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微发泡注塑成型技术应用分析上

发布时间:2021年07月29日    点击:[4]人次

微发泡注塑成型技术应用分析(上)

微发泡注塑成型技术在基本保证制品性能不降低的基础上,可以明显减轻制件重量,并具有内应力小、不易产生表面缺陷、对壁厚差异较大的制品具有特殊成型优越性的特点。其与常规注塑、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面。

微发泡聚合物材料是指以聚合物材料为基体,其中含有泡孔尺寸从小于一微米到几十微米的多孔聚合物材料。常规的物理或化学发泡法制备的泡沫塑料由于其孔径较大,通常不属于这一范畴,与一般泡沫塑料毫米级的泡孔相比,微发泡聚合物的泡孔要小得多,而泡孔密度要大得多,因而称为微发泡聚合物。

发展概述

上世纪80年代初,美国麻省理工学院(MIT)首先提出微发泡塑料的概念并发展了相应的成型技术。提出该概念是希望在聚合物基体中引入大量比聚合物原已存在的缺陷尺度更小的空隙,从而在减少材料用量的同时提高其刚性,并避免对强度等性能造成明显的影响。这种工艺制备的微发泡材料孔径一般小于10微米,尤其突出的是泡孔密度非常高,达到109-1015个/cm3。微发泡成型过程可分成三个阶段,首先是将超临界流体(主要是二氧化碳和氮气)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,从而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。

许多人认为超临界流体应用于聚合物加工只是处于实验室的研究,实际上,这种方法的商业应用早就开始了。20世纪50年代始,超临界乙烯就已用于大规模制造低密度聚乙烯。进入21世纪,Trexel公司与MIT合作,首先利用这种技术实现了微发泡注塑的商业化应用。据报道,Reedy国际公司也开发了类似的挤出微发泡装置。

关于聚合物微发泡成型技术已有大量的文献报道,研究以无定型和半结晶型聚合物微发泡材料的成型过程为主,如聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)、聚碳酸酯(PC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和聚碸(Polysulfone)等。加工技术方面的研究主要涉及微发泡挤出、微发泡注塑、微发泡吹塑及旋转模塑等。从事微发泡技术研究并取得较显着研究成果的单位主要有美国的麻省理工学院、威斯康辛—迈迪逊大学、佐治亚理工大学、加拿大的多伦多大学、德国的GKSS 研究中心、荷兰的特文特大学等。

发展现状

1997年,在与MIT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150吨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公司在芝加哥的国际塑料博览会上首次推出其微发泡注塑成型机的商业产品。与此同时,许多日本、欧洲和韩国等国家的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®为代表的超临界流体制备聚合物微发泡材料技术已经得到了广泛的认可,许多世界知名的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、Krauss Maffei、Battenfeld、Dupont、JSW、Toshiba等知名公司和企业。可以说,微发泡注塑成型技术正在由单纯的理论和实验研究转向成熟的商品化开发。尽管这个阶段经历了将近20年的时间,但这种商业化开发的模式及其成功经验预示着新的加工技术在今后要实现产业化将变得越来越容易。正如微发泡技术的创始人MIT的Nam P. Suh教授所说,这种技术绝非仅仅是能够节约材料那么简单,其所带来的各种益处将在今后各种应用中逐步体现出来。这种技术的成功开发,可以说是高校和产业界携手合作的典范。实践证明,只要在一个经过严格论证的框架下进行合作,研究单位和产业界都能够从类似这样的合作中获益。

微发泡注塑成型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,由于制品内部几乎没有任何残馀应力,因此制品的翘曲和变形可以得到很好的抑制。而且,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。

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注塑成型工艺制备。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及内部装饰材料、电子电器产品、医用产品等领域,如汽车进气歧管、保险盒、发动机罩、电器开关、电器控制模块、薄壁容器、医用注射器等。

特点及优势

(待续)

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