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編號(hào) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 外文翻譯 譯文 學(xué) 院 機(jī)電工程學(xué)院 專(zhuān) 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 學(xué)生姓名 韋良華 學(xué) 號(hào) 1000110129 指導(dǎo)教師單位 機(jī)電工程學(xué)院 姓 名 陳虎城 職 稱(chēng) 助教 2014 年 5 月 26 日 1 一種改善微孔注射液型注塑件表面質(zhì)量的新方法 摘要 微孔注射成型是用于制造發(fā)泡塑料部件的制造方法 微注塑成型有許多優(yōu) 點(diǎn) 包括材料 能源 節(jié)約成本以及提高尺寸穩(wěn)定性 盡管有這些優(yōu)點(diǎn) 該技 術(shù)已被其意欲限于創(chuàng)建部件與表面缺陷 如表面粗糙或氣體流痕 改進(jìn)微塑件 表面質(zhì)量的方法已經(jīng)調(diào)查了一些研究 本文介紹了一種使用微注射成型工藝實(shí) 現(xiàn)漩渦自由發(fā)泡塑料部件的新方法 通過(guò)材料配方和氣體濃度控制聚合物 氣體 溶液的細(xì)胞形核率 微注塑表面缺陷的成型部件得以實(shí)現(xiàn) 本文介紹了這種方 法的理論背景 以及在表面粗糙度和輪廓 顯微組織 機(jī)械性能和尺寸穩(wěn)定性 方面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果 關(guān)鍵詞 微注塑成型 塑料發(fā)泡 漩渦 自由表面 2011 Elsevier 公司保留所有權(quán)利 第一章 簡(jiǎn)介 市售微孔注射成型工藝 又名 MuCell 工藝 包括四個(gè)獨(dú)特的步驟 即 氣 體溶解 成核 細(xì)胞的生長(zhǎng) 并塑造 1 在氣體溶解階段 聚合物在注射料筒 是用超臨界流體 SCF 氮?dú)?二氧化碳 或使用特殊的螺釘 其目的是最大 限度地提高混合和氣體溶解在聚合物熔體中另一種類(lèi)型的氣體的混合 在注射 過(guò)程中 大量的成核位點(diǎn) 幅度比常規(guī)的發(fā)泡工藝高幾個(gè)數(shù)量級(jí) 都是由一個(gè) 快速和大幅度壓降形成的聚合物 氣體溶液被注入到模腔中 從而導(dǎo)致細(xì)胞 氣 泡 的形成 在注射模制周期的其余部分 細(xì)胞繼續(xù)生長(zhǎng)以填充和包裝出的模 具 并隨后補(bǔ)償聚合物收縮的材料在模具內(nèi)冷卻 細(xì)胞生長(zhǎng)是通過(guò)量和溶解氣 體的空間分布驅(qū)動(dòng) 細(xì)胞的生長(zhǎng)也被通過(guò)處理?xiàng)l件如熔體壓力和溫度 以及材 料性質(zhì) 如熔體強(qiáng)度和氣體的溶解度進(jìn)行控制 最后 該部分的成形發(fā)生在模 具內(nèi) 直到模具打開(kāi)允許部分的噴射 通訊作者 電話(huà) TH16082620586 傳真 TH16082652316 2 電子郵件地址 turng engr wisc edu L S Turng 可在 ScienceDirect 內(nèi)容列表 聚合物 期刊主頁(yè) 0032 3861 e 見(jiàn)前面的問(wèn)題 2011 Elsevier 公司保留所有權(quán)利 DOI 10 1016 j polymer 2011 01 026 由于微注射成型工藝的發(fā)明 出現(xiàn)了對(duì)過(guò)程 材料并針對(duì)具體化的全過(guò)程 中潛在的技術(shù)發(fā)展的許多研究 根據(jù)以往的研究 1E5 微注射成型提供了許多 優(yōu)點(diǎn) 如成本節(jié)約 降低體重 緩解加工由于粘度低 和出色的尺寸精度 由 于這些優(yōu)點(diǎn) 該微注射成型工藝已被用于在許多行業(yè) 如汽車(chē) 電氣產(chǎn)品 以 及使用范圍廣泛的熱塑性塑料的家用電器 盡管有這些優(yōu)點(diǎn) 但是 微注射模制零件獨(dú)特的氣流標(biāo)記相關(guān)聯(lián)的表面缺 陷 被稱(chēng)為渦形痕跡在本論文 和缺乏平滑性仍然成為微孔注塑的主要缺點(diǎn)之 一 為了消除或減少這些表面缺陷有過(guò)研究嘗試 如報(bào)告在參考文獻(xiàn)的幾項(xiàng)研 究 6 14 一些研究人員已經(jīng)集中在模具表面的溫度修正 以提高微注 射模制零件 6 8 表面質(zhì)量 與聚合物泡沫體 發(fā)現(xiàn)氣泡在前進(jìn)熔體前沿形成 首先通過(guò)向模具表面的噴流的行為 其拉伸和后拖向模具壁造成渦形痕跡 9 在聚合物熔體的填充階段 保持模具壁溫度足夠高 氣泡在模具表面處 以消 除提高了微孔注塑件的表面質(zhì)量 通過(guò)快速 精確地控制模具溫度下使用模具 溫度控制單元或其它種類(lèi)的熱或表面加熱裝置 可以生產(chǎn)出微孔發(fā)泡塑料與光 澤和漩渦 自由表面 這里也一直努力消除對(duì)微注塑件的螺旋紋無(wú)需任何模具溫度控制器 特別 是 有人提出 插入絕緣體到模具壁可能有助于保持模具和聚合物之間的界面 溫度熔融高 這種技術(shù)基本上可以得到和模具 10 溫度下變形的相同結(jié)果 熱 分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明 加在模具上的絕緣層 可提高微孔注塑件 11 的表面質(zhì) 量 另一種具有改進(jìn)表面質(zhì)量制造部件的方法叫做微孔共注塑過(guò)程 12 在該 技術(shù)中 固體表面材料注入適量的注射發(fā)泡芯材料 這可以產(chǎn)生一個(gè)夾持 固 體表面發(fā)泡和芯固態(tài)皮膚 結(jié)構(gòu)與表面光潔度類(lèi)似于常規(guī)成型部件的同時(shí)部分 3 地保持微注射成型的優(yōu)點(diǎn) 用于改進(jìn)的微孔注塑件表面質(zhì)量的另一種方法是將氣體反壓過(guò)程 13 14 在這個(gè)過(guò)程中 高壓氣體被注入到聚合物 氣體溶液來(lái)抑制細(xì)胞的成核和氣泡生 長(zhǎng)之前的模具中 同時(shí)所述聚合物 氣體溶液被注入到模腔中 朝向注射結(jié)束時(shí) 計(jì)數(shù)器的氣體壓力被釋放并且氣泡開(kāi)始形成的空腔內(nèi) 既然大部分的零件表面 已經(jīng)凝固 氣流流痕被消除 盡管有這些努力來(lái)提高表面質(zhì)量 在應(yīng)用微孔注塑成型過(guò)程中 部分要求 具有高表面質(zhì)量的行業(yè)已經(jīng)遇到的困難 因?yàn)檫@些技術(shù)需要額外的設(shè)備而導(dǎo)致 成本高或維護(hù) 沒(méi)有改善微孔注塑件的表面質(zhì)量不用任何額外的設(shè)備或改造現(xiàn) 有設(shè)備的研究報(bào)道 本文提出了一種通過(guò)控制細(xì)胞的成核率來(lái)改善微孔注塑件表面質(zhì)量的新方 法 在這項(xiàng)研究中 細(xì)胞成核速率的顯著降低或延遲是通過(guò)控制的過(guò)飽程度和 使細(xì)胞核已于灌漿期延遲 在聚合物 氣體溶液容積填充模腔后 故意延遲成核 發(fā)生和形成的氣泡在聚合物基質(zhì)中 除非該材料已經(jīng)固化后接觸模具表面的表 面上 理論背景和實(shí)驗(yàn)結(jié)果在本文中闡述 顯微組織 表面輪廓 表面粗糙度 機(jī)械特性 尺寸穩(wěn)定性也進(jìn)行了研究在本研究中 第二章 理論 2 1 成核理論的聚合物泡沫 在聚合物泡沫 成核是指聚合物的氣體溶液中形成氣泡的初始階段 對(duì)于 成核 在它們生成和發(fā)展成宏觀的大小前 15 氣泡必須克服的自由能壘 根 據(jù)經(jīng)典形核理論 16e18 成核速率是由宏觀性質(zhì)和聚合物和氣體 如溶解性 擴(kuò)散性 表面張力 氣體濃度 溫度和過(guò)飽和度的狀態(tài)控制的 科爾頓和徐 19 20 報(bào)告了一個(gè)代表方程聚合物泡沫的成核率 除了數(shù)學(xué)表示 他們也證實(shí)其形核理論實(shí)驗(yàn)為使用高壓容器間歇發(fā)泡過(guò)程 由經(jīng)典形核理論 16 18 為主微孔泡沫成核方程可表示為 1 N 其中N是成核率 f是原子的分子晶格振動(dòng)的頻率 C是氣體分子的濃度 k為玻 4 爾茲曼常數(shù) T為絕對(duì)溫度 和DG 是用于成核的活化能壘 根據(jù)以前的研究 19 20 聚合物泡沫的成核速率是由兩部分組成 一個(gè)同 質(zhì)術(shù)語(yǔ)和異構(gòu)術(shù)語(yǔ) 活化能為均相成核由下式給出 2 16 33 2 其中 g 是氣泡界面的表面能和 P 被假定為氣體的飽和壓力 更精確地說(shuō) P 其中 Pr 是施加在高壓容器中 Pr 為過(guò)飽和蒸氣的樣品在 16 中的壓力的壓力 也就是說(shuō) P 是所施加到蒸汽的樣本壓力而不是樣品上的壓力 當(dāng)該飽和的 氣體在高壓容器中的壓力突然釋放觸發(fā)所謂的熱力學(xué)不穩(wěn)定性的樣品渲染成過(guò) 飽和狀態(tài) P r 變成 1 條 這樣比較低的公關(guān) P 可以近似為鐠 另一方面 活化能為異相成核受依賴(lài)于接觸的聚合物和顆粒之間 潤(rùn)濕 角 并且可以被表示為幾何因子 3a 3b 12 34cos 14cos 3 其中 f 為幾何因子 它是聚合物和第二相之間的界面取決于接觸角 且具有小于或等于 1 的值 對(duì)于大約 20 的典型的潤(rùn)濕角 固體粒子和聚合 物熔體之間的界面上 幾何因子是 2 7X 這表明為異相成核的能量勢(shì)壘10 3 可以由三個(gè)數(shù)量級(jí)的減少與接口的存在 20 21 2 2 成核理論微孔注塑成型 在間歇發(fā)泡過(guò)程 科爾頓和徐的理論通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證 由于在高壓容 器中的壓力和在樣品中的過(guò)飽和蒸汽的壓力之間的差大 溶解在聚合物中的氣 體壓力 在 P 中的吉布斯自由能方程 可約假定為飽和氣體壓力 假設(shè) P 是在批處理發(fā)泡過(guò)程相當(dāng)合理的氣體飽和壓力雖然由于先前的研究 15 報(bào)告過(guò) 度估計(jì) P 仍然可以具有約 30 40 的誤差 成核理論由科爾頓和徐是派生的 并從經(jīng)典的成核理論 16e18 修改 一般 是足夠批次發(fā)泡工藝的簡(jiǎn)化形式 然而 有必要對(duì)這一理論在微孔注塑和擠出 系統(tǒng)的情況下進(jìn)行修改 因?yàn)?P 不能被直接控制和計(jì)量 為了預(yù)測(cè)在核微孔 注塑成型和擠出過(guò)程更精確 本文提出了一種不同的形式 其中包括過(guò)飽和度 5 期的細(xì)胞形核理論 因?yàn)樗且环N直接控制因素 為避免錯(cuò)誤估計(jì) P 并考慮過(guò)飽和度 對(duì)于成核更正確的激活能量方程 可以從下面的公式 16 17 導(dǎo)出 4 P 2 其中 Rc 是特征液滴的半徑 并且 W Thomson 方程 5 ln 2 其中 PN 是飽和蒸汽 即 平衡壓力 的壓力 R 是通用氣體常數(shù) M 是摩爾 質(zhì)量 r 是密度 這些方程產(chǎn)量 6 ln 它也可表示為 7 1ln 其中 RL 是散裝液體的分子密度 以及 SD 鐠 PN 被定義為 supersaturation Thus 的程度 為成核的微注射成型過(guò)程中的活化能方程 參 見(jiàn)方程 2 可以通過(guò)以下方式給予 8 16 33 1ln 2 因而可以說(shuō) 在活化能為成核是成反比的過(guò)飽和度的自然對(duì)數(shù)的平方 在該微注射成型過(guò)程中 當(dāng)它被注入到模腔中時(shí)聚合物 氣體溶液變成過(guò)飽 和亞穩(wěn)態(tài)溶液 這是因?yàn)樵趬毫ρ杆傧陆禃r(shí)氣體能夠溶解在聚合物中的量為小 于最初溶解在聚合物熔體中的氣體量 特別是 假設(shè)空氣在空腔被正確排出 在前進(jìn)熔體前沿的壓力為大氣壓 可以由阿累尼烏斯型表達(dá)式來(lái)獲得關(guān)于溫度 22 的氣體在聚合物中在大氣壓力和處理溫度的溶解度 9 1 S 1 1298 其中 是氣體的聚合物在標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力條件下 298K 和 1 個(gè)大氣S 壓 中的溶解度 參數(shù) 是吸附的摩爾熱 Tmelt 是聚合物熔體的溫度 6 由此 過(guò)飽和度由下式給出 10 1 1298 其中 是可以由超臨界加以控制的氣體劑量流體 SCF 的供電系統(tǒng) 在標(biāo)準(zhǔn)溫度下 各種聚合物 氣體系統(tǒng)吸附的熱量 在許多先前公 布的研究進(jìn)行了研究和總結(jié) 為了得到過(guò)飽和度在微注射成型過(guò)程中的聚合物 氣體溶液 就必須要么測(cè)量在標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力下氣體在聚合物中的溶解度 或 公布?xì)怏w在該聚合物的溶解度的數(shù)據(jù) 在等式的活化能壘為核 8 G 可 以基于過(guò)飽和度計(jì)算和氣泡界面 克的表面能獲得的 給出的活化能壘和頻率 因子 f 成核速率 表示為公式 1 然后可以計(jì)算 氣泡界面的表面能和頻 率因子的估計(jì)值將在下面討論 在微注射成型中 聚合物 氣體溶液可以被視為一種液體混合物 因而 氣 泡的界面 克的表面能 可以表示為 23 24 11 4 1 其中 是該聚合物的表面能中 是密度和 是氣體的重量分?jǐn)?shù) 此外 對(duì)于氣體分子 F 是等式的頻率系數(shù) 1 可以表示為 24 26 12 4 2 其中 z 是澤利多維奇因素 占已達(dá)到臨界規(guī)模 但仍無(wú)法將增長(zhǎng)到可持 續(xù)氣泡許多集群 參數(shù) 是沖擊速率的氣體分子碰撞的群集的壁上 參數(shù) 可 以作為一個(gè)校正系數(shù) 并通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定 一旦獲得了成核速率的過(guò)飽和度的函數(shù) 可以控制氣體在聚合物熔體中 以控制或延緩細(xì)胞的成核的發(fā)生 SCF 的內(nèi)容 以便沒(méi)有氣泡形成于在前進(jìn)的 熔體前沿注射灌漿期 因此 允許部分微孔固體 漩渦自由表面進(jìn)行注射成型 第三章 實(shí)驗(yàn) 3 1 材料 在本研究中使用的材料是一種注塑級(jí)低密度聚乙烯 低密度聚乙烯 雪佛 7 龍菲利浦化學(xué)公司 德克薩斯州 美國(guó) 它具有 25 g 10 分鐘和 0 9253 的密 度 熔體指數(shù) 為了證實(shí)該理論 通過(guò)控制過(guò)飽和度 無(wú)規(guī)共聚聚丙烯 PP 的程度提高 表面質(zhì)量也被用于本研究 在本研究中使用的聚丙烯是 Titanpro SM668 鈦工 業(yè)株式會(huì)社制 馬來(lái)西亞 具有 20 g 10 分鐘和 0 93 的密度 熔體流動(dòng)指數(shù) 使用了兩種材料作為沒(méi)有任何著色劑 填料 添加劑或接收 商品級(jí)氮?dú)獗挥米魑锢戆l(fā)泡劑的微孔注射成型試驗(yàn) 3 2 微注塑成型 在這項(xiàng)研究中 在 Arburg320S 注塑機(jī) Arburg 公司 德國(guó) 用于兩個(gè)固 體常規(guī)和微孔注射成型實(shí)驗(yàn) 在這項(xiàng)研究中所使用的超臨界流體 SCF 的供電 系統(tǒng)是 S11 TR3 模型 Trexel 公司 沃本 MA USA 總的氣體量通過(guò)調(diào)節(jié)氣 體噴射時(shí)間 t 和氣體注入流量 M 克控制 拉伸試驗(yàn)?zāi)＞?其產(chǎn)生符合 ASTM D638 I 型標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣 被用于本實(shí)驗(yàn) 對(duì)于這兩種 LDPE 和 PP 拉伸試樣的注塑成型 噴嘴和模具溫度分別設(shè)定在 221 攝氏度和 25 攝氏度 循環(huán)時(shí)間為 40 秒 注塑速度為 80 厘米 3 s 在這 項(xiàng)研究中 六個(gè)不同的氣體劑量 濃度 用于低密度聚乙烯注塑如表 1 所示 此外 四種不同的氣體劑量被用于聚丙烯的微孔注射成型 超臨界流體在 140bar 的壓力下 以與該聚合物進(jìn)行混合熔化在該實(shí)驗(yàn)中注入注入桶 泡沫重 量減少與固體塑料件是針對(duì) 8 0 5 的每一個(gè)試樣 對(duì)于傳統(tǒng)的注塑成型試驗(yàn) 中 在 6 秒內(nèi)達(dá)到 2 0 2 立方厘米的注射量巴 0bar 的填充壓力被 對(duì)于該微注 射成型的實(shí)驗(yàn)中 聚合物熔體的注射量是 19 2 立方厘米和包裝階段就被淘汰 表 1 氣體劑量 濃度 采用微蜂窩注塑工藝 簡(jiǎn)化特性 聚合物 氣體類(lèi)型 注氣流量 KG 小時(shí) 天然氣用量 時(shí)間 s 近似的氣體 用量 wt MC1 L LDPE 氮 0 05 0 7 0 102 MC2 L LDPE 氮 0 06 0 75 0 135 MC3 L LDPE 氮 0 07 0 8 0 173 8 MC4 L LDPE 氮 0 08 1 0 0 255 MC5 L LDPE 氮 0 08 1 5 0 418 MC6 L LDPE 氮 0 11 1 5 0 575 MC1 P PP 氮 0 05 0 7 0 102 MC2 P PP 氮 0 07 0 8 0 173 MC3 P PP 氮 0 08 1 0 0 255 MC4 P PP 氮 0 11 1 5 0 575 3 3 分析方法 聯(lián)邦 Surfanalyzer4000 聯(lián)邦產(chǎn)品公司 RI USA 被用于分析模塑拉伸 試條試樣的表面粗糙度 常規(guī)和微注塑件的表面粗糙度在圖 3 所示的三個(gè)位置 進(jìn)行了評(píng)價(jià) 常規(guī)和微注塑件的表面粗糙度在圖 3 所示的三個(gè)位置進(jìn)行了評(píng)價(jià) 1 和基于測(cè)量所有三個(gè)位置進(jìn)行平均表面粗糙度記錄和報(bào)告 驅(qū)動(dòng)速度 驅(qū)動(dòng) 器和長(zhǎng)度為測(cè)試均 0 75 毫米 2 5 毫米 秒 和 25 毫米 對(duì)于每個(gè)處理?xiàng)l件 對(duì)每一個(gè)試樣 10 試樣和三個(gè)點(diǎn)進(jìn)行了測(cè)試 9 圖 3 低密度聚乙烯注塑件代表表面輪廓 除了表面粗糙度 微注塑樣品中通常通過(guò)一個(gè)三維表面輪廓觀察到渦形痕 跡 也可以清楚地表明 ZYGO 新視點(diǎn) Zygo 公司 CT USA 在這項(xiàng)研究中 一種非接觸式三維表面輪廓 掃描距離 10 注射成型零件表面輪廓用來(lái)觀 m 察 用以 15 kV 的加速電壓的 JEOL JSM 6100 掃描型電子顯微鏡觀察該發(fā)泡部 分的微結(jié)構(gòu) 觀察微孔注塑件試件的橫截面分別用液氮冷凍并隨后破裂 選擇 每個(gè)不同工藝條件的代表圖像和細(xì)胞大小和密度進(jìn)行分析 用一個(gè) UTHSCSA 圖 像工具作圖像分析軟件 以評(píng)估細(xì)胞密度和大小 一個(gè) MTS SINTECH 10GL 螺桿驅(qū)動(dòng)的機(jī)器是用來(lái)測(cè)試的模標(biāo)本 包括屈服應(yīng) 力 斷裂伸長(zhǎng)率 彈性模量和極限應(yīng)力的主題力學(xué)性能 十個(gè)試樣的每個(gè)條件 10 進(jìn)行了測(cè)試 拉伸試驗(yàn)速度為 50 8 毫米 分鐘 美國(guó) ASTM 拉伸桿的原理圖和各 種分析的位置示于圖 1 圖 1 原理 ASTM 拉伸試棒 測(cè)試位置 要測(cè)試的注塑試樣的尺寸穩(wěn)定性 撥盤(pán)卡尺三豐制作使用 模腔的尺寸被 第一測(cè)量 然后測(cè)定所獲得的注塑件和與所述模腔的實(shí)際尺寸進(jìn)行比較 第四章 結(jié)果與討論 4 1 表面輪廓和粗糙度測(cè)量 作為一種視覺(jué)插圖 圖 2 示出了代表性的注射成型的低密度聚乙烯 LDPE 的部件 為了更好地揭示照片中的表面質(zhì)量 5 重量 的著色劑加入 到該材料雖然未經(jīng)著色劑也可以獲得相同的表面質(zhì)量 如預(yù)期的 在現(xiàn)有的固 體注塑部分 圖 2 a 有光澤的和無(wú)瑕疵的表面 另一方面 典型的微孔注 塑部分 圖 2 b 產(chǎn)生具有中等或高氣體濃度有由于渦形痕跡一個(gè)無(wú)光澤表 面 一種微蜂窩塑料部分 圖 2 c 模制的 0 173 重量 或更少的嚴(yán)格控制 的氣體濃度比常規(guī)固體注塑部分具有高品質(zhì)的表面光潔度 無(wú)渦形痕跡或缺陷 的表面上觀察到 對(duì)于聚丙烯 PP 可以觀察到微孔注塑件為 0 173 重量 或 更少也表現(xiàn)出旋流和無(wú)光亮表面的氣體產(chǎn)生量 11 圖 2 代表注模 LDPE 部分 a 常規(guī)固體注塑部分 b 微孔注塑部分具有 高氣體濃度 0 173wt 及 c 微注射成型部件具有低氣體濃度 0 173wt 為了更好地揭示了表面質(zhì)量 5 重量 的著色劑加入到該材料 在本文所報(bào)道的所有其他成型實(shí)驗(yàn)中 所用的材料如無(wú)著色劑接收 圖 3 示出的注射模塑部件由 LDPE 制成的代表性的表面進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn) 對(duì)于這 種材料 微孔塑料零件成型用的 0 173 重量 或更少 即 MC1 L MC2 L 和 MC3 L 的氣體量 參見(jiàn)表 1 具有等同于常規(guī)的注射模制的表面質(zhì)量部分 對(duì)于 那些部分 在表面上的任何渦形痕跡是不可見(jiàn)的 肉眼 參照?qǐng)D 2 另外 通 常存在于微孔注塑件的缺乏光滑度和亮度的人不易覺(jué)察到觸摸或?qū)θ说难劬?微孔注射成型 PP 試樣顯示出類(lèi)似的結(jié)果 以低密度聚乙烯 因而未示出 MC1 P 和 MC2 P 已漩渦 自由表面沒(méi)有任何明顯的表面缺陷 另一方面 MC3 P 和 MC4 P 它具有較高的氣體量 顯示渦形痕跡在其表面上 并具有粗糙的表面像 人們可想到的典型微孔注塑件相關(guān)聯(lián) 如該圖 3 a 所示 常規(guī)的 LDPE 注塑部分的表面具有由于由聚合物的重 復(fù)流誘導(dǎo)其表面融化以上任一加工痕跡或正常磨損條紋就可以了 除了這些條 紋 它具有光滑和均勻的表面輪廓 圖 3 b 示出了該微 LDPE 注塑成 0 173 重量 或更少的氣體濃度的代表性的表面輪廓 它有一個(gè)光滑平整的表面輪廓 媲美傳統(tǒng)的注塑件 12 另一方面 用氮?dú)獬^(guò) 0 173 重量 的微孔聚乙烯塑料成型表面上螺 旋紋和表面粗糙是顯而易見(jiàn)的 如圖 2 D 和圖 3 的三維表面圖 圖 3 c 示為 黑色所示的區(qū)域 3 c 是在該表面輪廓無(wú)法測(cè)量的高度差 由于不平坦的表 面超過(guò)了預(yù)先設(shè)定的測(cè)量范圍 即 直徑 10mm 的域 常規(guī)和微孔聚丙烯注 塑件的表面輪廓是與 LDPE 同行非常相似的 如前所述 微孔注塑件 如螺旋紋和缺乏平滑性 表面缺陷是由氣泡在在 模具填充階段的前進(jìn)熔體前沿形成引起的 這些泡沫是由噴流輸送行為朝向模 具表面 并由傳入聚合物熔體 6 9 隨后拉伸和拖向模具壁 在該微注射成型過(guò) 程導(dǎo)致的降低的過(guò)飽和 使用的少量的氣體導(dǎo)致在所需的成核的活化能大大增 加了 升高的活化能導(dǎo)致大顆粒的成核速率 這延緩了成核和氣泡隨后的生長(zhǎng) 在前進(jìn)的熔體前沿 并隨后被拖動(dòng)和拉伸在模具壁 使形成的氣泡的概率顯著 地減小 表 2 示出了基于該核理論含有過(guò)飽和的先前呈現(xiàn)的程度微孔注塑件的理論 上的成核速率 對(duì)于所考慮的原料及實(shí)驗(yàn) 不變的 被假定為z 13 從參考文獻(xiàn) 27 得到的氮中的 LDPE 的溶解度 氮在聚丙1 0 1011 s 1 2 烯中的溶解度是已知的 根據(jù)由 Park 和他的同事們 28e30 和未發(fā)表的研究結(jié) 果進(jìn)行和以前的研究相比更高 LDPE 約為 35 因此 給定氣體的量相同 過(guò) 飽和度為 PP N2 度變得比 LDPE N2 To 更低 約為 25 為考慮到溫度對(duì)表面 張力的影響 海姆方程報(bào)道在參考文獻(xiàn) 31 用于表面張力對(duì)溫度的計(jì)算 氮的 密度為使用真實(shí)氣體 32 的屬性數(shù)據(jù)由工程方程求解 EES 獲得 表 2 微孔注塑件的理論成核速率 配方 C number 3 dyne cm S g g 3 1 MC1 L 1 92E19 20 9 3 28 1 65E 7 5 59E 19 3 93E 22 MC2 L 2 55E19 20 9 4 35 2 05 E7 3 65E 19 7 74E 10 MC3 L 3 27E19 20 8 5 58 2 40E 7 2 63E 19 2 37E 3 MC4 L 4 83E19 20 8 8 24 2 94E 7 1 75E 19 9 36E2 MC5 L 7 91E19 20 6 13 5 3 63E 7 1 11E 19 1 03E7 MC6 L 1 09E20 20 5 18 5 4 07 E7 8 72E 20 3 91E8 MC1 P 1 90E19 17 9 2 43 1 24E 7 6 29E 19 1 77E 26 MC2 3 24E19 17 9 4 13 1 98E 2 46E 3 07E 2 14 P 7 19 MC3 P 4 78E19 17 8 6 10 2 52E 7 1 49E 19 4 08E4 MC4 P 1 08E20 17 5 13 7 3 65E 7 6 74E 20 6 38E9 如表 2 所示 為 MC1 L 理論的成核速率 MC2 L MC3 L MC1 P 和 MC2 P 即 微注射成型部件沒(méi)有在表面上具有螺旋紋敢顯著小 另一方面 作為與 超出 0 173 重量 的氣體劑量的過(guò)飽和度增加 活化能為核減小 而核率 急劇增大 在成核速率和活化能為氣體劑量的函數(shù)的急劇變化繪制在圖 4 由 于氣體的量增加增量 成核速率的增加顯著 并在某一點(diǎn) 許多泡孔核形成足 夠的氣泡 以使微孔注塑件的表面上的螺旋紋 在表 2 中 可以相信 在 LDPE 和 PP 之間的成核速率與細(xì)胞大小的差別主要是由于在聚合物熔體和氮?dú)庠诰酆?物中的溶解度的表面張力差異 15 圖 4 活化能為成核和核率與氣體劑量 a LDPE 及 b PP 圖 5 示出細(xì)胞的成核時(shí)的聚合物 氣體溶液被注入到模腔中的機(jī)制 作為聚 合物 氣體溶液被注入到模具中 在壓力下降時(shí)沿水流方向向著前進(jìn)的熔體 在 這點(diǎn)上 壓力為大氣壓力 當(dāng)壓力降低時(shí) 氮?dú)獾木酆衔餃p少 而過(guò)飽和程度 增加的溶解度 使得成核開(kāi)始出現(xiàn) 理論上 起點(diǎn)為細(xì)胞產(chǎn)生核是在哪里過(guò)飽 和度變?yōu)榇笥趩挝坏狞c(diǎn) 然而 細(xì)胞的成核率仍然過(guò)小 因此可以忽略不計(jì)在 這一刻 成為表面的質(zhì)量問(wèn)題 一個(gè)顯著高泡孔成核評(píng)估可以引起泡沫塑料的 表面上螺旋紋應(yīng)該是大約在 至 該細(xì)胞成核速率范圍對(duì)應(yīng)于10 1 101cm 3 1 一定程度的過(guò)飽和度 LDPE 的為 6 1 和 7 0 之間為和聚丙烯的為 4 2 和 4 7 之間 16 如該圖所示 圖 5 a 中 作為氣體量減少時(shí) 起點(diǎn)細(xì)胞成核延遲 可以想象 的是 低于一定程度的過(guò)飽和 泡孔成核不前的聚合物 氣體溶液的熔體前沿接 觸模具壁發(fā)生 一旦固體表層固化 渦流 自由表面上形成 在這之后 細(xì)胞 開(kāi)始成核和生長(zhǎng)在炎熱聚合物芯的冷卻模具內(nèi) 直到材料凝固 圖 5 起點(diǎn)核細(xì)胞為 1 高的氣體在灌漿期的濃度 2 中度氣體濃度 以及 3 低氣體濃度 通過(guò)控制過(guò)飽和度 并因此控制細(xì)胞的成核速率 可以延遲或抑制發(fā)泡部 的表面上形成氣泡 這就是為什么微孔注射成型 LDPE 零件的為 0 173wt 或更 少的氮含量比那些具有更高劑量的氣體有更平滑表面 參見(jiàn)圖 6 在圖 6 和 是平均值 均方根 以及最大的峰 谷高度粗糙度 MC4 Ra 分 別 L MC5 L 和 MC6 L 具有粗糙 75 101 表面 平均比傳統(tǒng)的注射成型部件 此外 這些微孔注塑件顯示粗糙度的寬偏差表明控制表面粗糙度的難度 另一方面 樣品注射成型用的 0 173wt 或更少的氮具有表面比那些具有中等或高氣體濃 度更加平滑 但它們?nèi)员葌鹘y(tǒng)的注射模塑部件粗糙 11 20 當(dāng)表面粗糙度的 標(biāo)準(zhǔn)偏差被認(rèn)為是 旋流無(wú)微孔注塑件具有與傳統(tǒng)模制零件相當(dāng)類(lèi)似的表面 17 測(cè)試結(jié)果的 PP 顯示出類(lèi)似的圖案的那些的 LDPE 如圖所示 圖 6 b 所示 圖 6 表面常規(guī)和微注塑件的表面粗糙度 a 低密度聚乙烯 b PP 4 2 微觀結(jié)構(gòu) 表 3 和圖圖 7 示出了泡孔直徑和微孔注塑件與氣體量密度 基于圖 8 中所 示的細(xì)胞結(jié)構(gòu)的 SEM 圖像的泡孔直徑和密度并用圖像分析軟件 UTHSCSA 圖像 工具 進(jìn)行分析和計(jì)算 作為氣體量增加 平均泡孔直徑減小和細(xì)胞密度增加 據(jù)認(rèn)為 由于具有較高的過(guò)飽和度和增加的細(xì)胞的成核速率 在充填階段成核 過(guò)程中的細(xì)胞更多和更早 對(duì)于微孔注射成型 LDPE 部件與在其表面上無(wú)渦形痕 跡 平均氣泡直徑為超過(guò) 550 毫米 另一方面 微注射成型 LDPE 份具有渦形痕 跡可以具有小于 300 毫米和細(xì)胞密度比其漩渦 自由對(duì)應(yīng)約 8 倍以上的平均泡 18 孔直徑 對(duì)于聚丙烯 微孔注塑件 直徑 149 米和細(xì)胞密度為 27 000 平均立方厘 米的氣泡被未經(jīng)其表面上螺旋紋實(shí)現(xiàn) MC1 P 具有比 MC2 P 更大稀疏氣泡 產(chǎn) 生了巨大的泡孔尺寸分布 另一方面 MC3 P 和 MC4 P 有內(nèi)部小和更密集的氣 泡 此外 MC3 P 和 MC4 P 的氣泡尺寸比 MC1 P 標(biāo)本更正規(guī) MC2 P 比 MC1 P 有 更小 更均勻 更密集的氣泡雖然它有比 MC3 P 或 MC4 P 樣品相對(duì)較大和稀疏 的氣泡 從這些顯微組織的分析 可以得出的結(jié)論是模制有中等或較高氣體濃度典 型微孔塑料比那些模塑具有較低的氣體含量具有更小和更密集的氣泡 對(duì)于漩 渦無(wú)微孔注塑件 由于細(xì)胞在充填階段比典型的微孔注射成型的成核發(fā)生得更 慢更遲 所以它是一種權(quán)衡較細(xì)和較致密的細(xì)胞形態(tài)的 與核的數(shù)量較少時(shí) 模制零件往往有較大的和稀疏的氣泡 而相比于那些在典型的微注射模制零件 的細(xì)胞大 由于較慢的成核速率 這些細(xì)胞仍處于亞毫米范圍內(nèi) 然而 應(yīng)該 指出的是 典型的微孔注塑件通常具有 100 毫米或更小和周?chē)?106 cells cm3 的細(xì)胞密度的細(xì)胞大小 此外 細(xì)胞形態(tài)可以影響機(jī)械性能和尺寸穩(wěn)定性 在 下面的章節(jié)將介紹對(duì)它們進(jìn)一步的研究 氣體發(fā)泡的結(jié)晶和結(jié)晶形態(tài)的影響 以及在微注射成型 參見(jiàn) 33 35 數(shù)學(xué)建模和數(shù)值預(yù)報(bào)需要進(jìn)一步的研究 4 3 機(jī)械性能 圖 9 示出的微孔注塑件的相對(duì)的力學(xué)性能與傳統(tǒng)的注塑件之比 對(duì)于 LDPE 應(yīng)變?cè)阡鰷u無(wú)微孔注塑件斷比比微孔部件具有更低更小的和更均勻的具 有較高的氣體濃度 從而更均勻和斷裂之前不再伸長(zhǎng)關(guān)聯(lián)氣泡 發(fā)現(xiàn)不同的氣 體量對(duì)于屈服應(yīng)力無(wú)明顯變化 有趣的是 漩渦無(wú)微孔注塑件具有比典型的微 孔更好的彈性模量和極限應(yīng)力注塑件 這是因?yàn)榻档土税l(fā)泡劑增加皮膚層的未 發(fā)泡 使得一些微孔注射成型部件的機(jī)械性能增加 36 38 19 圖 9 如相對(duì)于傳統(tǒng)的注塑件微孔注射的相對(duì)的力學(xué)性能模塑部件 a LDPE b PP 聚丙烯試樣表現(xiàn)類(lèi)似于 LDPE 試樣中所示的機(jī)械性能 MC1 P 和 MC2 P 的彈性模量分別為顯著超過(guò) MC3 P 和 MC4 P 的 另外 低氣體含量的注塑 件比他們同類(lèi)型有更高的最終應(yīng)力 菌株在漩渦的無(wú)微孔注塑件比典型的 微孔注塑試樣要少得多 顯而易見(jiàn)的是 微孔塑料的細(xì)胞形態(tài)嚴(yán)重影響其 機(jī)械性能 也可能是斷裂伸長(zhǎng)率顯著影響它的細(xì)胞形態(tài) 一種微注射成型 零件具有更微小的氣泡和氣泡均勻分布往往表現(xiàn)出比那些用更少但更大的 泡沫有更大的斷裂伸長(zhǎng)率 4 4 尺寸穩(wěn)定性 注塑件與氣體濃度的尺寸穩(wěn)定性如圖 10 所示 如氣體含量的增加微孔 注塑件的收縮率明顯降低 兩個(gè) LDPE 和 PP 試樣變化在厚度方向上都大于 20 流動(dòng)方向和橫向 如果單元格核太低 可能無(wú)法完全實(shí)現(xiàn)改善尺寸穩(wěn)定性 一個(gè)用氮?dú)獾?0 173wt 的微孔 LDPE 部分的收縮最接近研究中的常規(guī)注塑 部分的六個(gè)不同批次的試樣 對(duì) PP 用收縮類(lèi)似的模式進(jìn)行觀察 由于 PP 小而致密的氣泡 收縮率在每一個(gè)方向比低密度聚乙烯微孔注射成型 LDPE 的低 圖 10 注射收縮成型部件與氣體用量 a 的 LDPE b PP 21 第五章 結(jié)論 通過(guò)降低過(guò)飽和度 活化能會(huì)使核細(xì)胞增加 從而大大降低了泡孔成 核速率 這阻礙了在模具填充階段的細(xì)胞的成核 從而防止對(duì)聚合物 氣體 溶液的形成熔體前沿形成氣泡 從而產(chǎn)生渦流的無(wú)微孔注塑件 從理論和 實(shí)驗(yàn)上這 項(xiàng)研究表明這種方法的可行性 在這項(xiàng)研究中旋流無(wú)微孔注塑件產(chǎn)生了類(lèi)似的表面質(zhì)量 比傳統(tǒng)的注 塑成型件的重量減輕 8 的優(yōu)勢(shì) 表面缺陷 如缺乏亮度 氣體流痕 和粗 糙表面長(zhǎng)久以來(lái)都被認(rèn)為是微孔注射成型過(guò)程不可避免的缺點(diǎn) 該成型方 式如果沒(méi)有進(jìn)行了無(wú)需任何附加設(shè)備或設(shè)備改造或是所要求的其他方法將 被淘汰 典型的微孔注塑件的微觀結(jié)構(gòu)顯示出比漩渦無(wú)微孔注塑件更小和更密 集的氣泡 可以看出 隨著氣體量逐漸增大 注塑件具有減小的氣泡大小 和增加的泡沫密度 同時(shí)保持表面的質(zhì)量 直到達(dá)到一定程度的過(guò)飽和或 氣體的劑量為止 當(dāng)達(dá)到這個(gè)閾值 然而 細(xì)胞的成核速率足夠高 渦形 痕跡開(kāi)始出現(xiàn)在表面上 如何精確地去維護(hù)所希望的細(xì)胞的形態(tài) 也就是 更小和更密集的氣泡供一個(gè)漩渦 自由表面為微孔注塑件需要進(jìn)一步調(diào)查 在渦流無(wú)微孔注射成型部件的斷裂應(yīng)變比典型的微孔注塑部分的明顯 降低 另一方面 渦流無(wú)微孔注射成型部件表現(xiàn)出比典型的微孔注塑部分 更高的彈性模量和極限應(yīng)力 對(duì)于尺寸穩(wěn)定性 微孔的注塑件的收縮因增 加氣體的用量而被減小 模塑用 0 173wt 的氮甲漩渦無(wú)微孔 LDPE 標(biāo)本 顯示可接受的收縮性能與常規(guī)的注射成型部件具有可比性 或更好在某些 情況下比 在這項(xiàng)研究中 使用一個(gè)恒定的模具填充速率 然而 不同的模具填 充速率會(huì)影響在腔中的壓力 進(jìn)而影響細(xì)胞的成核速率 這種模具灌漿速 率效應(yīng)和氣體發(fā)泡的結(jié)晶和結(jié)晶形態(tài) 以及在微注射成型的數(shù)學(xué)建模和數(shù) 值預(yù)報(bào)的影響還需要進(jìn)一步研究 22 致謝 作者感謝 Energizer 個(gè)人護(hù)理產(chǎn)品提供的財(cái)政和技術(shù)支持 此外 作者 由衷地感謝微孔塑料制造實(shí)驗(yàn)室在多倫多大學(xué)提供一些在本研究中使用的 技術(shù)數(shù)據(jù) 參考文獻(xiàn) 1 Trexel 公司 Inc 網(wǎng)站 2 Knights M 塑料技術(shù) 1999 45 41 3 Kramschuster A Cavitt R Turng LS 陳 ZB Ermer D 塑料 橡 膠和復(fù)合材料 2007 35 198 4 Yoon JD Cha SW Chong TH Ha YW 聚合物 塑料技術(shù)與工程 2007 46 815 5 Shen C Kramschuster A Ermer D Turng LS 國(guó)際聚合物加工 2006 年 21 393 6 Cha SW Yoon JD 聚合物 塑料科技 2005 年工程 44 795 7 Smith C 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