水辅助注射成型技术的发展

newmaker    来源：PT现代塑料

欢迎访问e展厅 展厅 1 注塑机展厅 注塑机, 立式注塑机, 二手注塑机, 真空成型机, 发泡注塑机, ... 摘要：介绍了水辅助注射成型技术的原理，综述了水辅助注射成型技术的研究与应用现状，指出了亟待解决的关键问题，展望了该领域今后的发展方向。 引言 注射成型作为塑料加工中重要的成型方法之一、已发展和运用得相当成熟，随着塑料制品应用得日益广泛，人们对塑料制品在精度、形状、功能和成本等方面提出了更高的要求。因而在传统注射成型技术的基础上，又发展出了一些新的注射成型工艺，如气体辅助注射、多点进料注射、层状注射、熔芯注射、低压注射等，以满足不同领域的需求。水辅助注射成型作为一种制造中空制品或部分中空制品的方法，目前已成为注射成型技术一个新的研究方向，并正在向商品化方向发展。 水辅助注射成型的工作原理 从20世纪70年代初期，以减少翘曲、避免凹痕和降低原料消耗为目的而发展起来的气体辅助注射成型就已被提出并逐步得到应用。在具有大面积加筋制品的生产和既有薄壁区又有厚壁区制品的生产中使用气体辅助注射成型技术，正呈现一种增长的趋势。其基本原理是成型时首先向型腔注射经准确计量的熔体，然后经过特殊的喷嘴往熔体中注人气体(一般为氮气)，气体推动—熔体前进以产生中空形状的制品。充模结束后，熔体内气体的压力保持不变或者有所升高进行保压补料，冷却后排去熔体内的气体，制品便可脱模。气体辅助注射的优点是一方面气体压力能均匀地散布于型腔内从而可以改善制品的质量，另一方面则由于气体流动产生的中空结沟来增加制品的强度。但是由于气体辅助注射成型所需要的高压设备及高压氮气昂贵，使得生产成本也提高。近年来，随着科技的发展，利用注射液体，如水，形成中空制品的成型技术应运而生。 水辅助注射成型过程是利用增压器或空气压缩机产生高压水，经过活塞式的喷嘴将高压水注射到已经部分预充填熔体的型腔内，利用水的压力将熔体往前推而充满型腔：以水不会蒸发的这种方式进行注射，水的前沿象一个位移柱塞那样作用在制品的熔融芯上，从水的前沿到熔体的过渡段，固化了一层很薄的塑料膜，它象一个高粘度的型芯，进一步推动聚合物熔体前进：待熔体冷却完成后，利用压缩空气将水从制品中压出，然后将制品顶出，形成中空的成型制品。利用在高速的熔体流动过程水不会蒸发的这种特性，配合完善的工艺控制手段将水的优点完全展现出来，并且确保水的循环利用 。与气体辅助注射成型相比，水辅助注射成型具有以下特点： (1)水辅助注射成型带来的一大优点就是直接冷却制品的内部。而气体辅助注射成型伴随着较大的残留壁厚和熔体发泡的危险，为了避免发泡，气体的保压B~ f间或者气体的压力释放时间被迫延长，这也增加了冷却Bf间。而水的导热性是气体的40倍，比热容是气体的4倍。由于水辅助注射成型的这种冷却能力，冷却时间能被减少到气体辅助注射成型的25%。 (2)水和气体的最大不同在于气体是可以压缩的，而水却不可以，这样水辅助注射成型就可以承受较高的注射压力。且气体能与聚合物混合，容易逸出，所以气体辅助成型工作压力一般是300～2500psi，而水辅助成型一般的工作压力在4350psi，一般来说，较厚和较长的制品更适合水辅助注射成型技术。 (3)气体能与聚合物混合，但当气体再次渗出的时候制品的内表面会变得很粗糙。同时气体不像水，它能在制品内分流成很小的支流，造成了不受欢迎的指状效应;同时气体运动的不可预见性造成了壁厚很难控制，而水可以使壁厚均匀且具有可重复性。水辅助注射成型技术不但能生产出均匀的薄壁制品，从而节省了材料，拓展了注射成型的应用范围，而且水辅助注射成型能够在零件的内部产生平滑的内表面，这是气体注射成型技术很难达到的，也使注射成型相对于吹塑成型有了更强的竞争力。 (4)由于水辅助注射成型利用水当介质，取得较容易也较氮气便宜，且可循环使用，因此可以降低生产成本。 所以水辅助注射成型可以在更短的成型周期下，减少制品壁厚及减少残留的壁厚，对于大件且较薄的制品可使用较均匀而且较低的压力即可成型。适于成型诸如管状的零件、汽车油管和其他流体系统、把手、行李架、汽车上的仪表盘、缓冲器、门把手、离合器以及驾驶杆支持架，其他的产品包括婴儿的学步器、厨房器具的把手、办公家具、户外活动设备、托架等器具。 水辅助注射成型工艺方法 目前，水辅助注射成型技术主要有4种方法，其工艺步骤与气体注射成型技术相似，不同之处在于熔体的注入，水的引入，用重力或空气排出水的方式，如图1所示。 (1)欠注法(Short shot)：其工艺过程是首先将塑料熔体部分注入模具型腔，其次是水的注入，然后再注入剩余熔体，推动塑料熔体到达型腔的末端并进行保压。通过各种阀门控制来自注射单元的熔体和来自注水孔的水的流动。排水阀打开使水可以排出制品之外，一个安装在型腔末端或附近的阀门可以方便压缩空气排 这种方法被认为是制造较厚零件的好方法。此法没有废料，水的入口和出口可以是同一个口。这种方法的缺点是要求必须精确控制：如果先期注入的熔体太少，可能导致水会冲破熔体进入模具型腔;水的注射压力必须比熔体的注射压力大，这样才能把熔体推到型腔末端;熔体注射和水注射的阀门会在制品上留下痕迹，难以得到优质表面。另外熔体在最后容易形成一个可能延长成型周期的较厚截面。;(2)反推法(Pushback)：首先将熔体完全充满型′腔，其次打开设在熔体流动末端的注水孔，水把那些过多的熔体反推回注射单元的头部空间里。这种方法的优点是没有废料，能得到优质表面。至于缺点，它需要一个特别的喷嘴和一个止逆环，用来调解返回的材料进入注射单元。用户应该特别小心别让水渗透到注射单元的顶部空间(这对吸湿性材料，如尼龙，是一个很大的问题)。工艺过程的每一阶段都必须在压力控制下，得到稳定的和可知的熔体返回量。返回熔体的压力和温度可能与一直在料筒内的熔体不同，会引起工艺的变化，这样会影响下个注射过程。该方法需要独立的空气和水传送系统。 (3)溢流法(Ovemow)：首先模具的型腔被熔体完全充满并由一个阀门封闭。然后一个独立的注水孔开启，同时在型腔末端的阀门开启，从而开设一条由主型腔到辅助型腔或称为溢流腔的路径。推进到副型腔的熔体被新来的水所取代，溢流腔阀门关闭进行保压。水通过重力或蒸发被排出。 这种方法据报道可以得到优质表面。这种方法和传统的成型方法很接近，也比欠注法需要的水压低很多。不足之处是溢流腔的凝料不得不回收使用，还需要通过剪切将凝料与制品分开。 (4)流动法( Flow process)：这是一种把欠注法和溢流法结合起来的方法。由于水快速通过制品，从而提高了冷却效果。型腔被熔体部分地填充，然后水就被注入，把熔体推进型腔末端。在末端设了一个特殊的阀门，水会突破熔体，通过阀门进入水循环系统再循环。这种方法的优点是节省材料和冷却效率高。缺点是在制品的顶部有缺陷，而且低压能引起水在模具内表面和制品外表面的渗出。 水辅助注射成型的一个共同特点就是需要清除水。在某些场合重力会起到一定的作用。但一些供应商提倡水辅助注射系统和气体辅助注射系统的融合。Alliance气体系统公司的水辅助注射系统包括一个加压的气体清除装置，整个水的注射和清除过程只会在几秒钟之内。 水辅助注射成型发展历程 早在~0世纪70年代初，就有人提出将流体(水、油等)注射到熔化聚合物中形成中空的概念，这就是后来称之为水辅助注射成型的技术。但是，这种技术由于气体辅助注射成型的出现和广泛应用而被搁置一旁∵近年来，由于气体辅助注射成型技术使用中暴露出的一些不足，人们又转而对水辅助注射成型技术的研究工作发生兴趣。目前这一技术的研发工作进步很大，并己得到商用。 据有关资料[41介绍水辅助注射成型技术的首次商业应用是德国Herford的Sulo GmbH公司制造的全塑购物车。这个项目开始于1998年，它用到了Schulman公司的PP材料和PME(Project Management Engineering)公司◇水辅助注射成型技术，来成型一个有三条直径为20—60mm，长为800—1500mm水道的制品。这个PP材料的购物车原来用气体辅助注射成型周期需要280s，而用水辅助注射成型只要68so 此外，在欧洲有许多国家的公司企业和研究机构也开展了有关水辅助注射成型技术的研发工作，如奥地利的Engd公司、Battenfeld公司，德国的Ferromatik公司，以及著名的德国亚琛理工大学(R~ Aachen)的塑料fJn工学院(IKV)等。在缩短成型周期和改进工艺方法方面取得了一些成绩，并应用到实际生产。2001年在德国Dusseldorf举行的展览会上，水辅助注射成型技术引起不小的轰动。 在IKV，一种由两种材料构成的球拍被制作出来。这是—个三次注射工艺：两种材料和水。水的流动分割出球拍的框架，第一次注射是用含20%玻璃纤维的PP材料成型手柄和框架，第二次注射是用来成型没有填充物的伴材料的网，第三次注射是用来向框架内注水。不可压缩的水在PP注射生成网时，对中空的框架起支撑作用。 德国的PME公司分别用气体和水辅助注射成型技术制造出材料为玻璃纤维填充尼龙的细管，内径6-8mm，而用前者制造的制品壁厚是后者制造的2—3倍。在2001年，PME公司有12个水辅助注射成型系统实现商业化运行。Pi\lE公司还在为德国宝马(~M~)汽车公司做一种尝贰，试图把汽车上各种管路的生产由气体辅助注射成型转换成水辅助注射成型。5水辅助注射成型技术关键问题 利用现有的对气体辅助注射成型所积累的经验，来建立水辅助注射成型技术和相关模具设计方法，以及了解水辅助注射成型的可行性及局限性和成型质量，并与传统注射成型以及气体辅助注射成型做一比较，以建立完整的具有指导意义的理论和技术资料，使水辅助注射成型技术得到快速发展和应用，正是各国科学家的努力方向。目前，由于水辅助注射成型技术还是一项新兴的技术，如下的关键问题亟待解决： (1)如何确定合适的水温、水压、流速以及熔体内部水的流动对树脂结晶化的淬火和制品性能的影响。 (2)在注水前，注射压力和工艺方法在各个方面者P是不变的，这就提出了怎么样注水和在哪注水的问题以及怎样把水排出去，用什么相关的设备和控制技术来完成等问题。其他问题集中在注水孔和阀门的设计以及模具的调整方面，特别是水的密封问题。这也是水辅助注射成型不会很快取代气体辅助成型的原因所在。 (3)水辅助注射成型技术适应性的研究。需要利用各种不同高分子材料(含玻璃纤维和不含玻璃纤维以及其他微纳米添加剂等)对其工艺特性、结构特性、质量(力学性能、表面质量等)的基础研究、控制系统进行系统性的研究，以获得必要的技术资料。 结论 水辅助注射成型是近几年新兴发展起来的注射成型技术，因此相关的研究与文献资料都相当有限，在整个设备的建立上几乎都没有完整的参考资料。但是从其与气体辅助注射成型相比较可以看到，水辅助注射成型在未来将有更广阔的应用领域。因此在现有条件下，充分利用已有的气体辅助注射成型工艺研究基础开展有关水辅助注射成型研究，不仅能填补国内空白，而且也可参与国际的科研竞争，促进其商品化进程。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (1/19/2007)