Sai Yandamuri, 張雨筱 ，施小慶 ，陳熾輝

(1. 伊之密德國(guó)先進(jìn)成型技術(shù)研究所，德國(guó) 阿爾斯多夫 52477 ；2. 伊之密股份有限公司，廣東 佛山 528306)

在塑料成型工藝中，物理微發(fā)泡注塑成型技術(shù)比較常見(jiàn)。物理微發(fā)泡注塑成型有許多優(yōu)點(diǎn)：

（a）能夠減輕產(chǎn)品的重量，減少塑料使用量，降低成本。

（b）無(wú)需保壓階段，從而縮短了生產(chǎn)周期，提高了生產(chǎn)率。

（c）成型零件翹曲較少，無(wú)縮水痕，提高尺寸穩(wěn)定性。

（d）可以降低鎖模力、注射壓力等，更節(jié)能，為碳中和和碳達(dá)峰做出貢獻(xiàn)?，F(xiàn)在運(yùn)用物理微發(fā)泡技術(shù)的廠家也越來(lái)越多。主流的廠家及技術(shù)如下：

（1）Cellmould, 威猛巴頓菲爾，僅適用于巴頓菲爾機(jī)器。

（2）Ku-Fizz, 大眾/ 齊默爾曼，適配不同的機(jī)器。

（3）MuCell, 卓細(xì)，與大多數(shù)注塑機(jī)制造商合作。

（4）Plastinuum, 由KIMW 開(kāi)發(fā)，可作為附加系統(tǒng)用于不同的機(jī)器。

目前MuCell 應(yīng)用的最為廣泛[1]，與之合作的注塑機(jī)廠家最多。

市場(chǎng)上現(xiàn)有螺桿具有較短的塑化長(zhǎng)度、兩個(gè)止逆環(huán)和一個(gè)混合區(qū)，導(dǎo)致較低的塑化性能和較高的剪切力。尤其對(duì)于快速塑化或使用剪切敏感材料的應(yīng)用，與實(shí)體工藝相比，現(xiàn)有產(chǎn)品可能會(huì)有些不足。

伊之密德國(guó)研究所和中國(guó)研究院聯(lián)合開(kāi)發(fā)了自己的螺桿幾何結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)相同的發(fā)泡質(zhì)量，而不存在現(xiàn)有產(chǎn)品的缺陷。

1 螺桿結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)機(jī)器選用伊之密A5 系列220 t 三板注塑機(jī)，螺桿直徑53 mm。

其中，伊之密的微發(fā)泡品牌FoamPro 螺桿的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 FoamPro 螺桿的結(jié)構(gòu)

2 性能測(cè)試

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

測(cè)試材料如表1、表2，一共8 種：

表1 北歐化工（Borealis）材料

表2 利安德巴塞爾(LyondellBasell) 材料

針對(duì)FoamPro 螺桿和現(xiàn)有產(chǎn)品，研究了熔膠速度n、背壓p和氣體含量c對(duì)性能的影響。以LyondellBasell HC TYC 2141F 為例，所有材料的實(shí)驗(yàn)方案如表3 表4、表5 所示。

表3 影響因素

表4 實(shí)體實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

表5 發(fā)泡實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

料筒從射嘴到料斗的各段溫度為：230、230、220、220、210、200、175、150 ℃。所注塑零件為長(zhǎng)方體，尺寸為190 mm×150 mm×4.9 mm。其余注塑參數(shù)設(shè)置如表6 ：

另外，所有實(shí)體試驗(yàn)點(diǎn)的料筒溫度、注射速度、保壓時(shí)間和保壓壓力保持不變。

使用FoamPro( 簡(jiǎn)稱FP) 和現(xiàn)有產(chǎn)品( 簡(jiǎn)稱XS)，物理發(fā)泡工藝的料筒溫度與實(shí)體工藝相同。

確定了XS 和FP 螺桿不同注射量和注射保壓切換點(diǎn)以達(dá)到零件完全填充。

為了評(píng)估每個(gè)結(jié)果的再現(xiàn)性，每一個(gè)測(cè)試點(diǎn)，在最小設(shè)置時(shí)間10 min 或15 個(gè)零件后，至少測(cè)量5 個(gè)樣品/ 模次來(lái)確定均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 XS 螺桿和FP 螺桿實(shí)體工藝熔膠性能

FP 螺桿的熔膠時(shí)間顯著縮短。這是因?yàn)镕P 螺桿的壓縮比比XS 螺桿大。

XS 螺桿熔膠時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)偏差略高或與FP 螺桿相當(dāng)。這是FP 螺桿的壓縮段和加料段長(zhǎng)度比XS 螺桿的長(zhǎng)，因此波動(dòng)會(huì)小一些[2]。

熔膠時(shí)間長(zhǎng)與熔膠速度低和背壓高相關(guān)見(jiàn)表7。熔膠時(shí)間短，生產(chǎn)效率高。理論研究表明，在其他參數(shù)一定時(shí)，體積流率（生產(chǎn)效率）與轉(zhuǎn)速成正比[3]。實(shí)驗(yàn)與理論研究結(jié)論一致。另外，一般情況下，增加背壓會(huì)降低螺桿產(chǎn)出量，從而導(dǎo)致更長(zhǎng)的生產(chǎn)周期[4]，熔膠時(shí)間越長(zhǎng)。

表7 實(shí)體熔膠時(shí)間對(duì)比

2.2.2 XS 螺桿和FP 螺桿發(fā)泡工藝熔膠性能

由圖2，表8，對(duì)于所有試驗(yàn)點(diǎn)，無(wú)論是實(shí)體還是發(fā)泡，F(xiàn)P 螺桿的熔膠時(shí)間都顯著縮短。

表8 發(fā)泡熔膠時(shí)間對(duì)比

表9 實(shí)體重量對(duì)比

圖2 發(fā)泡熔膠時(shí)間對(duì)比

FP 螺桿熔膠時(shí)間的相對(duì)減少范圍在21% 到37.5% 之間。

在14 個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)其中的6 個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，XS 螺桿的熔膠時(shí)間與FP 螺桿相比顯示出更高的標(biāo)準(zhǔn)偏差, 意味著更低穩(wěn)定性。其余5 個(gè)點(diǎn)FP 螺桿和XS 螺桿的偏差相同。有3 個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)FP 螺桿的熔膠時(shí)間偏差比XS 大。

XS 螺桿和FP 螺桿均顯示，熔膠時(shí)間長(zhǎng)與熔膠速度低相關(guān)。然而,XS 螺桿所有測(cè)試點(diǎn)，較高的背壓與較高熔膠時(shí)間并不相關(guān)。

2.2.3 XS 螺桿和FP 螺桿實(shí)體零件重量對(duì)比

盡管選擇了類似的設(shè)置，但使用FP 螺桿生產(chǎn)的零件稍重。這可能是由于止逆閥位置不同而造成的。當(dāng)螺桿長(zhǎng)度一樣時(shí)，止逆閥位置不同，在注射時(shí)止逆閥關(guān)閉時(shí)間就不同，從而直接影響了注射產(chǎn)品的膠量[5]。

FP 螺桿生產(chǎn)零件的標(biāo)準(zhǔn)偏差范圍為0 至0.1%，XS 螺桿生產(chǎn)零件的標(biāo)準(zhǔn)偏差范圍為0.1%。工藝穩(wěn)定性相當(dāng)，表見(jiàn)9。

2.2.4 XS 螺桿和FP 螺桿發(fā)泡減重對(duì)比

由圖3 表10，F(xiàn)P 螺桿生產(chǎn)發(fā)泡零件重量的標(biāo)準(zhǔn)偏差范圍為0.1%～0.6%。

表10 發(fā)泡零件重量對(duì)比

圖3 發(fā)泡重量對(duì)比

XS 螺桿生產(chǎn)發(fā)泡零件重量的標(biāo)準(zhǔn)偏差范圍為0.1%～0.3%。

這點(diǎn)表明兩種螺桿生產(chǎn)發(fā)泡零件重量的標(biāo)準(zhǔn)偏差略高于實(shí)體零件，但都為可接受范圍，工藝穩(wěn)定性相當(dāng)。

發(fā)泡零件顯示XS 和FP 螺桿的最大減重程度相當(dāng)。

即使在最大減重的情況下，XS 螺桿的重量標(biāo)準(zhǔn)偏差低于0.3，F(xiàn)P 螺桿的重量標(biāo)準(zhǔn)偏差低于0.3。

這些標(biāo)準(zhǔn)偏差很低，可以接受，證實(shí)了所有材料熔膠和注射的設(shè)定值是穩(wěn)定的。

2.2.5 所有材料的相關(guān)試驗(yàn)點(diǎn)結(jié)果

由于每種材料的推薦熔膠速度不同，熔膠時(shí)間也不同，見(jiàn)表11，表12 所示。

表11 利安德巴塞爾材料實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

表12 北歐化工材料實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

盡管XS 和FP 螺桿試驗(yàn)選擇了相同的熔膠參數(shù)，但熔膠時(shí)間有顯著差異。在LyondellBasell HC HYM 2216T 材料試驗(yàn)中，F(xiàn)P 螺桿的熔膠時(shí)間比XS 螺桿縮短了65.9%。FP 螺桿熔膠時(shí)間更短，有顯著優(yōu)勢(shì)。

假定使用相同的氣體量，F(xiàn)P 螺桿生產(chǎn)零件的最大減重與XS 生產(chǎn)的零件相當(dāng)。

工藝參數(shù)的差別會(huì)影響泡孔的形成，進(jìn)而影響發(fā)泡產(chǎn)品最終的性能[6]，所以同一材料在不同注塑參數(shù)設(shè)置時(shí)的減重并不相同，從經(jīng)濟(jì)效益角度，我們列出了最大減重?cái)?shù)據(jù)。

從最大減重的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，應(yīng)用物理發(fā)泡工藝，在此產(chǎn)品上的最大減重因材料不同而異。具體而言，含有礦物填充的PP 最大減重可達(dá)31.7%，短波纖增強(qiáng)的PP 最大減重可達(dá)29.6%，長(zhǎng)波纖增強(qiáng)的PP 最大減重可達(dá)27.2%。添加填料的聚合物有更細(xì)密的泡孔結(jié)構(gòu)，因?yàn)樘盍嫌兄谂菘壮珊瞬⒃黾尤垠w強(qiáng)度[7]。

同樣是短波纖增強(qiáng)的PP，最大減重也不同，HC ERG 2152F 最大減重29.6%，而GD310U 最大減重7.8%。其余材料有類似的現(xiàn)象，說(shuō)明不同材料配方對(duì)發(fā)泡的影響較大。

* 此項(xiàng)沒(méi)有做最大減重，數(shù)據(jù)為XSn0p0c1 實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的數(shù)值。

2.2.6 機(jī)械性能

除了機(jī)器數(shù)據(jù)和工藝穩(wěn)定性外，我們還對(duì)生產(chǎn)的零件進(jìn)行了力學(xué)和微觀結(jié)構(gòu)分析。

根據(jù)ISO27-2 標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)備測(cè)試用樣條（每個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)5 個(gè)試樣，將長(zhǎng)方體，尺寸為190 mm×150 mm×4.9 mm 用CNC 切割而得，厚度4.9 mm），進(jìn)行拉伸和彎曲測(cè)試，比較試驗(yàn)點(diǎn)的均值，如圖4 所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)樣條

從圖5 可以看出，F(xiàn)P 螺桿和XS 螺桿在實(shí)體零件和發(fā)泡零件的拉伸強(qiáng)度相當(dāng)。但是，發(fā)泡后的拉伸強(qiáng)度與實(shí)體相比會(huì)下降。在最大減重情況下，含有礦物填充的PP 最大降幅達(dá)56.3%，短波纖增強(qiáng)的PP 最大降幅達(dá)42.1%，長(zhǎng)波纖增強(qiáng)的PP 最大降幅達(dá)34.6%。

圖5 拉伸強(qiáng)度

對(duì)于減重最大的零件（圖6），長(zhǎng)波纖增強(qiáng)的PP使用XS 螺桿生產(chǎn)的零件的拉伸強(qiáng)度稍好，含有礦物填充的PP 和短波纖增強(qiáng)的PP 使用FP 螺桿生產(chǎn)的零件拉伸強(qiáng)度稍好。由于高標(biāo)準(zhǔn)偏差，拉伸試驗(yàn)結(jié)果具有局限性。

圖6 拉伸斷裂伸長(zhǎng)率

彎曲試驗(yàn)（圖7）表明，使用XS 螺桿生產(chǎn)的零件具有略高的彎曲強(qiáng)度。這可能是因?yàn)楦鶆虻募?xì)胞結(jié)構(gòu)或不同的表皮層厚度造成。

圖7 彎曲強(qiáng)度

備注：HC TYC 2141F–PP-T ；

HC ERG 2152F–PP-SGF ；

HC EKM 2226T–PP-LGF LE ；

HC HYM 2216T–PP-LGF LC。

因此，我們通過(guò)測(cè)量纖維長(zhǎng)度和顯微鏡測(cè)試來(lái)比較螺桿幾何結(jié)構(gòu)對(duì)零件結(jié)構(gòu)的影響。

2.2.7 SEM 測(cè)試

圖8 和圖9 顯示，使用FP 螺桿生產(chǎn)的零件比使用XS 螺桿生產(chǎn)的零件具有相同甚至更均勻的細(xì)胞結(jié)構(gòu)。這是因?yàn)镕P 螺桿前端的均化混合區(qū)結(jié)構(gòu)與XS 螺桿不同，F(xiàn)P 螺桿的前端結(jié)構(gòu)可能會(huì)使長(zhǎng)玻纖產(chǎn)生更少的斷裂。微觀結(jié)構(gòu)與機(jī)械性能測(cè)試結(jié)果不一致。

圖8 利安德巴塞爾（LyondellBasell）材料的顯微鏡照片

圖9 HC TYC 2141F 的SEM 照片

盡管使用FP 螺桿生產(chǎn)的零件具有更均勻的發(fā)泡結(jié)構(gòu)和更長(zhǎng)的纖維長(zhǎng)度（圖10），但FP 零件的機(jī)械性能略低于XS 零件。

圖10 GD310U 的SEM 照片

圖11 FoamPro 螺桿仿真2D 形狀

充分理解工藝參數(shù)、泡孔形態(tài)和機(jī)械性能之間的關(guān)系，以使發(fā)泡產(chǎn)品具有良好的機(jī)械性能[8]。從實(shí)驗(yàn)可以看出，當(dāng)我們找到最優(yōu)工藝產(chǎn)生最大減重時(shí)，發(fā)泡產(chǎn)品的力學(xué)性能已經(jīng)下降太多，可能不符合產(chǎn)品的使用性能要求。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，一般情況下，推薦發(fā)泡減重10% 左右，力學(xué)性能受影響不大，同時(shí)能產(chǎn)生不錯(cuò)的經(jīng)濟(jì)效益。

由于試樣制備和測(cè)試的困難，機(jī)械性能測(cè)試顯示出比機(jī)器參數(shù)更大的變化?；跍y(cè)試結(jié)果具較高標(biāo)準(zhǔn)偏差，機(jī)械性能測(cè)試結(jié)果的差異不具結(jié)論性。因此，可以認(rèn)為FP 螺桿生產(chǎn)的零件與XS 螺桿生產(chǎn)的零件機(jī)械性能相當(dāng)。

3 仿真模擬

我們應(yīng)用德國(guó)Paderborn 塑料研究所KTP 的PsiRex 軟件，對(duì)兩條螺桿的相關(guān)性能進(jìn)行了對(duì)比。

為了使KTP 螺桿模擬軟件適應(yīng)特殊的螺桿幾何形狀，定義了以下幾個(gè)方面：

（1）對(duì)于XS 螺桿，混煉區(qū)被定義為多面混合。中心止逆閥被定義為圓柱形剪切截面。

（2）對(duì)于FP 螺桿，混合段定義為螺旋剪切和多面混合。止逆閥被定義為圓柱形剪切截面。

（3）材料數(shù)據(jù)由LyondellBasell 提供, 具有不同溫度和壓力的仿真材料數(shù)據(jù)表。

（4）在仿真軟件中，無(wú)法計(jì)算氣相。因此，仿真僅通過(guò)實(shí)體的試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證。

（5）深入了解預(yù)測(cè)了混合性能，考慮了分散混合和分布混合。

仿真所用材料為L(zhǎng)yondellBasell HC TYC 2141F，料筒從射嘴到料斗的各段溫度為：230、230、220、220、210、200、175、150 ℃。

主要參數(shù)設(shè)置如表13，其余參數(shù)參照表3 和表4的設(shè)置：

表13 仿真參數(shù)設(shè)置

為了評(píng)估螺桿仿真的有效性，采用了與實(shí)驗(yàn)相同的試驗(yàn)點(diǎn)。

對(duì)于所有工藝點(diǎn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)方法改變了螺桿頭的壓力和螺桿速度。

冷卻時(shí)間也作為熔膠周期之間的暫停時(shí)間納入模擬。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試和LyondellBasell 的材料數(shù)據(jù)，確定材料的熔膠速度和背壓的高低值。

所有螺桿仿真均在計(jì)量行程的一半（50 mm）下進(jìn)行。

FoamPro 螺桿:

3.1 熔膠時(shí)間

所有試驗(yàn)點(diǎn)，F(xiàn)P 螺桿的預(yù)測(cè)熔膠時(shí)間略低于XS螺桿，塑化效率更高。該趨勢(shì)與試驗(yàn)的觀察結(jié)果相一致。仿真的熔膠時(shí)間與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合，見(jiàn)圖12，表14 所示。

表14 實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比

圖12 實(shí)驗(yàn)與仿真熔膠時(shí)間對(duì)比

3.2 混合元件的性能

均衡橫截面上氣體濃度的差異, 提高溫度及材料的均勻性。

由表15，從仿真結(jié)果得知，與XS 螺桿相比，F(xiàn)P螺桿的橫向和縱向混合率更高。

表15 仿真混合結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)論

（1）仿真軟件正確預(yù)測(cè)了使用FoamPro 螺桿塑化效率更高的總趨勢(shì)。從所有實(shí)驗(yàn)也可以看出，F(xiàn)P 螺桿的熔膠時(shí)間更短，塑化效率更高。

（2）通過(guò)模擬，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)所得的FoamPro螺桿和現(xiàn)有螺桿的熔膠時(shí)間近似，有很好的應(yīng)用于實(shí)踐、預(yù)測(cè)螺桿設(shè)計(jì)優(yōu)劣的現(xiàn)實(shí)意義。

（3）SEM 圖片表明，使用FoamPro 螺桿成功實(shí)現(xiàn)了熔體/ 氣體的均勻混合。通過(guò)仿真得知，在混合方面，F(xiàn)oamPro 螺桿設(shè)計(jì)優(yōu)于現(xiàn)有螺桿。

（4）試驗(yàn)和仿真均表明，使用FoamPro 螺桿成功實(shí)現(xiàn)了均勻的熔體/ 氣體混合、較短的熔膠時(shí)間和工藝穩(wěn)定性，具有很好的商業(yè)應(yīng)用價(jià)值。