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江苏PP物理发泡定制

发布时间:2024-02-24 01:05:42
江苏PP物理发泡定制

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摘要:长玻纤增强聚丙烯材料(PP-LGF)作为一种轻质高强的复合材料,在满足汽车零部件性能的同时,对零部件减重具有明显贡献,目前在汽车零部件应用上备受青睐。文章主要介绍了PP-LGF在汽车仪表板轻量化方面的应用和发展现状,详细介绍了薄壁注塑、物理发泡、化学发泡三种成型工艺实现仪表板轻量化的技术概况,并展望了PP-LGF在仪表板上的应用前景。聚丙烯微孔发泡近年来,随着我国经济的不断发展,汽车工业也得到了快速发展。然而,由此引发的环境问题也日益严重,通过汽车轻量化来降低油耗从而降低环境污染,已经成为汽车行业的研究热点,其中,使用质量更轻的非金属材料替代传统金属材料的研究在近年来也取得了较大进展。运用复合材料来部分取代车身结构件及内、外饰装饰件是汽车轻量化的一种行之有效的方法。在众多的复合材料中,长玻纤增强聚丙烯材料(PP-LGF)以其低廉的价格、优良的力学性能和环境友好性而获得更多的青睐。与短玻纤增强聚丙烯材料(PP-SGF)相比,PPLGF在强度、刚度、翘曲度、耐疲劳、缺口冲击强度和尺寸稳定性等方面更具优势,因此,使用PP-LGF生产的汽车零部件可进一步实现重量及成本的降低。1 长玻纤增强聚丙烯材料性能特点长玻纤增强聚丙烯材料的制备工艺主要分为5种,即熔融浸渍、溶液浸渍、粉末浸渍、纤维混编工艺以及薄膜叠层工艺,而在汽车零部件领域主要应用的为熔融浸渍法。熔融浸渍法生产的PP-LGF粒子的长度一般为8mm~15mm,其中玻纤的含量可达20%~60%,粒子中玻纤的保留长度可达1mm~3mm,如图1所示,相较于玻纤保留长度仅为0.2mm~0.4mm的PP-SGF材料,PPLGF因其内部纤维构成的三维网络结构,可保证产品具有更优的力学性能、抗冲击性能、耐蠕变性能等特点,更加适合应用于汽车领域对结构性能要求较高的零部件。此外,随着纤维含量的增加,PP-LGF的性能也随之提高。长玻纤增强聚丙烯材料在仪表板上的应用仪表板是汽车内饰中的重要部件,为提升汽车内饰的感知质量,中、高档车型普遍会采用软质仪表板,即在仪表板骨架表面增加软质表皮层。仪表板骨架作为仪表板系统的主体部件,同时也是电器件和其他功能件的承载结构,因此要求其具有高强度及高刚性,目前在仪表板骨架上使用为广泛的为PP材料,采用相同密度的PP-LGF材料替代传统PP材料,在满足相关性能的同时,可提升仪表板吸能性能,同时可将现有仪表板骨架的设计厚度由3mm~3.5mm降低到1.8mm~2.5mm,从而降低仪表板骨架重量,推动汽车内饰轻量化。以下将从PP-LGF应用于仪表板上的薄壁注塑、物理发泡、化学发泡三种成型工艺方面,介绍PP-LGF在仪表板轻量化方面的应用。 2.1 薄壁注塑薄壁注塑工艺是直接将产品壁厚减薄,在模具中进行加工的一种成型方法,与传统PP材料注塑的3mm~3.5mm壁厚的仪表板骨架相比,PP-LGF材料运用薄壁注塑工艺制造的仪表板骨架产品壁厚一般为2.5mm左右,整体减重可达约25%。该工艺的投入成本较低,重量优势明显。目前,该工艺在国内和国外合资品牌中,如吉利、大众、上汽、福特等均有应用,一般选择PPLGF20材料,设计的产品壁厚一般为2.2mm~2.5mm。然而,薄壁注塑工艺也存在两点问题,首先是该工艺的模具成本较高,使用薄壁注塑,成型模具需要采用热流道设计,热流道模具的成本要比普通注塑工艺的模具成本高。其次,注塑工艺管控和注塑精度要求高,因为PP-LGF中长玻纤分布的各向异性,采用PP-LGF材料的薄壁注塑产品翘曲变形较为严重,尺寸稳定性较差。2.2 物理发泡物理发泡工艺又称为MuCell 工艺,它是以热塑性材料为基体,通过将超临界流体(二氧化碳或氮气) 溶解到热熔胶中形成单相溶体,并保持在高压力下,然后,通过开关式射嘴射进温度和压力较低的模具型腔,由于温度和压力降低引发分子的不稳定性从而在产品内部形成从十到几十微米不等的封闭气泡微孔[4-5],该项技术早期由麻省理工学院发明,1995年由美国Trexel公司将技术实现全球商品化。MuCell 工艺优势为成型周期短、产品尺寸稳定性好、翘曲低、产品轻量化和工艺适用性广。MuCell工艺使用超临界流体,可有效降低PP-LGF材料黏度, 提高熔体流动性。泡孔成长压力代替传统注塑中的保压阶段,缩短成型周期,同时,可使压力分布均匀,有效降低PPLGF产品内应力,降低因长玻纤各项异性导致的产品翘曲,增加产品的尺寸稳定性。另外,泡孔填充可有效避免产品表面缩痕,微孔结构扩充,降低材料密度,产品重量减轻,较同材质实体,重量可降低5%~10%。目前,福特新蒙迪欧在仪表板骨架上应用了该工艺,骨架产品设计壁厚2.4mm,相较于实心材料重量降低了10%,此外,长城和大众也有应用于此项技术。MuCell 工艺的缺点是一次性投入高,工艺难度大,同时相关研究表明,使用该工艺对仪表板减重比控制在3%~8%时,产品性能会下降10%左右,基本满足性能要求,减重超过8%,机械性能和耐热老化性能急剧下降,不能满足要求。若使用MuCell 工艺推荐减重比为3%~5%。2.3 化学发泡化学发泡工艺包括模内发泡工艺和二次开模发泡工艺(core-back),二者均是在注塑过程中,利用塑料粒子中加入的碳酸氢钠和碳酸铵类的无机发泡剂,受热分解产生的二氧化碳等气体,使产品形成微孔发泡结构,以降低材料密度,减轻产品重量。其中,core-back工艺因使用了二次开模,相较于模内化学发泡,发泡的倍率更高,产品中形成的泡孔数量更多,产品的减重比更大。一般来说,模内化学发泡的减重比相比于实心材料在5%~8%左右,而core-back工艺可高达30%~50%,具体根据退模行程决定。同物理发泡工艺一样,化学发泡工艺可在PP-LGF材料应用减重的同时,减少产品翘曲变形,提升产品稳定性,而且二次开模发泡工艺能够适用于做外观件。目前,宝马5系已在仪表板骨架上应用了PP-LGF的core-back工艺,产品壁厚由初始1.8mm左右发泡到3.8mm,重量降低了约40%,此外大众的部分车型也已使用模内化学发泡工艺。core-back工艺的缺点是发泡剂较贵,开模的周期较长,模具成本也比模内发泡模具高,而且该工艺的技术难度较高,后期调试周期较长,产品的综合成本较高。模内发泡工艺的缺点是发泡剂较贵,产品的减重效果不是特别明显,减重效果低于薄壁注塑工艺,物理发泡工艺和core-back工艺。

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弹性体材料是指在受到外力或变形时,能够恢复原状或者接近原状的材料。其最基本的特性就是弹性,即在受到一定的外力作用后能够发生弹性变形,然后在去除外力后能够自动恢复原状的能力。因此,弹性体材料在工业制造、机械制造和航天、军事等领域中扮演着重要的角色。 弹性体材料最典型的代表就是橡胶。橡胶具有较高的弹性和机械强度,具有良好的抗拉、抗压、抗撕裂和耐磨性能,适用于制作各种密封圈、弹簧、橡胶管等重要的机械零部件。除了橡胶之外,还有许多其他的弹性体材料,例如聚合物材料、弹性泡沫等,这些材料都具有广泛的应用领域。由于弹性体材料具有良好的柔韧性和粘性,因此可以用于制作各种居家用品、文具用品、玩具等。此外,弹性体材料还可以用于医疗领域中,例如制作假肢和支架等医疗器械。在军事领域中,弹性体材料可以用于制造坦克履带、防弹衣和车胎等军事装备,具有重要的战略意义。弹性体材料是现代工业领域中不可缺少的一种材料,其广泛应用于制造、机械、医疗、军事等领域,为推动经济发展和技术进步做出了巨大贡献。随着新技术和新材料的不断涌现,相信弹性体材料的应用领域将会更加广泛。 TPU材料(热塑性聚氨酯)是一种由聚醚或聚酯多元醇和二异氰酸酯组成的热塑性弹性体。它具有优异的弹性、耐磨性、耐油性、耐化学性、耐氧化性和良好的加工性能。由于其优异的物理和化学性质,TPU材料被广泛应用于汽车、运动鞋、电子产品、医疗器械、玩具、建筑材料等领域。 POE材料是一种烯烃共聚物,其含量一般在20~50%之间。其优异的物理性质包括良好的伸展性、回弹性、耐磨性、耐撕裂性、防水性和耐气候性等。此外,POE材料还具有良好的化学稳定性,可以在宽广的温度和化学介质条件下使用。这些性质使得POE材料在各种应用领域中具有广泛的应用前景。其次,POE材料的制备方法分为物理法和化学法两类。物理法主要是采用熔融混合或混合方式将多种材料混合熔融后制成,而化学法主要是采用聚合反应将不同单体聚合成共聚物。POE材料的物理和化学制备方法各有优缺点,具体制备方法应根据具体的应用要求而定。 TPEE材料(热塑性聚酯弹性体)是一种由聚酯多元醇、二酸和丁二酸酯组成的热塑性弹性体。它具有良好的弹性、耐磨性、耐油性、耐化学性、耐氧化性和耐高温性能。由于其优异的性能,TPEE材料被广泛应用于汽车、电气电子、医疗器械、玩具、运动器材等领域。 弹性体材料的制造工艺十分多样,其中最常见的方式就是热压模塑和挤出成型。在这些制造过程中,需要考虑材料的成型条件、工艺参数和结构设计等因素,以确保材料具有足够的弹性和机械性能。随着现代工业技术的不断发展,在弹性体制造领域中也出现了许多新的制造技术和新材料,例如反应注塑、液相硅胶等,这些新技术和新材料大大拓宽了弹性体材料的应用领域。

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随着汽车工业的蓬勃发展,制造汽车的各种原材料也迅速发展和更新换代,越来越多的汽车零部件开始采用改性塑料替代金属制件。塑料在汽车上的应用已有近50年的历史,目前汽车用改性塑料的使用量已成为衡量汽车设计和制造水平高低的一个重要标志,塑料饰件的大量应用,促进了汽车的减重节能,提高了汽车的美观舒适度。PP以密度小、性价比高、具有优异的耐热性能、耐化学药品腐蚀性、刚性、易于成型加工和回收利用等特性在汽车上得到了广泛的应用。近来更是有把汽车内饰和外装材料统一到PP系列材料的趋势。由于高性能基础树脂的开发生产周期长、投资巨大、技术要求高,且需要高精尖的集成先进综合技术,所以对现有PP树脂需要进行更广泛、更有效、更经济、更实用的改性。延伸性、机械的强度和抗断裂性无机填料和弹性体增韧增强改性PP主要是“三高”。是由 PP树脂、三元乙丙橡胶(EPDM)和乙烯-辛烯共聚物(POE)等增韧弹性体及滑石粉、碳酸钙等无机填料的复合物,其主要用于汽车保险杠的注射成型,且改性PP保险杠具有成本低、质轻、易涂装、可循环使用等优点。滑石粉填充改性PP材料具有高刚性、低热膨胀系数和低收缩率,且其抗化学腐蚀性能强,尤其是经表面处理的滑石粉填充PP可有效改善PP的冲击性能,提高材料的模量和热变形温度。聚丙烯微孔发泡玻璃纤维增强改性PP玻璃纤维增强改性PP材料尤其是LGFPP材料在汽车部件上的研究与应用(如在前端模块、仪表板骨架、车门模块等典型部件的应用)是多年来的研究热点之一。LGFPP制品指含有长度为10~25mm的玻璃纤维改性的PP复合材料经过注塑等工艺形成的三维结构。10~25mm的长玻璃纤维增强聚合物相比普通4~7mm的短玻璃纤维增强聚合物具有更高的强度、刚度、韧性,以及尺寸稳定性好、翘曲度低等优势。此外,LGFPP材料比短玻璃纤维增强PP(GFPP)有着更好的抗蠕变性能,即使经受100℃的高温也不会产生明显的蠕变。与金属材料和热固性复合材料相比,LG-FPP的密度低,相同部件的质量可减轻20%~50%;LGFPP能为设计人员提供更大的设计灵活性,可成型形状复杂的部件、提高集成汽车零部件的能力、节约模具成本(一般长玻璃纤维增强聚合物注塑模具的成本约为金属冲压模具成本的20%)、减少能耗(长玻璃纤维增强聚合物的生产能耗仅为钢制品的60%~80%,铝制品的35%~50%)、简化装配工序。汽车部件用矿物纤维增强PP的新产品,具有强度高、热膨胀系数低、耐高温、阻燃性能好、低浮纤、低翘曲、低收缩 等特点。发泡改性PPPP发泡材料是通过提高PP的熔体强度,从而提高发泡倍率而制成的低密度物质,其具有质轻、耐热、耐高温等优点。随着汽车轻量化的发展,选用PP发泡材料已成为汽车减重的重要途径,目前其在汽车内饰上的应用也越来越多,其中PP发泡材料在各种汽车上的使用占比为轿车占45%,卡车、工程机械车占20% ,客车、商务车占35%。汽车用PP发泡材料主要为化学微发泡材料,因为普通微发泡PP制品的表观质量很不理想,仅适合于需要表面覆皮的高端车,不仅增加了制造成本,也限制了PP发泡材料的推广和应用;而化学微孔发泡是以热塑性材料为基体,化学发泡剂为气源,通过自锁工艺使得气体形成超临界状态,注入模腔后气体在扩散内压的作用下,使制品中间分布着直径从十几到几十微米的封闭微孔泡,且其理想的泡孔直径应 <50μm ,但目前国内行业实际生产的微发泡PP的微泡孔直径约为80~350μm 。对于微孔发泡主要有注塑微发泡、吹塑微发泡和挤出微发泡等,注塑微发泡适用于各种汽车内外饰件,如车身门板、尾门、风道等;挤出微发泡适用于密封条、顶棚等;吹塑微发泡适用于汽车风管等。利用微发泡技术可使PP制品的质量减少约10%~20% ,较传统材料在部件上可实现50%的减重,注射压力降低约30%~50% ,锁模力降低约20% ,循环周期减少10%~15%,同时还能提高汽车的节能性,较传统材料可实现30%的节能,并且能改善制品的翘曲变形性,使产品和模具的设计更灵活。在一些部件中,如汽车风管、风道,还可实现隔热、降噪的效果,减少后道工序的成本。密 度 为0.06g/cm3的辐射交联PP高发泡片材具有良好的力学性能,作为汽车车顶,可降低汽车的质量,同时其还可用于汽车的内饰件,有利于汽车的轻量化。耐刮擦PP相对于工程塑料来说,PP、橡胶改性PP、热塑性聚烯烃和热塑性弹性体等聚烯烃材料具有可回收、质轻、成本低的优势,因而被越来越多地应用于汽车以及其他领域,然而聚烯烃材料的耐刮擦性能明显较差,而这一性能却是仪表板、操控台和门板表皮等汽车内部应用部件的关键性能,也是汽车外部应用部件、全地形车辆(ATVs)的重要性能之一,而且表面性能提高的聚烯烃能很好地代替金属和工程塑料,同时还有利于涂色,因此积极寻找提高聚烯烃材料耐刮擦性能的解决方案十分重要。通过添加涂层、无机矿物和某些功能助剂可提高聚烯烃的耐刮擦性能,例如添加耐刮擦剂可制备耐刮擦汽车内饰用PP复合材料。汽车用改性PP的回收利用塑料作为一种环保材料,因其可塑性强、质轻、回收再利用率高等特性,在汽车工业中的应用非常广泛,无论是内饰件、外饰件还是功能性结构件,都越来越多地用到了塑料。我国汽车保有量达到1.75亿辆,对应用于汽车的塑料的粉碎再回收无疑变得越来越重要,且汽车塑料的回收将会形成一个巨大的市场,是一个前景广阔的领域,学术界和企业在这方面都有很多的研究和实践。

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年来综合性能优异、可回收易降解的聚丙烯发泡材料已成为泡沫塑料家族中的“新宠”,是聚合物泡沫材料中增长速度快的品种。超临界二氧化碳(CO2)发泡聚合物技术是制备聚丙烯微孔发泡材料的关键核心技术,近日华东理工大学化工学院赵玲教授团队在该技术领域取得了实质性突破,成功开发了高性能聚丙烯微孔发泡材料绿色制备过程的优化和强化技术。聚合物发泡有物理发泡剂和化学发泡剂两大类。化学发泡剂存在化学残留、发泡过程难控制和不易获得高发泡倍率等缺点;物理发泡剂中的氟氯烃类则对臭氧层有破坏作用,已逐渐被禁止和限制使用;而一些新型氟碳氢化合物的全球变暖潜能值仍相对较高,烷烃类发泡剂则易燃烧不安全。相比这些传统的发泡剂,超临界CO2发泡聚合物技术作为绿色制造技术,已被工信部列入我国优先发展的产业关键共性技术,而且CO2进入聚合物后会引起熔点、表面张力和黏度下降、结晶行为改变等一系列变化,可以制备微孔甚至纳米泡孔材料。丙烯微孔发泡丙烯是结晶聚合物,低温固态发泡受结晶限制,很难制备高发泡倍率产品;高温发泡聚合物熔体强度不够无法保持完整泡孔,可操作窗口窄。因,大规模制造具有稳定均匀泡孔形貌和外形尺寸的高发泡倍率微孔材料难度大。为了攻克这一难题,赵玲团队联合无锡会通、中石化北化院、浙江新恒泰、镇海炼化等单位,在合适物料体系、可控工艺过程和高效工业装备等方面开展了超临界CO2发泡聚丙烯的优化、强化和工程化等系列工作,形成了“适合超临界CO2发泡的聚丙烯专用料”“分步/分段发泡新工艺”“优化构建流场结构实现高效规模制备”三大技术创新。赵玲介绍,在低于流动温度的可变形区发泡,既可突破结晶的制约,又能保证发泡材料微孔结构和外形尺寸稳定成型。基于这一发泡机制,他们开发了兼具较宽发泡温度窗口和较强的CO2溶解扩散能力的聚丙烯发泡专用料,以及能改善泡孔结构和表观形态的新型功能助剂/添加剂。CO2变压饱和提高了过程效率和发泡倍率,气泡成核和生长的分段实施减小了高压设备体积;同时釜压发泡、模压发泡等高压设备和聚合物预成型体的结构优化设计,保证了均匀的压力场、温度场和速度场,实现了低密度聚丙烯微孔发泡材料的规模制造和柔性生产。利用上述创新技术,项目团队建设了2套年产3万立方米模压发泡装置,实现了低密度聚丙烯微孔厚板的制造;新建了4套、优化改造了3套年产4万~6万立方米的釜压发泡装置,生产效率提高25%,成品率提高到99%以上,发泡专用料已在镇海炼化生产,2016~2018年新增产值3.31亿元、利税1.09亿元。此外,该团队已获得授权发明专利8件、实用新型专利8件;相关研究成果发表了46篇SCI/EI收录论文。赵玲表示,超临界CO2模压发泡技术通用性强,除聚丙烯外,还可用于聚氨酯弹性体微孔发泡材料的生产,多种热塑性聚合物及其复合材料的中试已经完成。采用该技术生产的聚丙烯发泡专用料,除可应用于汽车零部件和内饰、缓冲包装等传统领域,还可满足儿童玩具、食品、医疗、家居用品等领域对绿色材料的需求。由于微孔赋予了聚丙烯独特的性能,聚丙烯微孔发泡材料还可应用于更多的新兴领域,如新能源汽车动力电池垫片、5G通信微波中继天线罩、高档汽车音响振膜、防弹衣背板等。

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编者按:目前,塑料部件在国内汽车上占重量的10%左右,在国外汽车上达到了15%至20%。微孔发泡技术能使塑料部件的重量降低15%至30%,广泛应用于仪表板、电机支架、座位板、空调风罩、门嵌饰板等内外饰。本文作者从专利角度对微孔发泡技术的重点申请人进行分析,以期为行业企业提供参考。标题:微孔发泡技术让汽车驶向轻量化丙烯微孔发泡汽车非金属部件的轻量化领域,微孔发泡材料是行业竞相研究的主要课题之一。目前,塑料部件在国内汽车上占重量的10%左右,在国外汽车上达到了15%至20%。微孔发泡技术能使塑料部件的重量降低15%至30%,广泛应用于仪表板、电机支架、座位板、空调风罩、门嵌饰板等内外饰。该技术在20世纪80年代初被麻省理工学院提出,通常指孔径小于10μm、泡孔密度大于109个/cm3的发泡材料,这种材料的孔密度非常高且为封闭泡孔,相对于其他发泡材料具有更好的刚性,在汽车零件等工业领域广泛应用。本文中,笔者将从专利角度对微孔发泡技术的重点申请人进行分析,以期为行业企业提供参考。外注重工艺技术保护笔者通过专利数据库检索后发现,截至目前,全球共有4000多件与微孔发泡相关的专利申请,其中国外有1700余件,美国、日本、德国三国的相关专利申请量居前三位;国内相关专利申请有2400多件,其中企业占1556件,其次是科研院所,从申请人分布地区来看,广东、江苏、浙江等地的专利申请量较高。Trexel公司的MuCell技术是目前为成熟、商品化为广泛的微孔发泡技术,该技术来源于麻省理工学院在20世纪80年代提出的发明专利。Trexel公司在1995年通过专利权转让获得这项技术的全球开发和商品化推广,并在此基础上开发出连续微孔成型技术--MuCell。MuCell技术的核心即采用超临界流体为发泡剂,发泡剂在聚合物中形成均匀分布的微小气孔,通过压力控制气泡的生长使树脂形成泡孔均匀的微孔结构。后来,Trexel公司基于MuCell技术提交相关专利申请共有33件,涉及微孔发泡工艺以及发泡设备结构的研发,旨在提高超临界流体在聚合物中的溶解性以及控制超临界流体的流量。为提高发泡剂超临界流体的溶解性,Trexel公司通过加入液压系统、设置旋转挤压系统以及在加热工作缸内安装旋转的螺旋件等方法改进;在超临界流体计量控制上,Trexel公司给出了在入口阀和出口阀之间设置储料缸控制发泡剂计量、螺杆上添加超临界流体的计量泵等解决手段。基于MuCell工艺的加工成本可降低10%至20%,减少材料消耗并缩短成型周期,成为汽车轻量化的优良解决方案。Demag Ergotech公司在微孔发泡技术方面也申请了较多专利,其早的相关专利申请是在1995年,申请的25件相关专利均为螺杆等机械结构的技术改进,其专利的商品化产品为Ergocell微孔发泡技术。该技术的核心是设置了气体计量与混合模块,使熔体/气体混合物的均化过程独立于塑化过程,获得的制品具有较低的内应力,消除了翘曲和缩痕,较适用于汽车内饰。阿博格公司是全球领先的注塑机制造商,其在2015年公开了Profoam发泡技术,该技术工艺简单,采用液体发泡剂,通过密封螺杆加料段来使料斗和塑化装置之间形成压力腔,从而使发泡剂在压力下引入。该技术主要适用于纤维增强发泡材料,制得的发泡塑件多能减重30%。阿博格公司的专利申请量不多,主要涉及注塑机结构设计,其中具有颗粒锁结构的注塑机是Profoam发泡工艺的关键技术。笔者认为,Trexel、Demag Ergotech等国外企业掌握了微孔发泡工艺的核心技术,国内企业在使用相关技术时必然面临较高的专利许可费用。国内注重原料技术研发在国内专利申请人中,南京聚隆科技股份有限公司(下称聚隆科技)和会通新材料股份有限公司(下称会通新材料)的相关专利申请量多,这两个申请人都是以微孔发泡材料的原料研发为主,涉及的技术均为通过原料选择来提高发泡材料的熔体强度和流动性,以获得泡孔均匀、外观优良的微孔发泡产品。

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与传统注塑制品相比,微孔发泡注塑制品具有质量更轻、翘曲和内部残余应力更少、尺寸稳定性好、成型周期短等一系列优点。目前,欠注发泡成型是微孔注塑技术中应用为广泛的工艺之一,具有操作简单、效率高、能够生产复杂制件,且能耗少,符合节约材料,降低成本这一发展理念,满足发泡产品市场化的需求。然而,欠注发泡成型工艺也存在发泡制品内部泡孔易发生大量变形,泡孔尺寸分布不均匀,所得制品表面存在大量的气痕、银纹等缺陷,制约了其力学性能的提高和外观视觉,阻碍了欠注发泡制品的进一步应用。国家复合改性聚合物材料工程技术研究中心的何力团队采用自主研发的气体反压装置,利用化学欠注发泡工艺研究气体反压(GCP)对微孔注塑过程中发泡行为的影响。研究发现,采用气体反压可以减少发泡注塑制品的泡孔变形以及不均匀等缺点,改善了泡孔的形态。实验方法聚丙烯微孔发泡将PP、发泡剂(AC)、发泡助剂[Zn(St)2/ZnO]按照98.5∶1∶0.5的比例混合均匀后加入料筒中进行塑化。然后打开气体反压装置,在型腔中分别注入固定的GCP为0,0.2,0.4,0.6,0.8 MPa的气体,随后按照表1的工艺参数注射熔融树脂进行发泡,冷却后,取出PP发泡样品。GCP对充模过程中熔体压力的影响熔体注射完后,熔体压力瞬间达到值。随着GCP从0增加至0.8 MPa,熔体内部压力从1.55 MPa增大到2.16 MPa,注射完成后,随着气体的排出,熔体压力瞬间下降,随着冷却收缩,熔体压力逐渐趋于0 MPa。由此可知,GCP可以明显地提高熔体充模过程中的熔体压力,改善欠注发泡过程中的熔体压力环境。 GCP对泡孔质量的影响在没有施加气体反压时,由于熔体流动速率远大于泡孔的膨胀速率,泡孔发生流动剪切变形,导致末端位置的泡孔在皮层区域受到剪切作用时间和作用力较大,在流动方向上出现很大的变形,泡孔发生撕裂合并现象,泡孔形貌极不规则,而中间区域的泡孔形态受到剪切力较小,呈现规整圆形形态。同时发现,随着GCP的增大,皮层附近撕裂变形的泡孔区域变小,熔体内部芯层泡孔从椭圆形向规整圆形形态转变,规则泡孔区域所占比例增大,泡孔之间呈现独立分布。当GCP达到0.8 MPa时,皮层附近泡孔呈现出相对较好的圆形形态,此时整体泡孔的变形较小。这是因为GCP可以有效地降低泡孔在充模过程中受到的流动剪切作用,GCP值越大,泡孔在迁移过程中受到熔体压力越大,泡孔受到熔体的约束力大,泡孔不易发生变形。GCP对泡孔结构参数的影响GCP对泡孔结构参数的影响如下图所示。可知,在常压下泡孔的非变形层(也就是规则泡孔区)厚度仅占整个样品厚度的10.9%;随着GCP的增大,泡孔的非变形层所占比例逐渐升高,GCP为0.8 MPa时,升高至26.7%。而泡孔变形层区域厚度所占比例随着GCP的增大而大幅度下降,从63.7%下降到45.4%,这说明GCP可以减小泡孔变形层,增大规则泡孔区域范围。对变形层的泡孔变形度进行统计,如下图所示,泡孔的平均长度随着GCP的增加,整体呈现减小的趋势,泡孔的平均宽度随着GCP的增加而逐渐增大,泡孔的变形度随GCP的增大而减小,由常压下0.530的泡孔变形度降低到GCP为0.8 MPa下的0.304泡孔变形度,即GCP可以减小泡孔长度与宽度的差距,使变形区的泡孔变形程度减小。对不同GCP下泡孔非变形层的泡孔直径进行统计,见图c,随着GCP的增加,当GCP为0.2 MPa时泡孔直径略有减小,但随着GCP的进一步增大,泡孔直径从36.09 μm增大到41.93 μm。这是因为GCP的增大使得熔体的压力也随之增大,使得泡孔的成核临界能垒升高,泡孔的成核速率下降,泡孔在充模过程中受到流动场的影响减弱,更多的气体在卸压阶段促进泡孔的生长,因此熔体压力越大,泡孔直径越大。GCP提高了充模时的熔体压力,有效地降低了泡孔的变形,且随着GCP的升高,泡孔直径增大,泡孔密度下降,发泡材料的质量减少整体趋于不变。结论随着GCP从0增加至0.8 MPa,熔体内部的压力从1.55 MPa增大到2.16 MPa,使充模过程中受流动影响的泡孔数减小,减小了泡孔受到的流动剪切力。随着GCP的增大,泡孔变形层区域厚度所占比例从63.7%下降到45.4%,变形层的泡孔的变形度从0.530下降到0.304,泡孔的平均长度增大。GCP的增加有效地改善了泡孔形貌,减小了泡孔变形层的CP增加了熔体流动时的阻力,提高了注塑充模阶段的熔体压力,使得临界成核点后移,泡孔的成核长大在充模后进行,进而改善了制品泡孔的形貌。