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河南理工萬(wàn)方科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)
模具設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)用微發(fā)泡技術(shù)生產(chǎn)的
聚合物孔結(jié)構(gòu)的影響
摘要：在這個(gè)課題中設(shè)計(jì)了兩套模具并應(yīng)用在了微發(fā)泡技術(shù)去生產(chǎn)帶有多孔結(jié)構(gòu)注塑品。為了獲得理想的孔結(jié)構(gòu)，研究了許多工藝參數(shù)來(lái)指示工藝參數(shù)對(duì)孔結(jié)構(gòu)的影響。每個(gè)模具都分別進(jìn)行了這種工藝參數(shù)的研究，以便于模具的設(shè)計(jì)對(duì)孔結(jié)構(gòu)的影響在相同的工藝參數(shù)設(shè)置下不必再做研究。發(fā)現(xiàn)了在微發(fā)泡技術(shù)中，模具的設(shè)計(jì)也對(duì)孔結(jié)構(gòu)有影響。一套合適的模具設(shè)計(jì)能改善生產(chǎn)出的孔結(jié)構(gòu)，如孔數(shù)、孔徑、以及相互關(guān)系。
關(guān)鍵詞：模具設(shè)計(jì) 晶格形態(tài) 微發(fā)泡 注塑模具藥劑注入 多孔聚合物 聚氨脂
微發(fā)泡技術(shù)作為一種高效的微單元的注射模具生產(chǎn)過(guò)程，被廣泛應(yīng)用于汽車和家具工廠中。在大多數(shù)的情況下，微發(fā)泡技術(shù)用來(lái)節(jié)省原材料，但他也用來(lái)生產(chǎn)帶有近似多孔結(jié)構(gòu)的注入制品。CO2作為流動(dòng)介質(zhì)被注射到注塑模具機(jī)器的制品界面內(nèi)。在注射模具機(jī)器的注塑成型時(shí)期，有特別緊急的情況下，這種流動(dòng)介質(zhì)通過(guò)氣體供應(yīng)鏈或注射器注射入聚合物。塑料成型后，聚合物的混合體逐漸融化且氣體通過(guò)噴嘴注射入模具中，同時(shí)由于模具的迅速下壓可以生產(chǎn)出泡沫結(jié)構(gòu)。如今用微發(fā)泡技術(shù)生產(chǎn)出的主要產(chǎn)品已經(jīng)接近晶格泡沫了。
一些課題易經(jīng)研究了微發(fā)泡技術(shù)中關(guān)鍵工藝參數(shù)和生產(chǎn)的晶格泡沫結(jié)構(gòu)。已發(fā)現(xiàn)通過(guò)變換工藝參數(shù)微發(fā)泡過(guò)程中的孔結(jié)構(gòu)可以被調(diào)整。然而，目前還沒有文獻(xiàn)說(shuō)明模具設(shè)計(jì)通過(guò)微發(fā)泡技術(shù)對(duì)孔形態(tài)的影響。
在這個(gè)課題中，設(shè)計(jì)了兩個(gè)模具并用在了微發(fā)泡過(guò)程中為醫(yī)藥用去生產(chǎn)具有多孔結(jié)構(gòu)的注入品。工藝參數(shù)的研究被分別獨(dú)立地進(jìn)行在那兩套模具上。通過(guò)比較兩套模具在同樣的工藝參數(shù)設(shè)置下生產(chǎn)出的注入品的孔結(jié)構(gòu)來(lái)研究模具設(shè)計(jì)對(duì)多孔結(jié)構(gòu)的影響。
圖1微發(fā)泡技術(shù)草圖
聚合過(guò)程：
藥劑等級(jí)熱塑性的聚氨脂TPU被選坐注入品的原材料。具備用來(lái)冷卻模具的溫度控制單元的注塑模具機(jī)器被用作樣品的產(chǎn)品。這種注塑模具機(jī)器被Trexelinc.woburn;MA,USA裝備有一個(gè)微發(fā)泡系統(tǒng)。這個(gè)微發(fā)泡簡(jiǎn)化的顯示在圖1中。在注射模具機(jī)器的注塑成型時(shí)期，有特別緊急的情況下，這種流動(dòng)介質(zhì)通過(guò)氣體供應(yīng)鏈或注射器注射入聚合物。塑料成型后，聚合物的混合體逐漸融化且氣體通過(guò)噴嘴注射入模具中，同時(shí)由于模具的迅速下壓可以生產(chǎn)出泡沫結(jié)構(gòu)。
CO2被作為流動(dòng)介質(zhì)（CO2為保護(hù)氣體）
為了生產(chǎn)這個(gè)注入品，設(shè)計(jì)并應(yīng)用了兩個(gè)特殊的模具，從A模具和B模具生產(chǎn)的構(gòu)件的電子圖2所示。A模具有六個(gè)戒指形狀的注入品且僅用來(lái)做了泡沫過(guò)程和參數(shù)研究的可行性的初步試驗(yàn)。為了更高的生物要求和預(yù)期產(chǎn)品，B模具在從A模具的注塑品的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上被設(shè)計(jì)具備六個(gè)實(shí)心磁盤狀的注塑品。
圖2不同的模具設(shè)計(jì)
兩模具有相似的刃口，導(dǎo)柱和澆注口。B模具有個(gè)較短的聚合物揮發(fā)流動(dòng)的模腔和2.8的L/D(長(zhǎng)比厚）。同時(shí)，模具A的L/D位4.7。這意味著從B模具生產(chǎn)出的構(gòu)件相應(yīng)的更厚但更短。B模具的優(yōu)勢(shì)是主導(dǎo)晶體核子和生長(zhǎng)的揮發(fā)流動(dòng)的能量損失減少，因?yàn)樗懈痰牧鲃?dòng)路程（小的L/D）。作為結(jié)果可能得到更好的孔形態(tài)，如更大的孔徑，更高的多孔性等。另一方面，B模具有個(gè)更大的性能，它意味著參數(shù)變化的更多的可能性。在一般的注塑模過(guò)程，B模不好的一面是相應(yīng)的更厚的制件將導(dǎo)致B腔內(nèi)的不完全充滿，一個(gè)長(zhǎng)的冷卻時(shí)期和制件的大量回縮。如果發(fā)泡工藝被應(yīng)用，這些問(wèn)題可被部分或全部解決是因?yàn)榘l(fā)泡聚合體的膨脹。
實(shí)驗(yàn)方案：
設(shè)置可變參數(shù)的選擇是基于核子原理和文獻(xiàn)收索的知識(shí)。可變參數(shù)的范圍和固定參數(shù)的值如表1中所示。這些實(shí)驗(yàn)是通過(guò)變化變量中的一個(gè)，而保持其它的不變而完成的。整個(gè)過(guò)程參數(shù)的研究是在兩套模具上分別獨(dú)立進(jìn)行的。從兩套模具中生產(chǎn)的注塑制品用來(lái)進(jìn)行比較在精確相同的過(guò)程參數(shù)下被生產(chǎn)的，以便于顯示不同模具的影響。
表1：在這個(gè)課題中，微發(fā)泡工藝的可變參數(shù)的范圍和變量參數(shù)的值。微晶格工藝壓力MPP是一個(gè)保持聚合體揮發(fā)氣體的正壓力。這個(gè)壓力是真正的塑性壓力。
可變參數(shù)
檢測(cè)范圍
變量參數(shù)
值
CO2濃度
1-6wt%
冷卻時(shí)間
120s
重量減輕度
35-65%
保持壓力
450bar
注射速度
30-300mm/s
起始保壓
0.5mm
塑化力/MPP
166-220bar
保壓時(shí)間
0.5s
塑化溫度
180-2108C*
夾持噸位
200KN
模具溫度
25-858C*
塑化周期
40min
注射壓力
0-3000bar
宏觀與微觀結(jié)構(gòu)的特征
瀏覽電子顯微鏡被用于注塑制品橫截面的孔形態(tài)的觀察。將樣品用美工刀切開，然后在具有5到15KN的高度真空下，通過(guò)使用一個(gè)斷續(xù)的涂層器，在其上覆蓋一層薄的黃金層。多孔形態(tài)的特征如孔的尺寸和孔量通過(guò)從一個(gè)樣品中數(shù)平均數(shù)目和電子顯微形狀能被計(jì)算出來(lái)。在數(shù)碼顯微的軟件的幫助下，具有一定尺寸的切面被選出來(lái)，所有的孔被人工測(cè)量?？椎钠骄睆奖挥?jì)作Dce。由于在顯微中所顯示的孔是3D項(xiàng)目的2D工程，他們的最大直徑在圖中不能描繪。下面方程用于決定最大的球形直徑，記為修正過(guò)的中孔徑，從測(cè)量孔徑中得來(lái)。
Dcorr=Dce/0.616
顯微CT被用于注制品的多孔干涉性的等價(jià)測(cè)量。從每個(gè)注件的3個(gè)8mm&11mm圓柱試件中7微米來(lái)用一個(gè)59KV的電壓和一個(gè)167微安的解決方案。用天空瀏覽提供的軟件包來(lái)指導(dǎo)圖形再現(xiàn)和分析試件繞他們的長(zhǎng)軸旋轉(zhuǎn)180*且每旋轉(zhuǎn)0.4*則3個(gè)同化圖形被記錄。借助于標(biāo)準(zhǔn)天空瀏覽再現(xiàn)軟件，應(yīng)用3D圓錐體光束算法，那些試件的原始圖形被再現(xiàn)成系列的日冕定位X線斷層。對(duì)于再現(xiàn)品，光束強(qiáng)度被設(shè)置到20%，原人工制品減少量到12。
應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的天空瀏覽軟件，這再現(xiàn)軸向的微比圖形分析被運(yùn)行。首先，進(jìn)行臨界分析是為支架X線斷層灰色區(qū)域大多能被他們的多孔性相應(yīng)參數(shù)精確地代表而去決定臨界值。這個(gè)研究中，臨界值被設(shè)置為65至225之間。過(guò)濾功能將多余的噪音除去。所有小于500分貝且與空間實(shí)體沒有聯(lián)系的物質(zhì)被這樣優(yōu)先除去以便于更深的分析。為了消除潛在的邊緣影響，選擇了支架中心處一個(gè)直徑為5毫米、高2.5毫米的圓柱體的權(quán)益值。然后支架多孔性如下被計(jì)算：
多孔性=100%—權(quán)益量中區(qū)分材料量的百分值
所有圖形經(jīng)受3D分析，接著應(yīng)用在可以從外面通過(guò)一個(gè)一定的最小尺寸的開口處進(jìn)入的支架中。允許測(cè)量部分孔體積的壓縮包功能的相聯(lián)系的量值。兩個(gè)3D測(cè)量間進(jìn)行壓縮包過(guò)程通過(guò)等于過(guò)大于臨界值的尺寸入口去壓縮在一個(gè)支架的權(quán)益值的外界線。（研究中用30—280um）相關(guān)性被如下計(jì)算：
相關(guān)性=V—V壓/V—Vm
其中V指VOT的總體積，V壓指壓縮包之后的VOT的體積，而Vm指支架材料的體積。
結(jié)果與討論
該SEM圖形（圖3）顯示了當(dāng)其他過(guò)程參數(shù)不變（減重35%，塑性壓力180磅，模具溫度25C，氣體容積2%）而注射速度以30mm/s的量變化時(shí)兩模具的泡沫注入件的孔結(jié)構(gòu)。
圖3
發(fā)現(xiàn)模具B生產(chǎn)的泡沫注入件的左圖所示的尺寸比從模A生產(chǎn)的大得多。相關(guān)的孔尺寸即兩相關(guān)孔間的可視區(qū)也有相同的變化的趨勢(shì)。從圖中我們可以定量地看出在同樣過(guò)程參數(shù)下模具B生產(chǎn)的注入品以模具A的有更大的孔尺寸和相關(guān)的孔尺寸，而且可能又高的多樣性。
圖表4
從圖4我們發(fā)現(xiàn)在每一個(gè)不同的注射速度模具B的制品比模具A有更高的多孔性。模具B制品的多孔性排布在73%至79%之間，然而模具A的在60%至67%之間。同時(shí)，模具B的制品的多孔性的標(biāo)準(zhǔn)偏差比模具A的偏差小得多。
圖表5
圖表5顯示不同的注射速度下兩模具的孔的平均尺寸。對(duì)于兩模具來(lái)說(shuō)，隨著注射速度的提升，孔的尺寸減少。在別的課題中也發(fā)現(xiàn)同樣的結(jié)果。隨著注射速度的增加，模具B的制品的孔徑從340+/—17mm減少到246+/—20mm；同樣注射速度下，模具A顯示由制品孔徑從234+/—90到152+/—34mm。從模具B中得到的孔的尺寸在所有速度下，與模具A相比較也都較高。很明顯模具B的標(biāo)準(zhǔn)偏差也比A的小得多。
圖表6
圖表6顯示泡沫住射品的相關(guān)的孔尺寸。該相關(guān)的孔尺寸對(duì)在生物學(xué)中的組織生長(zhǎng)非常重要。模具B的泡沫制品的相關(guān)的孔尺寸有一個(gè)916+/—um到67+/—7um的范圍，而模具A的這個(gè)范圍是35+/—10um到19+/—8um。這個(gè)變化也與兩模具的泡沫制品的平均孔尺寸的發(fā)現(xiàn)相對(duì)應(yīng)。
我們從圖表3—6中可以推斷出模具B的改善了的模具設(shè)計(jì)不能影響孔結(jié)構(gòu)的變化趨勢(shì)。比如注射速度的提高可以減小孔尺寸，但它和泡沫制品的相關(guān)性的孔尺寸一樣能增加多孔性和平均孔尺寸。與此同時(shí)，孔結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)偏差也有很大減小。換句話說(shuō)，模具B的泡沫制品的孔結(jié)構(gòu)與模具A相比有更高的多孔性，更大的孔尺寸和更加均勻。
圖表7
圖表7顯示了在包括注射速度等不同可兇的過(guò)程參數(shù)變量下兩模具生產(chǎn)的量大的多孔性的比較。在每一種過(guò)程參數(shù)變量中，兩模具在相同的設(shè)置值下經(jīng)常獲得最大化的多孔性，比如模具B和模具A在300mm/s的注射速度下分別為79%和67%。發(fā)現(xiàn)了模具B指示在每一種參數(shù)變量，更高的最大化的多孔性。模具B生產(chǎn)的減少35%的重量的多孔性顯示了6%的最小升量；同時(shí)，通過(guò)射速的變化發(fā)生了14%的最大值多孔性提升
量。
圖表8
圖表8中說(shuō)明了兩模具不同種類的工藝參數(shù)的變化下，最大化孔尺寸間的不同。兩模具制品說(shuō)明了沒種的變化同樣的工藝參數(shù)設(shè)置下也有最大孔尺寸。模具B通常比模具A具有更大的孔尺寸。在塑性成形的溫度變化下，模具B的最大值的孔尺寸的最小升高量為14%，而然發(fā)現(xiàn)在注射速度變化下，孔尺寸的最大提升量為45%的值。
圖表7和圖表8已經(jīng)說(shuō)明了不僅從注射速度的變化而且從所有工藝參數(shù)的變化下都能觀察到模具設(shè)計(jì) 的變化?？梢灾率谷缱畲蠡目壮叽绾投嗫仔缘瓤仔螒B(tài)的改善。在聚合體流到模具腔期間，模具B短的L/D將導(dǎo)致主導(dǎo)單元核子的能量流失的減少。有模具B產(chǎn)生的相關(guān)的更厚的制品也相應(yīng)需要更長(zhǎng)的冷卻時(shí)間，這對(duì)模具的晶格生長(zhǎng)非常重要。考慮到這些方面相互作用的可能性，在這個(gè)課題中應(yīng)用晶格核子原理的公式去描述最終空形態(tài)的變化非常困難；但是通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)＞咴O(shè)計(jì)對(duì)諸如多孔性和平均孔尺寸的空形態(tài)的影響都被成功地觀察到了。
結(jié)論
這個(gè)課題專門研究了模具設(shè)計(jì)對(duì)孔形態(tài)的潛在影響。在模具B的泡沫樣品中，我們看到了改善了的像更高的多孔性，更大的平均孔尺寸和更小的偏差等孔形態(tài)。這指示出除了工藝參數(shù)的影響外，模具設(shè)計(jì)即制造設(shè)計(jì)也對(duì)發(fā)泡工藝的發(fā)泡行為有很明顯的影響，這給我們了一個(gè)若工藝參數(shù)被限制，通過(guò)一個(gè)更合適的模具設(shè)計(jì)來(lái)改善空形態(tài)的可能。
多孔性和孔尺寸對(duì)多孔藥劑設(shè)備是關(guān)鍵的屬性，因?yàn)榫Ц裥枰臻g去生長(zhǎng)。另外，孔需要被相互聯(lián)系去允許晶格遷移到多孔結(jié)構(gòu)。此課題說(shuō)明了當(dāng)生產(chǎn)多孔藥劑聚合體設(shè)備，合適的模具對(duì)成功的設(shè)置來(lái)說(shuō)只一個(gè)關(guān)鍵的因素。
致謝
作者對(duì)Bayerische Forschungsstiftung 用授權(quán)號(hào)碼AZ639/05的資金支持表示感謝！
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