《塑料先进成型技术 教学课件 ppt 作者 范有发 (第17~18讲)第6章 微孔塑料成型技术》由会员分享，可在线阅读，更多相关《塑料先进成型技术 教学课件 ppt 作者 范有发 (第17~18讲)第6章 微孔塑料成型技术（61页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、6.1 概述,第6章 微孔塑料成型技术,6.2 微孔塑料注射成型工艺,6.3 微孔塑料挤出成型工艺,6.1 概述,第6章 微孔塑料成型技术,一、微孔塑料的定义、特点及成型原理 微孔塑料的基本观点：让细小的泡孔进入聚合物，从而减少每个制品的原料用量，并保持其韧性水平，泡孔的尺寸应比聚合物中已存在的缺陷尺寸小。 微孔塑料：指泡孔均匀且孔径小于100m（通常泡孔直径在550m）的发泡材料。 通常传统泡沫塑料的泡孔直径在250m1mm之间。,一、微孔塑料的定义、特点及成型原理,一、微孔塑料的定义、特点及成型原理 微孔塑料制品与传统发泡制品相比，具有很多的优点。 1）传统发泡塑料泡孔太大，薄膜和片材无法
2、发泡。而微孔塑料泡孔可小至0.10m，20m厚的片材若其物理整体性良好，也可以成功地发泡。 2）许多微孔塑料具有更好的韧性和更长的抗疲劳时间，而且机械强度也比传统的大孔发泡塑料更高。 3）当泡孔小于0.05m时，可获得透明的超微孔塑件。 4）微孔塑料的质量可比无微孔制品减少约50%，从而降低35%左右的成本。 5）可生产闭孔或开孔的微孔塑料制品；生产中用CO2或N2代替碳氢化合物或氟化材料作为发泡剂，使生产过程更加环保。,一、微孔塑料的定义、特点及成型原理 生产微孔塑料的前提条件：极高的泡孔成核速率（是传统发泡的数量级倍），且泡核以几乎相同的速率同时长大。 为满足高成核速率要求，首先要在高温、
3、高压下让发泡剂溶于聚合物熔体中，产生一种单相溶液，然后迅速将压力降低到饱和压力以下，方能形成大量的泡核。 为促进单相溶液的快速形成，微孔塑料成型工艺采用物理发泡剂（CO2或N2）的超临界流体（SCF）来加速溶解过程。 超临界流体是指温度和压力都在临界温度（Tc）和临界压力（Pc）之上的一种材料。,一、微孔塑料的定义、特点及成型原理,二、微孔塑料的形态 微孔塑料（MCP）：在整个制品厚度中泡孔尺寸均匀分布或者具有由发泡芯层和坚硬表层组成的夹芯结构材料，其泡孔有闭孔或开孔两种。,二、微孔塑料的形态 MCP的微观结构随生产工艺方法和条件的不同会有很大的变化。,通常MCP微观结构受基体材料均匀性的影响
4、，在多相材料中，当气体过饱和度较低时，泡孔优先在相界面上成核，当气体过饱和度较高时，均相和异相成核同时发生。 理想的闭孔MCP微观结构可设计成紧密堆积、蜂窝状、部分扩散和椭圆形等不同结构。,二、微孔塑料的形态 若塑料原料不均匀，泡孔尺寸就会不均匀，微观结构将会受到第二相的尺寸、分布、取向和界面能的影响。 不相容聚合物的共混物，沿界面边界可能形成泡孔，当界面边界为直线时，则可能形成开孔结构。 当原料有两种不相同材料在分子级水平混合时，成核密度可能非常大，在一定的发泡密度下，平均泡孔体积与泡孔密度成反比。,二、微孔塑料的形态,二、微孔塑料的形态 不同发泡条件下，不同塑料材料微孔发泡的密度和泡孔尺寸
5、存在差异，且结晶型塑料的泡孔密度比非结晶型塑料的大许多。 泡孔密度是塑料中气体过饱和量的函数，气体过饱和量越大，则泡孔密度越大。,三、微孔塑料注射成型装置 微孔塑料注射成型设备：由改进后的塑料注射机和超临界流体（SCF）输送系统两大部分构成。 SCF输送系统：需要将超临界流体以恒定的剂量注入注射机塑化装置内的塑料熔体中，该系统可分为液体泵送系统和气体泵送系统两类。,三、微孔塑料注射成型装置 液体泵送系统优点：流体质量计量容易、输送装置设计简单，且泵能够以极低的流率将液体压缩成超临界流体。 它通常不需要质量计量装置，可调节隔膜泵来调节质量流量曲线；采用系统压力调节器可以调节流体压力。 不足：在于
6、需要将气态的发泡剂冷却成液态，且需要易于冷却成液态的物理发泡剂。,三、微孔塑料注射成型装置 气体泵送系统：因使用氮气作发泡剂，且很容易与辅助计量装置一起使用，是目前应用最广泛的系统。 超临界流体泵为两级泵，一级泵将气体压力从1.4MPa增压到14MPa，二级泵再将气体压力增大到最大压力52MPa左右。 该系统需对超临界流体进行质量计量和控制，以定量、定压的注入注射机塑化装置。,三、微孔塑料注射成型装置 微孔注射成型设备需对普通塑料注射设备进行改造： 1）塑化料筒必须钻孔以安装SCF输送系统、压力传感器和爆破片； 2）必须配置锁闭型喷嘴； 3）更换微孔注射成型工艺专用螺杆； 4）对注射机控制系统
7、程序进行修改，以适应微孔注射成型工艺； 5）必要时还可增加螺杆长径比，或在料筒末端安装风冷装置，以加强对料筒末端温度的控制。,四、微孔塑料注射成型的优势 微孔注射成型与普通注射成型相比的优势： 1）降低了生产成本（平均成本降低10%25%）。因成型周期可缩短约50%，降低废品和次品率，使能耗更低。 2）设备投资更省。因大大降低了锁模力要求（约降低30%70%），所需购买的设备和模具更少，更便宜。 3）节约了塑料材料。因塑件质量更低，壁厚可设计得更薄，并可替代部分贵重材料。 4）提高了塑件的精度。因塑件的翘曲变形更小，没有明显的缩痕，制品尺寸稳定性更高。,工艺过程：分单相溶液的形成、均匀的成核作
8、用、泡孔长大以及制品注射成型四个部分。 一、塑料-气体单相溶液的形成 单相溶液：指超临界状态的物理发泡剂均匀扩散到塑料熔体中，并达到热力学平衡状态的塑料熔体。 单相溶液的熔体黏度大大低于塑料本身的黏度，一旦形成便在一定压力下保持，单相溶液是均匀成核作用产生的必要条件。 用于微孔塑料成型的物理发泡剂有水、氩气、氮气和二氧化碳，其中氮气和二氧化碳的应用最为广泛，也是最易得到和使用的物理发泡剂。,6.2 微孔塑料注射成型工艺,一、塑料-气体单相溶液的形成 1、气体的扩散 二氧化碳能很容易地从气态或液态转化为超临界状态，它是最通用的物理发泡剂，而氮气是最便宜的发泡剂。 因两种发泡剂在塑料熔体中的溶解度
9、和扩散速率不同，获得的微孔结构也不同。 选择何种物理发泡剂取决于期望得到的微孔结构，而非发泡剂的使用难易程度或其成本的高低。,一、塑料-气体单相溶液的形成 1、气体的扩散 气体在塑料熔体中的扩散受其扩散系数的影响。 因氮气和二氧化碳在熔体中的扩散速率较接近，即泡核长大速率基本相同。若二者在熔体中的浓度相同，氮气会产生更多泡核，所产生的泡孔会比二氧化碳产生的更小。,一、塑料-气体单相溶液的形成 1、气体的扩散 常温下CO2和N2气体扩散到塑料中需要很长时间。为加快扩散速度，缩短塑料-气体单相溶液的形成时间，必须提高温度和缩短扩散距离。 采用增加塑料和气体两相混合物的剪切扭曲变形的方法，可缩短气体
10、的扩散距离。 气体在不同塑料熔体中的扩散时间与扩散系数有关，扩散系数越大，则扩散时间就越短。 例如：气体在PET中的扩散时间约为1min，在PS、PVC和HDPE中约为1020s，而在LDPE中仅几秒。,一、塑料-气体单相溶液的形成 2、气体在塑料中的溶解度 气体在熔体中的溶解度是温度和压力的函数，可通过降低压力或提高温度的方法来改变气体在熔体中的溶解度，从而突然诱导单相溶液的热力学不稳定。 高压时气体的溶解度会增加，而随着温度的升高，塑料中气体的溶解度会降低。 表6-4：在27.6MPa压力和200温度下， N2和CO2在不同熔体中的溶解度，可见N2在塑料中的溶解度远小于CO2。,3、超临界
11、气体的应用 因气体溶解量是饱和压力的函数，且气体扩散速率有限，为提高气体的溶解度和扩散速率，需要使用超临界的气体。 广泛应用于微孔塑料的流体主要是CO2和N2。其它流体也可作为超临界流体使用，但应用于微孔塑料都存在一定的不足。,4、塑料-气体溶液的物理性能 因气体的溶入导致塑料-气体溶液性质发生变化，随着气体浓度的增加，其玻璃化转变温度和黏度均会降低。 在高气体浓度下，塑料的玻璃化转变温度有可能降到常温以下，利用这一现象可在不加热塑料的条件下进行塑料制品的成型。 例如，当PETG塑料中溶入约11%的CO2气体时，可使其玻璃化转变温度降至常温以下，其片材可在常温下进行吸塑成型，获得泡孔约为20m
12、的微孔塑料制品。 溶解气体与添加液体增塑剂不同，它不是永久性地改变塑料的性能，一旦气体从塑料中溢出，塑料又会恢复其本来性能。 塑料的结晶度会受气体浓度影响，例如，PET的结晶度随CO2气体浓度的升高而增加。,二、泡孔的形成 1、泡孔成核 泡孔成核是形成微孔塑料的关键，泡孔成核可分为均相成核和异相成核两种。 均相成核：它产生在均匀的塑料-气体单相溶液中，其泡孔成核所需的活化能是均匀的。 异相成核：常产生在两种或两种以上材料的界面上，其成核所消耗的能量较低。 当塑料中气体的过饱和度非常大时，则均相成核和异相成核会同时发生。 传统发泡工艺，物理或化学发泡剂要与碳酸钙等粉末共混形成异相成核位置，因颗粒
13、较大且数量有限，形成的泡核有限且不均匀，其泡孔尺寸通常达到几百微米。,二、泡孔的形成 1、泡孔成核 传统发泡工艺因泡孔不是同时成核，其尺寸分布也不均匀，最初成核的泡孔会生长得较大。 微孔塑料成型工艺要求单相溶液经历瞬间变化的不稳定热力学过程，从而发生均匀成核作用。 注射时使熔体压力发生瞬间变化，导致溶解于塑料熔体中的气体瞬间大量析出而形成数以百万计的泡核。 注射时间一般要短到足以产生均匀的成核作用。 高饱和压力下，当发泡温度超过熔点时，导致结晶相转为无定形相，产生大量泡孔成核位置，泡孔数量将急剧增加；当发泡温度低于熔点时，微小的发泡温度变化对泡孔密度和泡孔尺寸没有影响。,二、泡孔的形成 2、泡
14、孔生长 泡孔长大是其抑制力和泡孔内气体压力的函数。 成核一结束，泡孔就开始持续长大，直到熔体完全充满模腔，使泡孔内气体压力与泡孔表面张力和熔体的应力相平衡，泡孔将不再持续长大。 泡孔尺寸：由饱和压力、塑料温度、泡孔内部气体压力决定。 当温度很高时，泡孔扩张力超过熔体的抑制力，泡孔将会破裂而导致开孔结构的形成。 泡孔形状和尺寸对微孔塑料的压缩强度和刚度有明显影响。泡孔近似球形时，其强度和刚度最好；泡孔尺寸小，制品具有更高的抗压能力。,二、泡孔的形成 2、泡孔生长 泡孔平均尺寸和均匀性取决于物料性质、工艺条件和模具的冷却速率。 PP微孔成型工艺：提高注射速度，就能提高泡孔成核密度，得到更好的泡孔结
15、构；加快模具冷却速率，能更快建立起对泡孔长大的抑制力，更能获得细小均匀泡孔的制品，使制品性能保持得更好。,三、微孔注射成型工艺参数控制 1、温度 料筒温度在SCF发泡剂注入点之前部分，与不发泡制品注射工艺设定一样，但在SCF发泡剂注入点之后，温度设定值一般与SCF注入点之前最后一段的温度设定值相同。 高熔融温度塑料或发泡剂用量大时，发泡剂注入点之后的温度可比注入点之前最后一段的温度低1025。 不含填料的半结晶塑料，熔体温度过高可能会使熔体黏度过低，气体容易扩散到料流前峰表面，造成气体损失，对塑件的减重和外观产生不利的影响。 模温设定值一般比不发泡注射成型低。模温对微孔塑料制品外观会有影响，高
16、模温和高料温能使塑件表面达到模具表面的质量。,三、微孔注射成型工艺参数控制 2、注射压力 SCF注入熔体后，熔体的玻璃化转变温度Tg降低，熔体的黏度降低，黏度降低会使注射压力降低。 SCF对熔体黏度的影响取决于材料种类、填料种类及填料用量。 填料种类和用量之所以重要是因为SCF不溶于填料，也不能改变填料的黏度。故含填料的熔体黏度变化没有不含填料熔体的大。 壁厚1.5mm以上的聚烯烃塑件生产时，熔体黏度变化不太明显，因正常情况下聚烯烃的熔体黏度已经很低。,三、微孔注射成型工艺参数控制 2、注射压力 因注射压力减小，模腔压力也会降低，所需的锁模力也就减小，同一设备可生产更大的制品，或相同大小的制品可选更小的注射机。 模腔压力降低，避免了制品产生过大的内应力，减小了塑件的变形。 模腔压力降低还对内嵌件注塑、模内贴标（IML）和模内装饰（IMD）等成型非常有利。,三、微孔注射成型工艺参数控制 3、注射速度 注射速度是影响微孔塑料制品外观的最关键因素。 注射行程在7.525mm时，注射速度可设为2.512.5mm/s 注射速度一般最大不超过75mm/s，注射速度
