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微細(xì)發(fā)泡注塑成型工藝與微泡尺寸的關(guān)系
微細(xì)發(fā)泡注塑件成型技術(shù)采用超臨界氣體作為物理發(fā)泡劑，在注塑件件中進(jìn)行微細(xì)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?dú)?。微?xì)發(fā)泡注塑件成型過程包含四個(gè)步驟：1)氣體溶解；2)均勻成核；3)微泡長大；4)產(chǎn)品成型。微細(xì)發(fā)泡注塑件成型技術(shù)對注塑件模具設(shè)計(jì)上沒有特別的要求。 而在微細(xì)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(xì)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(diǎn)。這些成核點(diǎn)后來長大成微泡。微泡一直在長大，直到達(dá)成新的壓力平衡或者材料被凍結(jié)。微泡長大和氣泡密度直接取決于成型工藝，如預(yù)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(guān)系。其中著重考慮注塑件時(shí)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(shí)驗(yàn)手段，工藝參數(shù)對微泡長大影響的判斷則采用田口實(shí)驗(yàn)方法來進(jìn)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(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究各個(gè)工藝參數(shù)對微泡長大的影響程度。 1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵约皟?yōu)化方法 在對微細(xì)發(fā)泡注塑件成型過程進(jìn)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(gè)參數(shù)作為邊界值：發(fā)泡開始時(shí)塑料預(yù)填充量、初始微泡直徑、單位體積內(nèi)微泡數(shù)量和初始?xì)怏w濃度。 1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?本文以一個(gè)平板件為例進(jìn)行研究，其尺寸為320mm*280mm*2mm，產(chǎn)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(shí)際大小與模擬結(jié)果誤差較小。所以選擇澆口附近的特征點(diǎn)為參考點(diǎn)，來研究成型工藝參數(shù)對微泡大小的影響。 圖 1: 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ退芰喜牧喜捎门铺枮镠CA-352P的PP料。其主要性能參數(shù)如表1所示。氣體采用氮?dú)狻?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(shí)間和初始填充量等參數(shù)進(jìn)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(jié)果，選取的各個(gè)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(jié)構(gòu)影響很大，本研究中假定SCF用量給定，在此條件下進(jìn)行工藝優(yōu)化的研究。 除了所研究的四個(gè)參數(shù)，其它初始參數(shù)設(shè)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(fù)6次方m。 1.2 優(yōu)化方法 本文采用田口實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)法作為優(yōu)化方法，根據(jù)參數(shù)和水平的設(shè)置，選取四參數(shù)三水平的L9正交表來安排實(shí)驗(yàn)。該正交表如表3所示。使用田口實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)法中的變量分析，可以計(jì)算出各個(gè)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(shí)對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行直觀分析，即計(jì)算各工藝參數(shù)在三個(gè)水平下的微泡尺寸平均值。在本文中以微泡尺寸作為質(zhì)量指標(biāo)，為最小值問題。所以計(jì)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(gè)數(shù)；y為工藝參數(shù)在此水平下的結(jié)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(jì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果 根據(jù)L9正交表來安排模擬實(shí)驗(yàn)，獲取了參考點(diǎn)處的微泡尺寸。模擬實(shí)驗(yàn)的安排／頃序和結(jié)果見表3。同時(shí)根據(jù)方程(1)，計(jì)算了每個(gè)工藝參數(shù)在各個(gè)水平下的均值。在獲得各個(gè)工藝參數(shù)的最大和最小均值的基礎(chǔ)上，計(jì)算了極差值， 利用優(yōu)化獲得的工藝參數(shù)組合進(jìn)行模擬，得到模擬結(jié)果如圖2所示。結(jié)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(jié)構(gòu)得到了優(yōu)化。 2進(jìn)行分析，工藝參數(shù)對微泡大小的關(guān)系。 3 結(jié)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(shí)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(shí)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(jìn)行模擬，結(jié)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(jié)構(gòu)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(nèi)，適當(dāng)?shù)亟档腿垠w溫度和提高初始填充量可以優(yōu)化微細(xì)發(fā)泡注塑件制品的微泡尺寸；適當(dāng)?shù)乜s短注塑件時(shí)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
