宋 鑫 張 穎 游雅雯 宮曉彤 王利霞[2]

（[1]鄭州大學(xué)力學(xué)與安全工程學(xué)院 河南·鄭州 450001；[2]鄭州大學(xué)微納成型技術(shù)國(guó)家級(jí)國(guó)際聯(lián)合研究中心 河南·鄭州 450001）

由于微發(fā)泡材料獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和性能，廣泛用于生物醫(yī)學(xué)、航空航天等領(lǐng)域。微發(fā)泡注塑成型是聚合物微發(fā)泡材料成型的主要方式之一，但微發(fā)泡注塑成型工藝過程復(fù)雜，微發(fā)泡注塑模具的設(shè)計(jì)與制造單純依靠設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)和模具工人的試模和修模很難保證微發(fā)泡注塑制品的高精度要求。數(shù)值模擬技術(shù)改變了微孔注塑成型過程的分析方法，通過Moldflow軟件的模擬分析，可以模擬微孔發(fā)泡注塑成型過程，分析泡孔形態(tài)和工藝參數(shù)之間的關(guān)系，可提高微孔發(fā)泡注塑成型效率和制品質(zhì)量。

微發(fā)泡注塑制品的泡孔形態(tài)對(duì)最終制品的性能有著重要的影響，而泡孔形態(tài)是由微發(fā)泡過程中的發(fā)泡工藝和材料性能共同決定的。因此，本文研究微發(fā)泡材料的成型工藝對(duì)泡孔形態(tài)的影響，以便更好地控制泡孔形態(tài)，獲得理想泡孔形態(tài)的微孔材料。

1 微發(fā)泡制品的模型建立

本文制品設(shè)計(jì)參考標(biāo)準(zhǔn)拉伸試件D638-14，等比縮小10倍，試樣的幾何模型如圖1（a）所示。用ANSYS的DesignModeler創(chuàng)建拉伸試件的3D模型，采用Moldflow劃分雙面網(wǎng)格，有限元模型和澆注系統(tǒng)如圖1（b）所示。

圖1：標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣及網(wǎng)格劃分

2 材料與工藝參數(shù)設(shè)定

選用材料為PLA（7000D，Nature Works），基于單因素實(shí)驗(yàn)方法，采用MOLDFLOW注塑微發(fā)泡充填和保壓分析模塊進(jìn)行單因素?cái)?shù)值模擬實(shí)驗(yàn)，分析模具溫度、熔體溫度、氣體初始濃度、每體積氣核數(shù)對(duì)注塑微發(fā)泡過程的影響。基線工藝為：模具溫度30℃，熔體溫度 230℃，入口速率100cm3/s，泡核密度為2×105 cm-3，氣體初始濃度0.5%。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 工藝參數(shù)對(duì)泡孔形態(tài)的影響

（1）模具溫度對(duì)泡孔形態(tài)的影響。

圖2為泡孔參數(shù)隨模具溫度的變化，由圖中結(jié)果可知：隨著模具溫度升高，泡孔半徑和泡孔壓力都隨之升高。離澆口越遠(yuǎn)泡孔半徑越大，泡孔直徑在30 m～50 m之間，發(fā)泡結(jié)果較為理想；泡孔壓力離澆口越近越大，模具溫度改變對(duì)遠(yuǎn)澆口處影響更為明顯。由此可知，模具溫度在一定程度上會(huì)促進(jìn)微發(fā)泡制品的泡孔生長(zhǎng)，因?yàn)殡S著模具溫度的上升，熔體粘度下降，對(duì)泡孔生長(zhǎng)的約束能力降低，泡孔尺寸增大。

圖2：泡孔參數(shù)隨模具溫度的變化

（2）熔體溫度對(duì)泡孔形態(tài)的影響。

圖3為泡孔參數(shù)隨熔體溫度的變化，由圖中結(jié)果可知：隨著熔體溫度的升高，泡孔半徑逐漸增大，而泡孔壓力逐漸減小。因?yàn)殡S著熔體溫度的升高，熔體黏度減小，溶解于聚合物基體中的氣體分子很容易的擴(kuò)散進(jìn)入周圍的氣泡核中，促進(jìn)了氣泡核的長(zhǎng)大，而使得氣泡核泡孔壓力降低。

圖3：泡孔參數(shù)隨熔體溫度的變化

（3）氣體初始濃度對(duì)泡孔形態(tài)的影響。

圖4為泡孔參數(shù)隨氣體初始濃度的變化，結(jié)果表明，氣體初始濃度的變化對(duì)泡孔半徑的影響成交替變化，氣體初始濃度為0.5%時(shí)，發(fā)泡較為理想；泡孔壓力隨氣體初始濃度增大而增大，而且變化率較大，氣體濃度大，有利于氣泡核的形成，得到密度大直徑小的泡孔結(jié)構(gòu)，但是當(dāng)氣體濃度增大到一定值時(shí)，對(duì)發(fā)泡行為的影響變小，逐漸趨于平衡。此外，氣體濃度太大會(huì)增加成本，因此較為理想初始濃度應(yīng)為0.5%。

圖4：泡孔參數(shù)隨初始濃度的變化

（4）泡核密度對(duì)泡孔形態(tài)的影響

圖5為注塑微發(fā)泡制品泡核密度對(duì)泡孔半徑和泡孔壓力的影響，由圖中結(jié)果可知，泡核密度增大，泡孔半徑減小，泡孔壓力增大，達(dá)到某一極限值時(shí)不同位置處泡孔半徑、泡孔壓力趨于均勻。因此，提高注塑微發(fā)泡制品泡核密度有利于獲得泡孔壓力和泡孔半徑均勻的微發(fā)泡材料。

圖5：泡孔參數(shù)隨泡核密度的變化

3.2 微發(fā)泡對(duì)制品重量和體積收縮率的影響

圖6為注塑微發(fā)泡制品的重量和收縮率與傳統(tǒng)注塑制品的對(duì)比，由結(jié)果可知，微發(fā)泡制品可比傳統(tǒng)注塑制品減重達(dá)12.5%，收縮率比傳統(tǒng)注塑制品收縮率低6.7%左右。

圖6：制品重量和收縮率

4 結(jié)論

本文利用 Moldflow的注塑微發(fā)泡成型模擬進(jìn)行單因素試驗(yàn)，分析了工藝參數(shù)對(duì)制品泡孔半徑和泡孔壓力的影響。由結(jié)果可知，模具溫度和熔體溫度的升高在一定程度上會(huì)促進(jìn)泡孔半徑的增大。模具溫度升高，泡孔壓力增大，而熔體溫度升高，會(huì)導(dǎo)致泡孔壓力減??；氣體初始濃度的增大，泡孔壓力增大，泡孔半徑增大，但較高的氣體初始濃度得到的泡孔半徑較大，不利于制備微發(fā)泡材料；泡核密度，泡孔半徑減小，泡孔壓力增大，達(dá)到某一極限值時(shí)不同位置處泡孔半徑、泡孔壓力趨于均勻。與傳統(tǒng)注塑工藝相比，注塑微發(fā)泡工藝對(duì)于制品減重和減小體積收縮有重要的作用。