石貴初

廣州中新汽車零部件有限公司 廣東廣州 511365

微發(fā)泡中空成型技術的使用先從美國、歐洲開始，再延伸到日本及東南亞等地區(qū)，目前在中國剛剛起步，但用戶正迅速增長。

化學發(fā)泡中空成型是向原料中添加化學發(fā)泡劑，在特定的溫度下分解而產生氣泡，不同類型的發(fā)泡劑在不同溫度下分解發(fā)泡。其通常用于厚壁制品成型，對于薄壁制品使用化學發(fā)泡劑會使表面質量劣化，同時會顯著降低其力學性能。另外，由于化學發(fā)泡劑本質上的熱穩(wěn)定性不佳，因而很難用于加工高溫型樹脂?；瘜W發(fā)泡劑通常會在樹脂中有所殘留，或產生副產品。帶有副產品或未分解化學發(fā)泡劑的樹脂通常會使制品耐老化性能降低，并可能導致模具排氣孔堵塞。而且，回收料很難再次使用。微發(fā)泡中空成型技術則解決了化學發(fā)泡中空成型技術的不足。

微發(fā)泡中空成型是采用綠色介質超臨界流體（CO2或N2）作為物理發(fā)泡劑，在一定的溫度和壓力下分解而產生氣泡，靠氣泡的成長來填充產品，屬物理發(fā)泡范疇。與化學發(fā)泡相比，微發(fā)泡中空成型產品不存在化學添加劑的殘留物；成型工藝控制窗口更寬更靈活；微發(fā)泡制件可以回收再利用，而不改變其物理性能。同時微發(fā)泡中空成型技術可成型各種類型中空制品，適用性廣。

隨著微發(fā)泡制件優(yōu)良的綜合性能（隔熱、降噪、輕量化等）得到人們的認可，研究人員開展了從間歇發(fā)泡到連續(xù)擠出發(fā)泡的系列工作，尤其是美國Trexel公司基于麻省理工學院的微發(fā)泡制件設計思想，研制成功微發(fā)泡中空成型技術，適用性廣，能用普通中空成型的制品基本均可用微發(fā)泡中空成型，尤其是對復雜、深腔的制品，成型效果更好，可廣泛應用于汽車、家電、航空和電子電氣等領域，是最有發(fā)展前景的一種中空成型技術，近年來在歐美、日本等國家和地區(qū)正得到較快的發(fā)展[1]。

微發(fā)泡中空成型基本原理、工藝流程

1.微發(fā)泡中空成型基本原理

微發(fā)泡中空成型過程如圖1所示，可以分成4個階段[2]：

圖1 微發(fā)泡中空成型基本原理圖

第一階段，將超臨界流體（CO2或N2）注入溶解到高分子熔體中形成單相融體并保持在一定壓力下。

第二階段，通過口模擠出進入到溫度和壓力較低的模具型腔，由于溫度和壓力降低引發(fā)分子的不穩(wěn)定性，從而在制品中形成大量的氣泡核。

第三階段，這些氣泡核逐漸長大生成細小的孔洞。

第四階段，通過冷卻定型后形成內層較大、外層較小的孔洞。

2.微發(fā)泡中空成型工藝流程

（1）微發(fā)泡中空成型設備及輔助系統(tǒng) 微發(fā)泡中空成型設備如圖2所示，由傳統(tǒng)的中空成型設備加上超臨界氣體注入系統(tǒng)組成，其中中空成型設備包括料筒、擠出螺桿、氣體注入口、模頭、中空成型模具、吹氣針及氣缸等，而超臨界氣體注入系統(tǒng)由氣體注入口、CO2或N2儲氣罐、超臨界流體控制系統(tǒng)組成，其中超臨界流體控制系統(tǒng)是微發(fā)泡中空成型設備的核心。

圖2 微發(fā)泡中空成型設備及輔助系統(tǒng)

（2）微發(fā)泡中空成型工藝流程 微發(fā)泡中空成型工藝流程如圖3所示。

圖3 微發(fā)泡中空成型工藝流程

1）形成單相融體。將成型材料加入料筒，經擠出螺桿熔融，儲氣罐內CO2或N2經超臨界流體控制系統(tǒng)產生超臨界流體，通過氣體注入口注入中空成型機螺桿內，通過擠出螺桿塑化剪切，高分子熔體和超臨界流體在螺桿內充分溶解形成單相融體。

2）成型中空制品。當中空成型機的擠出指令發(fā)出時，單相融體從中空成型機模頭擠出形成型坯，封口后下降并持續(xù)向型坯內預吹氣，使型坯始終保持較飽滿狀態(tài)，當型坯下降直至覆蓋中空成型模具的型腔時，模具合模（型坯內部形成氣泡核）。合模后，模具上的吹氣針在氣缸帶作下扎破型坯并向內吹氣（型坯內微細泡不斷成長），使型坯緊貼模具上下型腔面，通過冷卻定型（型坯內微細泡定型），得到微發(fā)泡中空制品。

微發(fā)泡中空成型技術特點

微發(fā)泡中空成型技術可以用普通的標準中空成型機及螺桿，僅需在標準機的基礎上加裝氣體注射器、超臨界流體控制器和專用微發(fā)泡控制界面系統(tǒng)即可。

由于微發(fā)泡中空成型主要是靠氣泡的成長來填充產品，是在較低而平均的壓力下進行的，所以產品的內應力大大減小，不同位置的收縮也變得非常均勻。與傳統(tǒng)中空成型相比，微發(fā)泡中空成型產品減重可達50%以上；微發(fā)泡結構層可改善隔熱和降噪效果；微發(fā)泡管件在水汽冷凝比率方面可有效縮減；成型工藝控制窗口更寬更靈活，制品變形小，尺寸更穩(wěn)定，可減少模具尺寸反復修改，從而降低模具設計和制造成本[2]。

應用產品及相關測試

利用微發(fā)泡中空成型技術生產的某汽車儀表通風管產品如圖4所示。由于微細孔結構的存在，其在力學性能如強度、剛度、韌性等方面相對實心結構有所下降，主機廠認為該產品的主要功能是用于空調通風，在力學性能方面滿足常規(guī)強度、裝配及路試需求即可（經驗證可滿足），而重點關注在輕量性、隔熱性、隔聲性方面的效果。依據(jù)主機廠的要求在此三方面進行了相關的測試。

圖4 利用微發(fā)泡技術成型的某汽車儀表通風管

1.輕量性

該儀表通風管輕量性測試結果見表1。在產品壁厚相同的情況下，利用不同發(fā)泡倍率得到的產品與普通中空成型得到的產品（實體）的重量有較大的不同，減重效果很明顯。

表1 儀表通風管輕量性測試結果

2.隔熱性

按某汽車主機廠要求的試驗條件（見表2）及方法（見圖5），對不同發(fā)泡倍率的儀表通風管，測試30min，測定進出口溫度差，進出口溫度差=出口溫度3處平均－進口溫度3處平均。儀表通風管隔熱性測試結果見表3。從表中可看出：發(fā)泡倍率越高，隔熱效果越好，4倍發(fā)泡品的進出口溫度差與實體相比可控制在1/2以下，4倍發(fā)泡品的表面無水珠出現(xiàn)。

表2 儀表通風管隔熱性測試條件

圖5 隔熱性測試方法簡圖

表3 儀表通風管隔熱性測試結果

3.隔聲性

按某汽車主機廠要求的試驗條件（見表4）及方法（見圖6），發(fā)聲室流出聲源在風管出口測定噪聲水平，儀表通風管隔聲性測試結果見表5。從表5可看出：幾乎在所有的頻率帶，發(fā)泡品噪聲水平都比實體要低，發(fā)泡倍率越大，隔聲效果越明顯。

表4 儀表通風管隔聲性測試條件

圖6 隔聲性測試方法簡圖

表5 儀表通風管隔聲性測試結果

結語

微發(fā)泡制件優(yōu)良的尺寸穩(wěn)定性和綜合性能（隔熱、降噪、輕量化等）在汽車領域受到了重點關注，尤其是在汽車零部件如除霜管、空調管、通風管等的成型方面，微發(fā)泡中空成型技術已成為未來發(fā)展方向的潮流。具體零部件如圖7所示。

圖7 應用于汽車零部件產品分布

幾乎所有的通用塑料中空制品都可以采用微發(fā)泡中空成型技術來生產，微發(fā)泡中空成型技術所展現(xiàn)出來的潛力已引起越來越多行業(yè)的關注，對其需求量正在不斷增長。微發(fā)泡中空成型適用性廣，尤其是可成型復雜、深腔制品，可廣泛應用于電子電氣、能源、醫(yī)療衛(wèi)生以及航空航天等國家重點行業(yè)，是具有非常廣闊前景的一種中空成型技術。