注射成型之結構發(fā)泡成型技術科普
注射成型能夠制造復雜三維形狀塑料制品的獨特性。然而，這種成型方法也面臨著許多可能限制其潛在應用的挑戰(zhàn)。它有兩個問題：
1. 對制品幾何形狀的某些限制
2. 模塑制品的尺寸穩(wěn)定性
一方面，對于較厚的模塑制品，由于聚合物熱導率低，導致冷卻時間延長。因此，常規(guī)的注塑制品受到限制，要求制品總體上壁厚均勻，其厚度范圍為1~ 5mm。
另一方面，對于薄壁制品，其成型需要采用極高的注射壓力和注射速度以避免充模期間熔體的過早固化。
這就說明了為什么難以采用注射成型方法獲得很大或者很小的制品，即制品幾何形狀受到限制。對于不同結構部位存在顯著壁厚差異的制品，成型時容易產生凹痕和空穴，且有可能因不均勻收縮而導致翹曲的產生。
盡管如此，按壁厚均勻而設計的制品并不能避免尺寸穩(wěn)定性的問題。收縮是注射成型中所固有的現象，是由于物料從加工溫度冷卻至室溫時聚合物的比容減小而產生的。
在注射成型過程中，物料組分的熱傳遞影響制品整體和橫截面上收縮情況的變化。如果收縮是非均勻的，將產生內應力。當成型過程誘導應力過高，足以打破制品的結構規(guī)整性時，制品一頂出就發(fā)生翹曲，導致其在工作載荷下受損或破裂。
所以由此產生了許多特殊發(fā)泡注射成型工藝，以應對前面所述的問題，或用于生產具有特殊結構的制品，這是常規(guī)的注射成型工藝在經濟效益條件下所無法實現的。
這些工藝方法包括：
氣體輔助注射成型、反應注射發(fā)泡成型、低壓發(fā)泡成型、高壓發(fā)泡成型、共注射發(fā)泡成型及微孔注射發(fā)泡成型等。
發(fā)泡注射成型你了解多少？
發(fā)泡塑料是以熱塑性或熱固性樹脂為基體，其內部具有無數微小氣孔的塑料。發(fā)泡是塑料加工的重要方法之一，塑料發(fā)泡得到的泡沫塑料含有氣固兩項-氣體和固體。氣體以泡孔的形式存在于泡沫體中，泡孔與泡孔互相隔絕的稱為閉孔，連通的稱為開孔，從而有閉孔泡沫塑料和開孔泡沫塑料之分。泡沫結構的開孔或閉孔是由原材料性能及其加工工藝所決定的。
塑料發(fā)泡的技術淵源久遠。最早是20年代初期的泡沫膠木，用類似制造泡沫橡膠的方法制??；30年代出現硬質聚氨酯泡沫和聚苯乙烯泡沫；40年代有聚乙烯、聚氯乙烯、環(huán)氧樹脂、酚醛泡沫；50年代則有可發(fā)性聚苯乙烯泡沫和軟質聚氨酯泡沫。
現在，基本上所有的塑料，包括熱塑性和熱固性的都可以發(fā)泡為泡沫塑料。工業(yè)上的制備方法有：擠出發(fā)泡、注塑發(fā)泡、模塑發(fā)泡、壓延發(fā)泡、粉末發(fā)泡和噴涂發(fā)泡等等。其中，注塑發(fā)泡是最重要的成型方法之一，在這里重點講述注塑成型發(fā)泡。
什么是發(fā)泡成型原理？
塑料的發(fā)泡方法根據所用發(fā)泡劑的不同可以分為物理發(fā)泡法和化學發(fā)泡法兩大類。在這里首先簡單介紹一下發(fā)泡劑。
什么是發(fā)泡劑，有幾種類型？
發(fā)泡劑可簡單粗分為物理發(fā)泡劑與化學發(fā)泡劑兩類。對物理發(fā)泡劑的要求是：無毒、無臭、無腐蝕作用、不燃燒、熱穩(wěn)定性好、氣態(tài)下不發(fā)生化學反應、氣態(tài)時在塑料熔體中的擴散速度低于在空氣中的擴散速度。常用的物理發(fā)泡劑有空氣、氮氣、二氧化碳、碳氫化合物、氟利昂等；
化學發(fā)泡劑是一種受熱能釋放出氣體諸如氮氣、二氧化碳等的物質，對化學發(fā)泡劑的要求是：其分解釋放出的氣體應為無毒、無腐蝕性、不燃燒、對制品的成型及物理、化學性能無影響，釋放氣體的速度應能控制，發(fā)泡劑在塑料中應具有良好的分散性。應用比較廣泛的有無機發(fā)泡劑如碳酸氫鈉和碳酸銨，有機發(fā)泡劑如偶氮甲酰胺和偶氮二異丁腈。
什么是物理發(fā)泡法？
簡單地講，就是利用物理的方法來使塑料發(fā)泡，一般有三種方法：
（1）先將惰性氣體在壓力下溶于塑料熔體或糊狀物中，再經過減壓釋放出氣體，從而在塑料中形成氣孔而發(fā)泡；
（2）通過對溶入聚合物熔體中的低沸點液體進行蒸發(fā)使之汽化而發(fā)泡；
（3）在塑料中添加空心球而形成發(fā)泡體而發(fā)泡等。
物理發(fā)泡法所用的物理發(fā)泡劑成本相對較低，尤其是二氧化碳和氮氣的成本低，又能阻燃、無污染，因此應用價值較高；而且物理發(fā)泡劑發(fā)泡后無殘余物，對發(fā)泡塑料性能的影響不大。但是它需要專用的注塑機以及輔助設備，技術難度很大。
什么是化學發(fā)泡法？
化學發(fā)泡法是利用化學方法產生氣體來使塑料發(fā)泡：對加入塑料中的化學發(fā)泡劑進行加熱使之分解釋放出氣體而發(fā)泡；另外也可以利用各塑料組分之間相互發(fā)生化學反應釋放出的氣體而發(fā)泡。
采用化學發(fā)泡劑進行發(fā)泡塑料注塑的工藝基本上與一般的注塑工藝相同。塑料的加熱升溫、混合、塑化及大部分的發(fā)泡膨脹都是在注塑機中完成的。
總之，不論選取哪一種塑料原料，也不論采用哪一種發(fā)泡方法，其發(fā)泡過程一般都要經過形成氣泡核，氣泡核膨脹，泡體固化定型等階段。
什么是結構發(fā)泡成型？
結構發(fā)泡法（StructralFoamMolding）屬于化學發(fā)泡法，采用注射成型方法生產的塑料泡沫制品。在成型過程中，采用化學發(fā)泡劑(CBA) 或物理發(fā)泡劑(PBA) 以獲得微孔(泡沫) 結構。
它是注射成型工藝技術中的一項革命。它保留了傳統(tǒng)注射成型工藝的許多優(yōu)點，又避免了傳統(tǒng)注塑工藝中遇到的一些問題，如制品強度不夠、生產周期太長、模塑率低等。
結構泡沫制品與實心制品相比，具有顯著的優(yōu)點，包括：無凹痕、微小的翹曲和極低的殘余應力、高比剛度、輕質、降低材料成本。
另外，采用結構發(fā)泡技術還可模塑大型復雜制品、使用低成本模具、多模腔可同時操作，從而降低制品生產成本。結構發(fā)泡制品是一種具有致密表層的連體發(fā)泡材料，其單位重量強度和剛度比同種未發(fā)泡的材料高3~4倍。
結構發(fā)泡法最大的特點是可以不用增加設備，家用普通的注塑機便可以注塑生產，不過采用模腔擴大法發(fā)泡的高壓結構發(fā)泡注塑機與普通注塑機相比，增加了二次合模保壓裝置。
近年來，結構發(fā)泡注塑成型技術得到了很廣泛的發(fā)展，成型方法也很多，但歸納起來可以分為三種：低壓發(fā)泡法；高壓發(fā)泡法（注：此處的低壓和高壓指模具模腔內的壓力）；雙組分發(fā)泡法。
由于這些優(yōu)點，結構泡沫在許多領域得到應用，有如下幾種從傳統(tǒng)模塑技術演變而來的工藝：
低壓發(fā)泡成型；高壓發(fā)泡成型；氣體反壓發(fā)泡成型；共注射發(fā)泡成型；順序注射發(fā)泡成型；
A、低壓發(fā)泡成型
所謂低壓發(fā)泡成型，是指在高注射壓力下，可將混合物部分地填充模具型腔，在自膨脹發(fā)泡過程中產生的氣體內壓，有助于均勻擠壓模腔，從而對收縮現象進行補償，并防止凹痕的出現。由于成本較低，低壓發(fā)泡成型工藝目前約占據世界熱塑性結構泡沫生產總量的90%。
低壓發(fā)泡成型的某些缺點限制了其在更廣領域的應用。這些缺點包括：產生大的泡孔尺寸、發(fā)泡膨脹尺寸分布不均。
這些缺點可能導致制品的力學性能變差，尤其是沖擊性能下降，從而限制結構泡沫在承載領域的應用。低壓發(fā)泡成型的另一個缺點是較低的孔隙率(一般低于15%)，限制了材料成本的降低。雖然可以通過加大發(fā)泡劑用量或對同一模塑容積減小注射量的方法來提高孔隙率，但產品結構可能會因為在發(fā)泡制品中存在大氣泡而發(fā)生劣變。
在某些薄壁制品的應用中，由于制品截面形成的大氣泡，出現破裂的機會增大了。另一個存在的問題是泡沫表面質量較差，通常呈現為表面粗糙或存在亂紋，這是由充模階段的噴射流效應形成的。亂紋表面質量可能形成集中應力，導致制品的機械強度降低。
B、高壓發(fā)泡成型
與低壓發(fā)泡成型的對比如下：
高壓發(fā)泡注射成型即“注射—壓縮工藝”，在此工藝中含有發(fā)泡劑的預塑熔體，首先在高壓下注人模具內而充滿模腔。與常規(guī)注射成型一樣，模具在高壓下進行壓縮。然而，所需的壓縮壓力低于常規(guī)注射成型工藝。較高的模內壓力可阻止發(fā)泡劑膨脹，使得產生的亂紋更少。一旦形成實心表皮，模具就打開擴大容積以使發(fā)泡劑在制件內部膨脹。
C、氣體反壓發(fā)泡成型
熔體和發(fā)泡劑壓人儲料缸
熔體注入增壓模具型腔
氣體反壓釋放，模內多余的發(fā)泡材料壓入儲料缸
開模和制品頂出
氣體反壓發(fā)泡成型被認為是“無亂紋”成型技術。反壓概念與氣體增壓模具有關，其通過控制排氣作用，可在成型周期的發(fā)泡膨脹階段形成光滑表面。
它提供了一種控制發(fā)泡過程的方法，而這種方法往往影響制品的結構及許多重要的制品特性。在降低密度的效果方面，由反壓法生產的制品比傳統(tǒng)的低壓結構泡沫加工方法低5%~10%，但制品截面具有更均勻的泡孔結構，從而改善許多物理性能。
該工藝在注入塑料之前，壓力密閉模具被施以氣體反壓。當達到合適的模內反壓，含有分散的壓縮發(fā)泡劑的預塑化熔體被注人模具。在注射過程中，尚未被充滿的模具在容積減小的同時，需控制排氣以維持恒定的反壓。一旦形成所需厚度的實心光滑表皮，模內的氣體反壓就被釋放以允許模塑物體的內部實現發(fā)泡膨脹。
D、共注射發(fā)泡成型
1.皮層注射
2.芯部注射
3.充模即將結束
4.注射皮層以封閉澆口
共注射發(fā)泡成型，也就是所謂的“夾心”發(fā)泡成型，是將“皮層”材料和相容的“芯部”材料順序或同時注人模具型腔。由于噴射流效應的作用，芯部材料在皮層內部流動，將位于高溫芯部的剩余熔融皮層材料向模具型腔的末端推擠，最終獲得實心表皮包裹著發(fā)泡芯部的制品。
注塑設備需要實現皮層材料和芯部材料的獨立注射，共注射發(fā)泡成型具有發(fā)揮每一種材料的最佳性能的固有靈活性，能夠降低材料成本、注射壓力、鎖模噸位及減小殘余應力。它還能實現對制品性能的改進，這是該工藝最獨特的優(yōu)點之一。
當一種材料不能提供生產最終產品所需的所有性能時，該工藝還可使用便宜的芯部材料和昂貴的皮層材料作為組分，以獲得具有A級表面和低成本回收芯部的制品，包括：軟質皮層包裹著硬質芯部的方向盤和扶手，具有耐化學性皮層的發(fā)動機罩組件，具有電磁屏蔽(EMI) 皮層或芯部的電子柜等等。
E、順序注射發(fā)泡成型
從第一組噴嘴注入，僅填充模具中心部位
從第二組噴嘴注入，僅填充中心區(qū)域的鄰近區(qū)域
從第三組噴嘴注入，完全充滿模具
開模并重新填充儲料缸，開始下一循環(huán)
順序注射發(fā)泡成型工藝的實現是采用多噴嘴，在制品的不同部位進行充模，以改善局部流動性，并對制品充模難至的區(qū)域加以填充。每一個多噴嘴均具備獨立的溫度和液壓控制，通過使用標準熱流道支管和噴嘴定位孔，可以安裝在不同位置。
認識到其對特大制品及結構極復雜制品的獨特優(yōu)勢后，順序注射發(fā)泡成型在塑料工業(yè)日益受到重視。順序注射的直接結果是，可以對充模過程進行細致的規(guī)劃，并通過注射量和注射速度的單獨控制來完成充模過程。
這產生了許多獨特的優(yōu)點：加工窗口的溫度范圍寬，降低鎖模噸位，模腔壓力低，可成型特大、復雜制品，具有高度靈活性和可控性。
對于發(fā)泡注射成型來說，除了結構發(fā)泡，還有兩個研究方向：微孔發(fā)泡成型和發(fā)泡添加劑。這會涉及到更加復雜研究，如間接、半連續(xù)和連續(xù)微孔注射，發(fā)泡成核劑、發(fā)泡劑、氣體在聚合物中的溶解問題，泡孔成核、均相與非均相，孔隙等等問題。
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