任建平 ，鄭貝貝 ，傅瑩龍 ，張留偉 ，蔣晶 ，李倩

(1.臺州科技職業(yè)學院模具研究所，浙江臺州 318020；2.鄭州大學微納成型技術(shù)國際聯(lián)合研究中心，鄭州 450001)

當前，由于環(huán)保和節(jié)能的需要，汽車輕量化已成為節(jié)能減排的重要措施之一，對汽車工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展有重要的戰(zhàn)略意義[1-3]。響應(yīng)環(huán)保的提倡與規(guī)范，許多先進綠色成型技術(shù)陸續(xù)發(fā)展并成功應(yīng)用在生產(chǎn)制造中，包括模具熱澆道系統(tǒng)、雙料或雙色注塑技術(shù)、液體或氣體輔助注塑、超臨界微孔發(fā)泡注塑等；符合環(huán)保應(yīng)用的新材料也在不斷地研發(fā)，包括生物可分解材料、納米復合材料、高導電材料、高導磁材料、高導熱材料等[4-5]。目前適合汽車輕量化塑件的注塑工藝有薄壁注塑[6]、碳纖維復合材料注塑[7]、氣體(液體)輔助注塑[8-9]、超臨界微孔發(fā)泡注塑[10]。其中，超臨界微孔發(fā)泡注塑具有節(jié)省制造成本(減輕質(zhì)量6%～12%，降低料溫和模溫，減少周期15%～35%)、改善塑件質(zhì)量(尺寸穩(wěn)定性好，減少內(nèi)應(yīng)力，改善平整度減少翹曲)、設(shè)計靈活(無須擔心凹痕，可以設(shè)計薄壁和厚加強筋)等優(yōu)點[11]，使其在汽車輕量化領(lǐng)域中具有非常重要的應(yīng)用價值。由于溫度與壓力的變化規(guī)律、樹脂基體與發(fā)泡劑組合及配比、CAE研發(fā)等問題都尚未得到很好地解決，使得成型過程難以控制。另外由于微孔的逃逸和破裂導致微孔發(fā)泡塑件表面光潔度不高，塑件表面易產(chǎn)生渦流痕、銀紋、表面微泡和表面開孔等缺陷[12]。這種表面缺陷的存在使微孔發(fā)泡在外觀塑件的應(yīng)用受到限制。

型腔氣體反壓(GCP)輔助微孔發(fā)泡注塑(GCP-MIM)工藝是在傳統(tǒng)微孔發(fā)泡注塑(MIM)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。在GCP-MIM過程中，GCP有利于泡孔核克服臨界自由能壘，有效提高微孔發(fā)泡體的均相成核率，且有助于降低引起泡孔破裂的泡孔內(nèi)壓力，最終減少泡孔破裂的機會，減少甚至消除塑件的表面螺旋紋缺陷，有助于提高塑件的表面質(zhì)量。S.C.Chen等[13]利用GCP技術(shù)控制聚苯乙烯(PS)材料微孔發(fā)泡程度，探究熔體在模腔內(nèi)的流動行為，發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)注塑工藝相比，氣體反壓壓力由5 MPa增加到15 MPa時，PS的熔體黏度降低了30%。J.W.S.Lee等[14]同樣在MIM中利用GCP技術(shù)，成功降低產(chǎn)品表面粗糙度，雖然產(chǎn)品的減重比由12.8%降低至10.2%，但泡孔均勻性較好。董桂偉等[15]利用變模溫和GCP協(xié)同控制MIM技術(shù)，實現(xiàn)產(chǎn)品表面氣泡形貌和內(nèi)部泡孔結(jié)構(gòu)的良好調(diào)控，但還處在實驗階段，沒有形成工程數(shù)據(jù)。

筆者設(shè)計了GCP-MIM成型系統(tǒng)、模具及周邊設(shè)備，利用該系統(tǒng)以聚丙烯(PP)材料為研究對象，研究GCP-MIM工藝對注塑PP試樣泡孔結(jié)構(gòu)與制品表面質(zhì)量的影響，為工程上GCP-MIM工藝的實際應(yīng)用提供必要的工程數(shù)據(jù)。

1 實驗部分

1.1 主要原材料

PP：AP-203S，熔體流動速率 24 g／10 min(230℃，2.16 kg)，密度 1.03 g／cm3，收縮率 1.0%～1.3%，金發(fā)科技股份有限公司；

物理發(fā)泡劑(氮氣)：工業(yè)級，純度99.9%，市售。

1.2 主要儀器與設(shè)備

注塑機：420C All Rounder 1000-350型，最大鎖模力100 t，最大注塑壓力200 MPa，最大注塑體積350 cm3，螺桿直徑為45 mm，德國Arburg公司；

超臨界供氣系統(tǒng)：T-200型，美國Trexel 公司；

掃描電子顯微鏡(SEM)：Keysight 8500型，美國Angilent公司；

高倍率3D激光掃描顯微鏡：VK-X200型，日本基恩士公司。

1.3 GCP控制系統(tǒng)與模具

有別于MIM，GCP-MIM流程如圖1所示。模具閉合后首先對模具型腔內(nèi)的氣體進行加壓，當氣體壓力達到設(shè)定的壓力值時方可進行熔體的注塑；熔體填充過程中動態(tài)調(diào)節(jié)氣體反壓壓力使其相對穩(wěn)定；氣體反壓持續(xù)時間達到設(shè)定值時，模具型腔氣體卸壓，冷卻取出塑件。筆者研發(fā)的GCP控制系統(tǒng)如圖2所示，高壓氦氣發(fā)生器在空氣壓縮機和調(diào)壓閥的作用下按照設(shè)定的數(shù)字提供氣源，可以提供一定壓力的高壓氣源，在模內(nèi)反壓氣體的控制配合設(shè)計上，將氣體入口與氣體出口設(shè)計在模腔底部。

圖1 GCP-MIM工藝流程

圖2 GCP控制系統(tǒng)

筆者自行研發(fā)了一副GCP-MIM試樣模具，型腔尺寸為143.0 mm×18.5 mm×3.0 mm，如圖3所示，為了保證充填過程中反壓氣體的連續(xù)性，并防止入口、出氣口阻塞，利用模內(nèi)氣體反壓監(jiān)控系統(tǒng)，調(diào)節(jié)氣體壓力以維持模腔內(nèi)壓穩(wěn)定。反壓結(jié)束后由氣體回收裝置將作用后的氣體通過卸壓裝置從模具型腔內(nèi)排出，回收作為高壓氣體發(fā)生裝置的氣源，這樣可以節(jié)省部分能耗。因此設(shè)計調(diào)壓閥組件，氣體來源與泄壓為同一個出入孔，使模腔與調(diào)壓閥件互相連通，從而形成一個密閉的空間，在軟件設(shè)定模內(nèi)反壓氣體目標壓力后，再利用壓力傳感器調(diào)節(jié)模腔內(nèi)氣體壓力。

圖3 GCP-MIM試樣模具

1.4 成型工藝

在使用GCP-MIM技術(shù)時，注塑延遲時間是一個至關(guān)重要的參數(shù)。將注塑延遲時間設(shè)置為5 s，其目的在于將熔體充填到模腔前，先讓反壓氣體均勻地充填到模腔內(nèi)。采用的注塑工藝參數(shù)見表1，為了保證型腔內(nèi)氣體反壓壓力設(shè)定值的穩(wěn)定，待模溫恒定后，GCP控制系統(tǒng)會按照設(shè)定的壓力值先向型腔內(nèi)注氣5 s，然后熔體充填進入型腔，此時模內(nèi)氣體反壓設(shè)備按照設(shè)定的氣體反壓持續(xù)時間注氣。

表1 注塑工藝參數(shù)

1.5 測試與表征

(1)泡孔結(jié)構(gòu)測試。

發(fā)泡試樣在液氮中浸泡10 min后淬斷、鍍金，然后通過SEM對試樣斷面進行拍照，利用Image-Pro Plus軟件計算SEM照片中的泡孔尺寸和泡孔密度，計算公式見式(1)和式(2)。

式中：D——泡孔平均直徑，μm；

Di——單個泡孔直徑，μm；

Nf——泡孔密度，個／cm3；

N——統(tǒng)計面積中泡孔個數(shù)；

M——SEM照片的放大倍數(shù)；

A——SEM照片中泡孔面積，cm2。

(2)表面粗糙度測試。

借助高倍率3D激光掃描顯微鏡對試樣表面進行掃描，檢測位置如圖4所示，分別在試樣近澆口端、中間端和末端選取三個位置測量表面粗糙度和表面形貌，研究GCP-MIM工藝對試樣表觀質(zhì)量的影響規(guī)律。

圖4 高倍率3D激光掃描顯微鏡掃描部位(試樣寬1 mm)

2 結(jié)果與討論

2.1 氣體反壓持續(xù)時間和壓力對泡孔結(jié)構(gòu)的影響

圖5是不同氣體反壓持續(xù)時間和壓力對試樣內(nèi)部泡孔平均直徑和泡孔密度的影響。由圖5a可以看出，隨著氣體反壓持續(xù)時間的增加，泡孔密度逐漸增加，泡孔尺寸逐漸變小。這可能是因為在一定氣體反壓壓力作用下，較長的反壓作用時間有助于提高泡孔的均相成核效率，提高泡孔的成核密度，最終使試樣泡孔尺寸減小、密度增加。反壓持續(xù)時間從5 s延長到20 s過程中，泡孔平均直徑減小了40%，而泡孔密度提高了23%。由圖5b可以看出，反壓時間為10 s時，隨著反壓壓力增大，制品內(nèi)部泡孔尺寸逐漸變小，泡孔密度逐漸增加，呈現(xiàn)與反壓持續(xù)時間相同的變化趨勢。這可能是因為隨著反壓壓力的增加，超臨界氣體在熔體中的溶解度增大，減小了氣體／聚合物間的表面張力，從而降低形成臨界氣泡核的自由能壘。或者說，反壓壓力的增加還會增大泡孔內(nèi)外的壓力差，從而降低形成臨界氣泡核所需的吉布斯自由能[16]。

圖5 不同氣體反壓持續(xù)時間和壓力下試樣內(nèi)部的泡孔平均直徑和泡孔密度

2.2 GCP-MIM對試樣表面粗糙度的影響

表2列出氣體反壓壓力為8 MPa時不同氣體反壓持續(xù)時間下試樣的表面粗糙度。從表2可知，在相同氣體反壓壓力下，反壓持續(xù)時間越長試樣表面粗糙度越低，表面質(zhì)量越好。

表2 不同氣體反壓持續(xù)時間下試樣的表面粗糙度 μm

表3 三種工藝成型試樣的表面粗糙度 μm

由表3可以看出，IM試樣在近澆口端的表面粗糙度為2.42 μm，中間端為2.75 μm，末端為4.74 μm，即近澆口端的表面質(zhì)量最好，末端的表面質(zhì)量最差，這也可以從圖6a～圖6c中觀察到。這是因為對于IM試樣，其末端熔體溫度較低、流動性較差，熔體在流動時受的阻力較大，且存在熔體起始冷卻溫度較低，沒有足夠的結(jié)晶時間等因素，造成試樣末端的表面質(zhì)量較差；反之在近澆口端，熔體溫度較高、流動性較好，熔體在流動時受的阻力較小，且熔體起始冷卻溫度較高，具有較長的結(jié)晶時間，使得IM試樣在近澆口端的表面質(zhì)量較好，而離澆口越遠，試樣的表面質(zhì)量越差。

對于MIM試樣，表3顯示，近澆口端的表面粗糙度為48.40 μm，中間端為46.35 μm，末端為44.79 μm，試樣近澆口端的表面質(zhì)量較差，這個結(jié)果和IM試樣相反，即離澆口越遠，試樣表面質(zhì)量越好，這也可以從圖6d～圖6f中觀察到。原因在于，在MIM初期階段，熔體內(nèi)部的氣體會率先往流動方向移動，在靠近澆口處開始成核、發(fā)泡，在MIM末期階段，熔體流動到末端處，熔體內(nèi)所剩的氣體含量較少，發(fā)泡情況較差，且凝固層較厚，所以表面粗糙度較低；另一方面，近澆口端的熔體溫度較末端的高，氣體容易在較高溫的近澆口端成核、發(fā)泡，且凝固層較薄，使得靠近澆口處的表面質(zhì)量較差。

結(jié)合表2和表3可以看出，不同氣體反壓持續(xù)時間下GCP-MIM試樣的表面粗糙度在3種位置的變化情況與MIM試樣相同，但均明顯低于MIM試樣。這是因為在MIM的初始階段，帶有超臨界流體的塑料熔體通過模具澆口進入到模具型腔，由于型腔壓力較流道壓力小，壓力會迅速降低進而導致塑料熔體中超臨界流體溶解度降低而成核、發(fā)泡；隨著注塑的推進，熔體的料峰受到塑料流動行為的影響而發(fā)生變形，特別在沒有外部壓力作用時，料峰前端處的氣泡會破裂而涌出，與正在冷卻的模具內(nèi)壁接觸，最后滯留在塑件表面，從而使MIM試樣的表面粗糙度明顯高于IM試樣。而當料峰前端有一定壓力時，壓力會防止微孔破裂，當注塑結(jié)束，澆口冷卻關(guān)閉后，模具型腔壓力再次迅速降低，填充過程中后端未發(fā)泡的氣體溶解度降低到一定值時開始迅速發(fā)泡，得到較為均勻的泡孔結(jié)構(gòu)，即采用GCP-MIM時，模腔內(nèi)會存在一定的反壓壓力，從而使試樣的表面質(zhì)量優(yōu)于MIM試樣，這也可以從圖6g～圖6i中觀察到?？傊?，型腔內(nèi)飽和壓力對塑件內(nèi)部泡孔的成核、長大具有重要的影響[17-18]。

圖6 三種工藝成型試樣的表面形貌

3 結(jié)論

(1)研究了一種GCP-MIM工藝，開發(fā)了一整套GCP-MIM試樣模具和氣體反壓控制系統(tǒng)，能提高微孔發(fā)泡成型塑件表面質(zhì)量。

(2)隨著氣體反壓持續(xù)時間的延長，泡孔尺寸變小，泡孔密度升高，其中反壓持續(xù)時間從5 s延長到20 s過程中，泡孔尺寸減小了40%，而泡孔密度提高了23%；隨著氣體反壓壓力增大，制品內(nèi)部泡孔尺寸逐漸變小，泡孔密度逐漸增加。

(3)距離澆口越遠，IM試樣的表面粗糙度越高，MIM試樣和GCP-MIM試樣的表面粗糙度變化情況與之相反；MIM試樣的表面粗糙度明顯高于IM成型試樣，采用GCP-MIM后，試樣的表面粗糙度下降明顯，其表面質(zhì)量優(yōu)于MIM試樣。隨著氣體反壓持續(xù)時間延長，GCP-MIM試樣的表面粗糙度逐漸降低。