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微細發(fā)泡注塑成型工藝與微泡尺寸的關系
微細發(fā)泡注塑件成型技術采用超臨界氣體作為物理發(fā)泡劑，在注塑件件中進行微細發(fā)泡。微泡大小一般在5-100μm之間。氣體通常采用二氧化碳或者氮氣。微細發(fā)泡注塑件成型過程包含四個步驟：1)氣體溶解；2)均勻成核；3)微泡長大；4)產品成型。微細發(fā)泡注塑件成型技術對注塑件模具設計上沒有特別的要求。 而在微細發(fā)泡注塑件成型充模階段，聚合物與氣體形成的單一相熔體，由于壓力從MPP(微細發(fā)泡成形壓力)下降到大氣壓，使氣體析出而形成大量的成核點。這些成核點后來長大成微泡。微泡一直在長大，直到達成新的壓力平衡或者材料被凍結。微泡長大和氣泡密度直接取決于成型工藝，如預注塑件量、熔體溫度、注塑件模具溫度、注塑件壓力、注塑件速率、超臨界液體(SCF)含量等。本文研究了成型工藝和微泡長大的關系。其中著重考慮注塑件時間、注塑件模具溫度、熔體溫度和初始填充量對微泡長大的影響。本文采用數(shù)值模擬作為實驗手段，工藝參數(shù)對微泡長大影響的判斷則采用田口實驗方法來進行，優(yōu)化了注塑件成型工藝，得到較優(yōu)秀的微泡大小分布和結構。在此基礎上，進一步研究各個工藝參數(shù)對微泡長大的影響程度。 1 實驗模型以及優(yōu)化方法 在對微細發(fā)泡注塑件成型過程進行數(shù)值模擬中，所需要提供的初始條件除了傳統(tǒng)注塑件成型分析所需要的工藝參數(shù)外，還要提供以下四個參數(shù)作為邊界值：發(fā)泡開始時塑料預填充量、初始微泡直徑、單位體積內微泡數(shù)量和初始氣體濃度。 1.1 實驗模型 本文以一個平板件為例進行研究，其尺寸為320mm*280mm*2mm，產品模型、澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)如圖1所示。從前人的研究知道，在澆口附近的微泡實際大小與模擬結果誤差較小。所以選擇澆口附近的特征點為參考點，來研究成型工藝參數(shù)對微泡大小的影響。 圖 1: 實驗模型塑料材料采用牌號為HCA-352P的PP料。其主要性能參數(shù)如表1所示。氣體采用氮氣。 表 1: HCA-352P的性能 本文主要對微泡尺寸影響比較大的注塑件模具溫度、熔體溫度、注射時間和初始填充量等參數(shù)進行研究。確定冷卻系統(tǒng)和澆注系統(tǒng)后，根據(jù)材料推薦的參數(shù)和初步模擬結果，選取的各個工藝參數(shù)水平如表2所示。需要指出的是，SCF用量對微泡結構影響很大，本研究中假定SCF用量給定，在此條件下進行工藝優(yōu)化的研究。 除了所研究的四個參數(shù)，其它初始參數(shù)設置成核密度2×10的11次方/立方米，初始的氣體濃度Co＝0.25％，初始泡孔半徑Ro＝1.1×10的負6次方m。 1.2 優(yōu)化方法 本文采用田口實驗設計法作為優(yōu)化方法，根據(jù)參數(shù)和水平的設置，選取四參數(shù)三水平的L9正交表來安排實驗。該正交表如表3所示。使用田口實驗設計法中的變量分析，可以計算出各個工藝參數(shù)對微泡尺寸的影響次序和最優(yōu)的工藝參數(shù)組合。同時對實驗結果進行直觀分析，即計算各工藝參數(shù)在三個水平下的微泡尺寸平均值。在本文中以微泡尺寸作為質量指標，為最小值問題。所以計算公式如下： 式中，m為工藝參數(shù)在某水平下的平均值；n為此水平出現(xiàn)的個數(shù)；y為工藝參數(shù)在此水平下的結果值。然后由各工藝參數(shù)最大平均值和最小平均值之差計算出極差R。根據(jù)極差R值，便可得到工藝參數(shù)對微泡大小的影響。 2 實驗結果 根據(jù)L9正交表來安排模擬實驗，獲取了參考點處的微泡尺寸。模擬實驗的安排／頃序和結果見表3。同時根據(jù)方程(1)，計算了每個工藝參數(shù)在各個水平下的均值。在獲得各個工藝參數(shù)的最大和最小均值的基礎上，計算了極差值， 利用優(yōu)化獲得的工藝參數(shù)組合進行模擬，得到模擬結果如圖2所示。結果顯示微泡的直徑大部分分布在23―27μm之間，且分布均勻，從而微泡的結構得到了優(yōu)化。 2進行分析，工藝參數(shù)對微泡大小的關系。 3 結論 1)從表4中的極差的大小可直觀得出各工藝參數(shù)對微泡尺寸的影響次序由大到小為：熔體溫度、初始填充量、注射時間、注塑件模具溫度。 2)在考察的工藝參數(shù)水平上，對于本文中的模型，最優(yōu)化的工藝參數(shù)組合是注塑件模具溫度10 C、熔體溫度180 C、注射時間1s和初始填充量95％。 3)利用優(yōu)化獲得的工藝參數(shù)組合進行模擬，結果顯示微泡的直徑大都分布在23～27μm之間，且分布均勻，從而微泡的結構得到了優(yōu)化。 4)對于材料PP，在所考察的工藝參數(shù)范圍內，適當?shù)亟档腿垠w溫度和提高初始填充量可以優(yōu)化微細發(fā)泡注塑件制品的微泡尺寸；適當?shù)乜s短注塑件時間和降低注塑件模具溫度也能優(yōu)化微泡尺寸，但是影響不大
