李帥，徐一涵，孫雪梅，麻曉飛*，孫成通，盧世偉，李洋

(1. 臨沂大學 機械與車輛工程學院，山東 臨沂 276005；2. 青島海信模具有限公司，山東 青島 266114)

與常規(guī)塑料相比，發(fā)泡塑料具有質輕、比強度高、熱導率低、隔熱保溫、減震性能好等優(yōu)點[1-4]。目前，針對發(fā)泡注塑設備[5-7]及發(fā)泡劑[8-10]等方面開展了大量研究工作?；瘜W發(fā)泡注塑具有裝備簡單、成本低及生產穩(wěn)定等特點，占據(jù)了大部分發(fā)泡注塑成型的應用市場。

與常規(guī)注塑產品相比，化學發(fā)泡注塑產品(chemical foaming injection molding,CFIM)表面有氣痕缺陷，需經打磨、噴涂等二次工序方可作為外觀產品應用。為消除發(fā)泡注塑產品表面缺陷，Yang[11]采用高電阻率金屬片材對模具進行加熱的方法，提高了發(fā)泡注塑產品的表面質量。Cha等[12]研究發(fā)現(xiàn)當模溫達到PP的結晶溫度或ABS的玻璃化轉變溫度時，可完全消除PP化學發(fā)泡注塑件及ABS化學發(fā)泡注塑件的表面氣痕缺陷。Bociaga等[13]發(fā)現(xiàn)模溫對化學發(fā)泡注塑件表面質量的影響最為顯著。Bledzki等[14]研究發(fā)現(xiàn)吸熱型發(fā)泡劑使微孔化學發(fā)泡注塑產品表面粗糙度下降了近70%。蔣團輝[15]利用一種變容積釋壓倉微發(fā)泡裝置，發(fā)現(xiàn)升高溫度可減少化學發(fā)泡注塑件表面氣痕缺陷。

針對物理發(fā)泡注塑工藝，有些學者利用動態(tài)模溫控制技術來提高模具溫度，最終減少了塑件表面的氣痕缺陷[16-17]。與動態(tài)模溫控制技術的影響機理類似，在模具型腔表面覆絕熱膜[18-19]的方法同樣可以提高模具溫度，從而減少塑件表面的氣痕缺陷。Lee等[20]通過理論分析提出了減少超臨界流體(supercritical fluid，SCF)含量的方法，從而提高了微發(fā)泡注塑件的表面質量。Peng等[21]以水作為物理發(fā)泡劑進行了微發(fā)泡注塑，發(fā)現(xiàn)與氮氣相比，以水作為物理發(fā)泡劑成型的塑件表面質量更好。

除此之外，氣體反壓(gas counter pressure,GCP)技術[22-24]是一種有效消除發(fā)泡注塑產品氣痕缺陷的方法。朱敏杰[25]利用氣體反壓輔助化學發(fā)泡注塑工藝，成功制得了化學發(fā)泡注塑打印機外觀底座。Wu等[26]構建了具有熱流道模具的氣體反壓輔助化學發(fā)泡注塑實驗線，獲得了表面質量良好的發(fā)泡注塑產品。Chen等[27-28]結合氣體反壓技術和和模溫控制技術，發(fā)現(xiàn)氣體反壓技術可大幅度提高塑件的表面質量。

氣體反壓技術可有效提高發(fā)泡注塑產品的表面質量，然而，目前該技術消除發(fā)泡注塑件表面氣痕缺陷的機理尚不明確。因此，本文以拉伸樣條為研究對象，系統(tǒng)研究了氣體反壓技術對熔體發(fā)泡行為的影響。根據(jù)實驗獲得的結果，提出了兩個臨界反壓壓力和一個臨界反壓壓力作用時間，揭示了氣體反壓技術對化學發(fā)泡注塑過程中熔體發(fā)泡行為的影響機理。

1 實驗

1.1 產品模型

以標準拉伸樣條(ASTM: D638)為成型產品，產品模型如圖1所示。

圖1 氣體反壓輔助化學發(fā)泡注塑試樣Fig.1 GCP assisted CFIM spline

1.2 成型原料

以通用型PP為成型材料，成型前將PP放置于80 ℃環(huán)境下干燥6～8 h。以偶氮二甲酰胺(azodicarbonamide，AC)作為發(fā)泡劑，在干燥后的PP料中添加質量分數(shù)1.5%的AC發(fā)泡劑進行發(fā)泡注塑。

1.3 成型設備

選用海天塑機(MA3200)為成型設備。選用自鎖噴嘴替換注塑機普通噴嘴，自鎖噴嘴在熔體注射時開啟，注射過程結束時關閉。利用自主研制的氣體反壓控制設備實現(xiàn)對氣體反壓壓力及其作用時間的控制?？諝鈮嚎s機作為反壓氣源。通過上述方法構建的氣體反壓輔助化學發(fā)泡注塑實驗線如圖2所示。

1.4 實驗設計

采用全析因實驗設計方法，進行不同反壓壓力和反壓作用時間組合下的注塑實驗，通過對比分析塑件表面質量和內部泡孔，揭示氣體反壓技術對熔體發(fā)泡行為的影響機理。氣體反壓參數(shù)取值如表1所示。

圖2 氣體反壓輔助化學發(fā)泡注塑實驗線Fig.2 Test line of GCP assisted CFIM process

表1 氣體反壓參數(shù)取值

1.5 試樣測試

大景深三維顯微系統(tǒng)：用于成型樣條內部泡孔形態(tài)的觀察，觀察前對樣條淬斷，如圖1中A、B、C所示為淬斷及觀察位置。

相機：華為技術有限公司生產，型號為Mate 20 X。用于不同塑件表面質量的直接觀察。

2 結果與討論

2.1 表面泡孔

圖3為反壓作用時間為2.3 s時，不同反壓壓力成型的樣條?？梢钥闯觯敺磯簤毫? MPa時，樣條表面存在大量氣痕缺陷。隨著反壓壓力的增大，樣條整體的表面氣痕缺陷均逐漸減少，當反壓壓力達到0.4 MPa時，樣條表面無任何氣痕缺陷。

a 0 MPa；b 0.2 MPa；c 0.4 MPa；d 0.6 MPa；e 常規(guī)注塑圖3 氣體反壓輔助化學發(fā)泡注塑樣條與常規(guī)注塑樣條的對比照片F(xiàn)ig.3 Comparison pictures of GCP assisted CFIM samples and regular injection molding sample

氣體反壓技術可有效抑制成型過程中流動前沿泡孔的破裂行為，從而減少塑件的表面氣痕缺陷，當反壓壓力達到一定值時，流動前沿泡孔的破裂行為被完全抑制，塑件表面無任何氣痕缺陷。

2.2 內部泡孔

圖4為不同反壓壓力及其作用時間組合下成型樣條內部泡孔對比圖片。由圖4a～c可以看出，反壓壓力對塑件內部泡孔的影響較大。隨著反壓壓力的增大，塑件各個部位的泡孔均逐漸減少。成型過程中反壓壓力越高，熔體的發(fā)泡行為受到的抑制作用越大，導致泡孔形核點越少，從而塑件內部泡孔數(shù)量越少。

圖4 不同氣體反壓參數(shù)對注塑樣條內部泡孔形態(tài)的影響Fig.4 Effect of different GCP parameters on inner cell morphology of samples

對比圖4b和4d可以發(fā)現(xiàn)，反壓作用時間對塑件內部泡孔影響較大。當反壓作用時間為2.3 s時，高壓氣體卸除時熔體溫度較高，此時熔體具有二次發(fā)泡能力；當反壓作用時間為60 s時，高壓氣體卸除時熔體已冷卻定型，此時熔體無法再次發(fā)泡。

由圖4b(ii)和4d(ii)可知，當反壓壓力為0.2 MPa、反壓作用時間為2.3 s和60 s時，塑件內部均存在泡孔。當反壓壓力較小時，熔體的發(fā)泡行為受到一定抑制，但仍有發(fā)泡能力，此時熔體的發(fā)泡分為填充過程中發(fā)泡和反壓壓力卸除后的二次發(fā)泡。

對比圖4b(iii)和4d(iii)，當反壓壓力為0.4 MPa、反壓作用時間為2.3 s和60 s時，塑件內部均有泡孔，反壓作用時間為60 s時塑件內部泡孔極少。隨著反壓壓力的提高，填充過程中熔體發(fā)泡行為抑制較大，塑件內部泡孔主要是由高壓氣體卸除后的二次發(fā)泡形成的。

對比圖4b(ⅳ)和4d(ⅳ)，當反壓壓力為0.6 MPa、反壓作用時間為2.3 s時，成型的樣條內部有泡孔存在，而反壓作用時間為60 s時成型的樣條內部無任何泡孔存在。當反壓壓力超過一定值時，填充過程中的發(fā)泡被完全抑制，塑件內部泡孔全部由二次發(fā)泡形成。

2.3 影響機理

由實驗結果發(fā)現(xiàn)，氣體反壓輔助化學發(fā)泡注塑工藝中存在兩個臨界壓力和一個臨界時間，即熔體流動前沿泡孔不破裂的臨界反壓壓力(pa)、熔體不發(fā)泡的臨界反壓壓力(pb)和二次發(fā)泡卸壓時間(tc)?；谏鲜鲅芯?，提出了反壓壓力(p)及其作用時間對化學發(fā)泡注塑過程熔體發(fā)泡行為的影響機理示意圖，如圖5所示。

當p=0時，屬于常規(guī)化學發(fā)泡注塑，熔體流動前沿存在大量泡孔破裂行為，導致塑件表面存在大量氣痕缺陷。

當0

當pa≤p

當p≥pb時，熔體發(fā)泡行為被完全抑制，塑件表面無任何氣痕缺陷。

當t

圖5 氣體反壓技術對熔體發(fā)泡行為的影響機理示意圖Fig.5 Schematic diagram of influence mechanism of GCP technology on melt foaming action

4 結論

通過全析因實驗，給出了氣體反壓技術對熔體發(fā)泡過程的影響機理示意圖。在注塑生產過程中，反壓壓力等于或稍大于前沿泡孔不破裂的臨界反壓壓力，且反壓作用時間等于或稍大于熔體填充時間時，可獲得表面質量優(yōu)良、泡孔數(shù)量較多的發(fā)泡注塑外觀產品。