基于Moldex3D分析模具温度对PP发泡注塑制品的影响

李树松，闫宝瑞，安华亮

(北京化工大学机电工程学院，北京 100029)

0 前言

微孔发泡制品能有效地减少塑料用量并保证制品力学性能，在成型过程中有效减小物料熔融黏度、降低成型压力等减少能源消耗。近年来微孔发泡制品作为结构件被广泛应用于医疗、汽车、航空航天等领域。超临界流体N2作为一种绿色、无污染的物理发泡剂，被广泛应用于微孔发泡注塑行业中[1]。模具温度控制在微孔发泡注塑过程中可以改善均相溶体填充过程中的流动性，影响其气泡成核析出长大过程，最终影响制品的泡孔结构、表面质量和力学性能[2-5]。

Moldex3D凭借其真实的三维模流分析技术被广泛应用于塑料注射成型加工，达到优化产品设计、有效验证设计方案和预测产品的可制造性[6-7]。其中通过微孔发泡注射模块可视化模拟可以实现优化填充过程中加工条件、通过模具加热方式预测冷却时间、优化保压条件以及分析浇口压力变化、预测塑件成型内部泡孔尺寸以及分布等功能。

本文主要研究通过改变模具温度对制品的泡孔结构、力学性能、减重比以及表面质量的影响，并通过Moldex3D软件模拟分析验证模具温度对制品减重比以及泡孔尺寸的影响。

1 实验部分

1.1 主要原料

超临界N2,北京太平永顺科贸有限公司；

聚丙烯(PP)，E02ES D901C，密度0.9 kg/m3，热变形温度79 ℃，熔点150 ℃，熔体流动速率1.5 g/10 min(230 ℃/2.16 kg)，中石化镇海炼化分公司。

1.2 主要设备及仪器

微孔发泡注塑机，SA900/260 (采用自主设计的超临界N2输送装置)，宁波海天集团股份有限公司；

温控仪表，OMRON E5 DC-QX 2DSM-802，上海骏恒自动化有限公司；

电子天平，YH-A3002，瑞安市乐祺贸易有限公司；

粗糙度仪，TR200，北京时代山峰科技有限公司；

万能试验机，XWW-20，承德金建检测仪器有限公司；

扫描电子显微镜(SEM)，S-4700，日本日立公司；

摆锤冲击试验机，ZBC 1400-2,深圳市新三思材料检测有限公司。

1.3 样品制备

实验材料为无规共聚高熔体强度PP，熔点为150 ℃，加工成型温度范围为170～260 ℃，机筒加热温度设定为190 ℃，模具温度范围为30～80 ℃；如表1所示，仅改变模具温度由30 ℃升到80 ℃，随着温度每升高10 ℃，冷却时间增加5 s，共计6组，主要实验参数如表1所示。

表1 主要实验参数Tab.1 Main process parameters

1.4 性能测试与结构表征

称重测量：将每组实验合格制品选取5个，称重并计算平均质量；

SEM测试：将样品置于液氮环境中脆断，断面进行喷金处理后进行SEM测试；

弯曲性能测试：根据弯曲测试标准ISO 178—2010 制得标准样条长l=80 mm、宽b=10 mm、厚h=4 mm、跨距为64 mm，每组5个试样，选择传感器量程为5 000 N,在测试速率为10 mm/min 条件下实验测试计算得到弯曲强度；

冲击性能测试：根据简支梁冲击性能测试标准GB/T 1043.1—2008制得标准样条l=80 mm、b=10 mm、h=4 mm、跨距为64 mm、剩余宽度8 mm，使用缺口制样机r=0.1 mm铣刀，制成“V”形缺口符合I型样条A型缺口，每组5个，采用简支梁4 J模式，摆锤速度为3.5 m/s条件下得出样条冲击断裂的吸收功，计算得出冲击强度；

表面粗糙度值测试：控制模具温度为30～80 ℃，每组实验选取5个制品，在充模流动的水平方向和径向以相同取样长度各测3组，测量得到表面粗糙度(Ra)值,实验取平均值。

2 结果与讨论

2.1 称重分析

由图1所示，在相同工艺条件下，随着模具温度的升高，微孔发泡制品的减重比发生明显变化，在30～50 ℃范围呈减小的变化趋势，在50～80 ℃范围呈增加的趋势，在80 ℃时减重比达到最大为21.77 %。对减重比随模具温度变化趋势进行曲线拟合，得到拟合曲线如图1所示，回归曲线模型具有高的R2值(0.961 13)和较小的残差(0.481 14)：

■—减重比 ——拟合曲线图1 制品减重比随模具温度的变化Fig.1 Product weight loss ratio as a function of mold temperature

温度/℃：(a)30 (b)40 (c)50 (d)60 (e)70 (f)80图2 PP断面形态随温度变化的SEM照片Fig.2 Morphologies of PP as a function of mold temperature

2.2 SEM分析

如图2所示，在实验工艺条件下，模具温度为30 ℃时泡孔整体较小，在制品芯部泡孔较小且均匀呈为较规整的球形。制品接近表皮层泡孔生长受到剪切拉伸作用，形态呈现为沿流动方向的椭球形。模具温度升高为40 ℃时，泡孔整体尺寸明显增大，在制品芯部泡孔出现不规则长大现象，泡孔较致密，接近表皮层的泡孔有破裂现象出现，在视场中泡孔数目较多。模具温度升高为50 ℃时，泡孔整体尺寸增大不明显，泡孔形态变化较大，主要呈现拉伸为椭球形，泡孔破裂严重，泡孔碎屑较多，泡孔数目减少。模具温度升高为60 ℃时，泡孔重新排布芯部较均匀，但表皮层附近呈现更加致密的椭球形泡孔。模具温度升高为70 ℃时，芯部泡孔有不规则椭球形，泡孔较致密。模具温度升高为80 ℃时，泡孔平均尺寸较大，芯部泡孔较致密呈球形，表皮层呈拉伸后较致密的椭球形，泡孔合并较少，泡孔数目较多[2]。经统计，泡孔的平均直径和泡孔密度如图3所示。

■—泡孔平均直径 ▲—泡孔密度 拟合曲线1 ——拟合曲线2图3 泡孔密度和泡孔平均直径随模具温度的变化Fig.3 The average cell diameter and cell density as functions of mold temperature

2.3 Moldex3D模拟分析与验证

首先用SolidWorks软件进行制品建模，将文件存为MDG格式,导入Moldex3D Designer中进行网格前处理，建立流道、浇口、冷却系统，设置好mesh文件导入到Moldex3D Project中创建任务进行模块化选择、材料工艺过程等设定，最终分析填充保压等结果。

模拟采用微孔注射发泡模块，设置合理的材料特性，机台参数以及工艺参数，预测制品在填充、保压、冷却成型过程中的行为，得到最终制品的质量、泡孔尺寸、泡孔密度等结果进行分析，如图4所示[6-7]。

由图5中可以看出，通过Moldex3D统计的泡孔平均直径与泡孔密度随温度变化趋势与实验结果相符合，在30～50 ℃ 时，泡孔大小有波动，在50～80 ℃ 时，泡孔大小随温度升高而明显增大；泡孔密度在随模具温度升高过程中逐渐在减少，其中在30～50 ℃ 范围与60～80 ℃ 范围变化较大。

图4 Moldex3D模拟分析Fig.4 Moldex3D simulation analysis

●—泡孔平均直径 ▲—泡孔密度 拟合曲线1 ——拟合曲线2(a)模拟结果 (b)实验结果图5 Moldex3D模拟结果与实验结果Fig.5 Comparison of simulation results of Moldex3D and experimental results

由图6所示，随着模具温度的升高，泡孔尺寸标准差逐渐减小，说明泡孔尺寸随着模具温度的升高分布越来越集中，尺寸差异变小，泡孔更加均匀。

■—工艺条件一 ◀—工艺条件二(a)统计图 (b)尺寸分布图图6 泡孔标准差统计图与尺寸分布图 Fig.6 Standard deviation of cell size and size distribution

2.4 制品质量模拟分析

如图7所示，通过对比相同填充时间下的制品质量图，发现在相同时间下制品质量随着模具温度的升高有明显差异。模具温度升高改善了熔体填充过程中的流动性，减小了气泡成核与长大过程中受到的阻力，气泡生长状态不同，影响最终制品质量。

如图8所示，根据模拟结果进行减重比统计，随着模具温度的升高，制品减重比在30～50 ℃呈现降低的趋势，在50～80 ℃呈现升高的趋势并且与实验结果相符合。

图7 制品质量随填充时间的变化 Fig.7 Product weight with filling time

■—注气量1 % ●—注气量1.2 % ▲—减重比1—拟合曲线1 2—拟合曲线2 3—拟合曲线(a)模拟结果 (b)实验结果图8 减重比随模具温度变化的模拟结果与实验结果对比图Fig.8 Comparison of simulation results and experimental results of weight loss ratio with mold temperature

2.5 弯曲测试分析

■—弯曲强度 ——拟合曲线图9 弯曲强度随模具温度的变化Fig.9 Bending strength as a function of mold temperature

如图9所示，可以看出随着模具温度的升高，制品弯曲强度呈现出先增加后降低，再显著增加的趋势。对比未发泡制品弯曲强度为26.35 MPa，根据图2分析，在温度30 ℃时，泡孔较小分布比较均匀，但泡孔“孔壁”较厚，表现为弯曲强度接近未发泡制品强度；在温度40 ℃时，泡孔尺寸增大，泡孔变致密，弯曲强度增加；在温度40～60 ℃范围，泡孔发生破裂，泡孔尺寸分布不集中，出现大泡孔，弯曲强度下降；在温度70～80 ℃范围，泡孔出现重新排布现象，泡孔更加致密，泡孔之间的间隙更小，弯曲强度得到显著性增加，在温度80 ℃条件下，弯曲强度为28.62 MPa，弯曲强度提升8.6 %[2-3]。

相同厚度、相同材料微孔发泡注塑制品弯曲强度受到泡孔密度、泡孔平均直径、泡孔均匀程度的共同影响，其中，随着模具温度升高，由图3所示，泡孔密度与泡孔平均直径存在相反的变化趋势，泡孔均匀程度也受到模具温度影响，从统计结果中可以看出，在模具温度70～80 ℃范围，泡孔较致密，泡孔尺寸较小，泡孔密度较大，弯曲强度显著性增加，即泡孔越小越均匀制品弯曲强度越大。

图10 制品冲击强度随模具温度的变化Fig.10 Curve of impact strength with temperature

2.6 冲击测试分析

如图10所示，对比未发泡制品的冲击强度为7.6 kJ/m2，微孔发泡后制品的冲击性能提升较大，且随着模具温度的升高，冲击强度呈现先增加后降低再显著增加的趋势。模具温度为80 ℃时，冲击强度达到10.9 kJ/m2，冲击强度提升43.4 %。根据图2分析可以看出，发泡后制品具有典型的夹层结构，表皮层附近的泡孔呈现被拉伸的椭球形，芯部泡孔呈现规整的球形，夹层结构影响制品的冲击强度[3]。

对比图9与图10可以看出，制品的弯曲强度与冲击强度曲线随温度变化的趋势几乎保持一致，说明内部泡孔结构对弯曲强度和冲击强度的影响相同，泡孔平均直径越小，泡孔分布越均匀越致密，制品的弯曲强度和冲击强度越大。

2.7 表面粗糙度测试分析

■—方向一 ●—方向二图11 制品表面粗糙度随模具温度的变化Fig.11 Surface roughness versus temperature curve

如图11所示，随着模具温度的升高，制品的表面粗糙度值整体呈减小趋势，模具温度30～50 ℃的范围内，制品表面还有明显流痕和银纹，但制品2个测量方向上的粗糙度值在减小，2个测量方向上的差异也在逐渐减少[8]；在温度60 ℃时，制品表面几乎没有银纹和流痕，在2个测量方向上，表面粗糙度值差异较大，在水平流动方向上粗糙度值较小，在径向方向上粗糙度值较大，制品表面的粗糙度值仍存在较大差异。温度为70 ℃时，制品表面银纹消失，在2个测量方向上的粗糙度值平均值最小为0.874 μm，且差异性为0.3 %。温度80 ℃时，制品的2个测量方向上的粗糙度值较小，为0.895 μm，且差异性为1.9 %。为改善和减小制品表面粗糙度值，合适的模具温度范围为70～80 ℃。

模具温度的升高，改善了溶解超临界N2的单一均相溶体填充过程中，气泡长大遇到冷模具而快速凝固成表皮层导致泡孔破裂气体逸出的现象[4-5]。模具温度的升高会促进表皮层附近泡孔的长大，同时改善单一相溶体填充过程中的流动性，最先接触模具部分的溶体缓慢流动和凝固，使部分破裂的泡孔进行修复，改善表面质量。

在温度为50～60 ℃时，表皮层附近泡孔出现合并和破裂现象，导致表面质量的差异性较大。在温度70～80 ℃时，表皮层泡孔尺寸减小，泡孔更加致密和均匀，制品的表面质量较好。

3 结论

(1)在一定范围内提高模具温度，使制品泡孔增大、泡孔密度降低、泡孔的尺寸差异性降低分布更加集中、泡孔间隙减小、泡孔更加致密，间接导致制品减重比变化，直接影响制品的力学性能，直接影响制品的表面质量；

(2)模具温度为80 ℃时，制品弯曲强度提升8.6 %，冲击强度提升43.4 %，对比弯曲强度与冲击强度随温度变化趋势图，说明泡孔分布集中和致密有利于提升弯曲强度与冲击强度；

(3)升高模具温度，明显改善制品表面流痕和银纹的缺陷，其中在2个不同测试方向上制品表面粗糙度Ra值以及差异性随温度的升高而不断降低，在70～80 ℃范围，2个方向上的差异性仅为0.3 %～1.9 %，Ra值为0.874 μm；通过SEM图观察制品表皮层附近的泡孔结构，随着温度的提升，制品表皮层附近的泡孔形态由过度拉伸的线条形变为饱满的椭球形，说明模具温度升高，可以使表皮层泡孔形态修复，减小因为气体逸出泡孔遇冷凝固造成的表面缺陷。