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微发泡技术：提高性能，降低成本 |
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作者：赫斯基注塑系统(上海)有限公司 陈本健 来源：PT现代塑料 |
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工艺介绍
MuCell微发泡成型工艺主要是依靠气泡的成长来填充产品，因此其成型过程是在较低而平均的压力下进行的。由于不像传统注塑成型那样需要机器的不断保压，因此产品的内应力大大减小，不同位置的收缩也变得非常均匀。微发泡注塑成型技术在保证制品性能基本不降低的基础上，可以明显减轻制件的重量，并且制件的内应力小、不易产生表面缺陷。对于壁厚差异较大的制品，还具有特殊成型的优越性。该技术与常规的注塑、结构发泡注塑、化学发泡注塑以及气辅注塑相比较，在多个方面都独具优势，成为近年来注塑技术发展的一个重要方向。
微泡形成过程
从理论上说，几乎目前所有的非结构性塑料制品和一部分结构性塑料制品都可以采用微发泡工艺注塑成型。但考虑到市场需求及经济性等因素，目前美国、日本等国家所开发的微发泡注塑制品主要集中在汽车、电子电器及医用等领域，如汽车进气歧管、仪表板、发动机罩、保险盒、电器开关及医用注射器等。
图1 微泡形成过程
发泡体的结构
微发泡成型过程可分为3个阶段，首先是将超临界流体（主要是CO2和N2）溶解到聚合物中，并形成聚合物/气体的单相溶液；然后，通过温度或压力等条件，引发体系的热力学特征出现不稳定性，使得气体在溶液中的溶解度下降；由于气体平衡浓度的降低，在聚合物基体中形成大量的气泡核，然后逐渐长大生成微小的孔洞（泡孔尺寸从小于1um到几十um）。
图2 发泡体的结构
Mucell 工艺流程
1997年，在与麻省理工学院合作的基础上，Trexel公司率先开始了微发泡注塑成型技术的产业化研究。其第一台用于研究的注塑机是Engel的150t螺杆和活塞式注塑机，后来采用了往复螺杆式注塑机。直到2000年，Trexel公司在NPE上首次推出其微发泡注塑成型的商业产品。与此同时，许多日本、欧洲和韩国公司也一直致力于微发泡注塑成型工艺的开发。目前，以Trexel公司的“Mucell®”为代表的以超临界流体制备聚合物微发泡材料技术，已经得到了业内广泛的认可，许多世界知名的注塑设备和原料厂商都购买了这种技术的专利使用权，包括Arbug、Demag、Engel、Milacron、Husky、KraussMaffei、Battenfeld、Dupont、JSW及Toshiba等。
加工实例
克服注塑部件翘曲的传统方法是延长注塑和保压时间，但是这样会使生产效率大大降低。而采用MuCell技术则不会发生翘曲。微孔发泡的结构使部件不仅在生产时非常平整，而且在热处理后也能保持平整。许多应用均表现出了这一优点，例如，采用模内装饰的玻纤增强ABS仪表板部件通过MuCell技术有效地消除了IMD产品注塑中极易出现的“冲膜”和“渗边”的现象，并解决了缩水痕问题，提高了尺寸稳定性和平直度，从而大大减少了不良率。同时，所需要的锁模力也从250t下降到了75t。另外，由于均匀的收缩令产品的尺寸异常稳定，所以减少了模具在设计和制作过程中的修改次数，从而加快了模具的开发速度。
另一个例子是，在100齿无填充POM正齿轮的MuCell注塑过程中，均匀的收缩令微发泡的齿轮的圆度和同心度大大提高（一般可以将AGMA提升1~2个级数），从而大大提升了齿轮的精度。另外，与普通注塑成型相比，该齿轮的加工周期可被缩短20％。这是因为MuCell技术可使材料在模具温度和熔体粘度较低的情况下实现相同的结晶度，从而有利于优化注塑周期。
图3 Mucell 工艺流程
特点及优势
1.与常规注塑成型比较
通过对国外现有的采用Trexel公司专利的微发泡注塑成型技术进行分析及与相关的数据比较可以看出，与常规的模塑制品相比，除去购买许可证和增加设备的投资以外，微发泡模塑制品的平均成本可降低16%~20%。而这主要通过以下4个方面来实现。
（1）微发泡注塑周期可减少50%，从而降低了加工成本。同时注塑制品的下脚料比例降低，设备的能耗也更低。
（2）对于相同类型的制品，微发泡注塑工艺可以使用更小和更少的机器，而且模具成本更低，从而降低了投资成本。
（3）由于微发泡注塑制品的密度降低，因此可以设计具有更薄壁结构的制品，以降低制品的材料成本。
（4）由于减小或消除了常规模塑在合模和保压过程中产生的模内应力，因此微发泡注塑可以制备更平、更直和尺寸精度更高的制品，从而为制品的品质和价格提升提供了更大空间。
图4 采用模内装饰的玻纤增强ABS仪表板部件
2.与其他特殊的注塑技术的比较
其他的多种特殊注塑成型工艺也使用或涉及气体或发泡剂，这些工艺主要有：结构发泡注塑、气体辅助注塑和化学发泡成型。
图5 100齿无填充POM正齿轮
（1）结构发泡注塑。结构发泡注塑通常用于成型较大的制品，最常见的是采用特殊的低压注塑机加工高密度聚乙烯（HDPE），可使其制品重量减轻10%或更多。微发泡注塑在某些方面比结构发泡注塑更有优势，如对于大多数材料，包括常用的工程塑料而言，材料的减少和注塑循环时间的缩短更加显著。微发泡注塑能够同时成型具有薄壁和厚壁的结构，因此可使制品设计的灵活性更大。但对于具有大长厚比的制品和厚壁（大于6mm）制品则没有太多优势。
（2）气体辅助注塑。气体辅助注塑可以成型表面质量非常高的制品，特别是厚壁制品。通过对模具和制品进行特殊设计，可在厚壁制品的内部形成空腔。而微发泡对于厚壁制品的成型没有优势，而且其制品的表面质量也往往无法达到要求。不过，气体辅助注塑通常只用于消除制品的收缩痕，因此从这方面来说，微发泡注塑可能是一个更好的选择，因为它能够更多地减轻制品重量，以更短的循环时间成型，并且制品翘曲较少，同时也能够消除收缩痕。
（3）化学发泡成型。化学发泡剂在特定的温度下分解而产生气体发泡剂。不同类型的发泡剂适用于不同温度下的分解发泡。其通常用于厚壁制品成型以消除收缩痕，同时也可以降低制品密度。但对于薄壁制品来说，使用化学发泡剂会使表面质量劣化，同时显著降低其力学性能。而且，从经济性角度出发，化学发泡不能大幅降低密度，而这正是微发泡注塑的优势所在。另外，许多吸热型的化学发泡剂会生成水（也产生CO2气体），因此需要添加吸水剂以防止由于水的存在而造成聚合物熔体的降解。气体发泡剂生产批号的不同，可导致加工者在生产过程中不得不随时调整生产工艺。此外，由于化学发泡剂本质上的热稳定性不佳，因而很难用于加工高温型树脂。化学发泡剂通常会在树脂中有所残留或产生副产品，这通常会使制品的耐老化性能降低，并可能导致模具排气孔堵塞。同时，其加工过程中产生的下脚料很难就地回收使用。
当然，微发泡注塑成型技术也并非完美无缺，对于要求透明性强和表面质量非常高的制品，需要慎重采用微发泡注塑成型技术。
结语
微发泡注塑制品的主要特点是，在基本保持制品原有力学性能的基础上减轻重量。同时制品内部几乎没有任何残余应力，使制品的翘曲和变形可以得到很好的抑制。由于能有效地防止收缩痕，因此对制品壁厚均匀度的要求大大降低，从而为制品设计提供了更大的空间。
另外，微发泡技术在降低生产成本方面的表现也非常出色，这对于当前处于困境的汽车业来说，无疑具有重大的意义。(end)
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(9/15/2009) |
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