熔体前端破裂, 导致成型部件表面产生裂纹(图5). 与防止明显的流痕的产生一样, 采用变模温工艺是一个合适的方法, 即稍微增加射出和保压阶段的模具壁温, 这样, 在熔体于模腔壁固化下来以前, 存在气泡破裂的熔体被再次压紧.
图5 当气泡到达表面时, 会形成条纹(顶部). 气体反压法(下)防止气泡在熔体前沿破裂(来源: Kunststoff Institut)
这样产生的表面可与实心成型部件相媲美, 在许多情况下, 流痕和凹痕的情况要更好. 因模具, 周边设备, 能耗而造成的相关成本, 具体视材料, 部件的几何形状, 模具概念和加工周期而定.
另一种方法是气体反压工艺, 但这种方法迄今为止用得很少, 主要用来防止气泡在熔体前沿破裂(图5). 它会略微降低发泡水平, 但即便采用传统的模温控制方式, 依然可以得到密实的表面(标题图).
表1 不同塑料材料达到的发泡程度在10%至60%(PC)之间波动(来源: Kunststoff-Institut) 听上去很简单, 但从密封和工艺技术角度来看, 却并不那么容易实现. 即便模具密封恰当, 也必须控制气体, 以适应模腔的填充. 因此, 气体(氮气)压力不仅要具有可重复性, 而且必须迅速增加, 并以可控的方式再次迅速地下降.
图6 必须快速响应压力控制模块(林德), 在熔体进入时, 通过释放气体, 保持流道末端反向压力一致.
这里可以使用类似于内部气体压力技术的压力控制模块(图6). 一旦闭模后, 压力控制模块的控制单元接收到一个信号, 并在注射开始前增加将模腔内的气体压力水平. 为了防止熔体在流动时进一步增加压力, 从而产生填充问题, 压力控制模块的控制阀必须迅速响应, 并通过释放气体使流道末端的反压力保持恒定. 这里, 除了压力控制模块外, 阀门和排气通道的位置是否正确至关重要.
结论
如今的工业企业需要保护资源. 在汽车工程领域, 只有通过降低车辆的重量才能实现这一目标. 因此, 未来对发泡塑料部件的需求有望增加.
由Kunststoff-Institut Lüden scheid和林德气体合作开发的工艺可以弥合化学和物理发泡工艺之间的差异, 帮助更多的聚合物生产企业利用现有的注塑机械进行物理发泡. 按照作者的观点, 新的可能, 如生产出3D形式的密封件, 以及进一步开发出新的压力控制模块, 可以推动气体反压法工艺成为未来变温模工艺的一种替代方式.