微孔发泡注塑成型工艺泡孔尺寸影响因素分析

2020-11-28江青松柳和生

工程塑料应用 2020年11期

江青松，柳和生

(东华理工大学机械与电子工程学院，南昌 330013)

微孔发泡注塑成型工艺将超临界流体(SCF)状态的N2或CO2与聚合物熔体混合，然后注射充填部分模腔，模腔余下部分的充填则依靠SCF 成核效应，以及并发的泡孔长大过程来实现，该工艺没有传统注塑成型工艺的保压过程，可减少材料用量、降低能源消耗、缩短成型周期、改善注塑成型热力学、强化材料性能等优势，已被广泛应用于建材、家电、汽车、航空、航天等领域[1–4]。

微孔发泡注塑成型工艺实质是SCF 技术在注塑成型加工中的应用，其原理是利用过饱和SCF／聚合物熔体混合体系的热力学不稳定性，通过控制混合体系的温度和压力，使聚合物熔体内形成大量的SCF 介质泡孔结构，SCF 在聚合物熔体中溶解、成核、长大、定型，最终形成泡孔，泡孔结构由泡孔长大过程决定[5]。微孔发泡注塑成型流动过程中，由于流场中的温度和压力不均匀，不同位置的泡孔长大过程存在差异，导致成型制品中不同位置的泡孔结构不尽相同，使泡孔尺寸呈现一定的分布，并最终影响成型制品的力学性能，合理的泡孔结构及尺寸有利于提高材料的力学性能[6–7]。因此，如何通过工艺参数的调整，保持合理的泡孔尺寸，以获得理想力学性能的成型制品，是应用微孔发泡注塑成型工艺的关键[8]。

基于数值模拟技术，采用泡孔长大细胞模型[9]，研究微孔发泡注塑成型工艺泡孔尺寸的影响因素，着重分析和探讨主要参数对泡孔尺寸的影响机理，为微孔发泡注塑成型工艺实践提供理论指导。

1 泡孔长大模型

为了计算泡孔长大过程，可采用Amon 和Denson 提出的细胞模型，泡孔长大受流体动力学与气体扩散控制。

根据SCF 与熔体界面处的力平衡条件，可得到泡孔半径变化率可描述为[10]：

式中，η 为熔体黏度；Pg为泡孔内压力；σ 为SCF 与熔体界面处表面张力；P 为泡孔与熔体界面处的压力。

上式中泡孔内压力随泡孔半径的变化关系，可根据浓度梯度驱动熔体内气体向泡孔中扩散的质量守恒求出，由Fick 扩散定律控制[11]：

式中，D 为扩散系数；c 为SCF 质量分数。

根据Henry 定律，泡孔壁处的SCF 质量分数cw与泡孔内压力的关系可写成[10]：

式中，Rg为气体常数；T 为熔体温度；Mr为气体相对分子量；ρg为泡孔气体密度；A=1 000RgT/Mr，对给定气体A 为常数。

根据泡孔内气体的质量守恒，泡孔壁处的质量流量可描述为[12]：

为便于计算，可假定SCF 初始质量分数和壁面处质量分数满足二阶多项关系式：

最后，通过求解方程(1)，(8)即可获得泡孔尺寸和泡孔内压力等的情况。

2 模型与参数

数值模拟模型采用中心浇口矩形平板，尺寸为186 mm×114 mm×3.5 mm，圆角半径为6 mm，运用中面技术进行网格划分，节点总数为1 169，三角形单元总数为2 212，单元最小纵横比为1.16，最大纵横比为1.60，平均纵横比1.25，网格质量高，完全能满足计算要求，有限元模型如图1 所示。

图1 数值模拟有限元模型

材料选用ABS ( 制造商：Ineos 公司，牌号：Lustran ABS H802)，气体选用N2。为了分析泡孔尺寸影响因素及变化规律，笔者采用单因素法，即在标准参数的基础上，通过改变某一参数值，其余参数值保持不变，分别研究各参数对泡孔尺寸的影响，其中参数分为两类，一类是与传统注塑成型工艺相同的工艺参数，包括注射时间、熔体预注射量、熔体温度、模具温度；另一类是微孔发泡注塑成型工艺特有的参数，即SCF 控制参数，包括SCF 质量分数、初始泡核浓度、初始泡孔半径。标准参数设置见表1。

表1 标准参数

3 结果与讨论

由于泡孔数量巨大，分析单个泡孔尺寸的影响因素意义不大，因此平均泡孔半径可作为泡孔尺寸的重要度量，同时为了简化数据处理，本文中的泡孔尺寸均采用中面泡孔半径的算术平均，即平均泡孔半径来描述。

图2 为平均泡孔半径随注射时间、熔体预注射量、熔体温度和模具温度的变化关系图。从图2 中可以看出：随着注射时间的增加，平均泡孔半径逐渐减小，当熔体预注射量相同时，随着注射时间增加，熔体进入模腔的流率减小，这时所需的注射压力更小，熔体的剪切速率降低，从而产生较少的剪切热，导致熔体黏度更高，泡孔长大过程的界面压力作用增大，导致平均泡孔半径减小，此外，更小的注射压力不利于SCF 在熔体中的溶解，因而当SCF 质量分数固定时，单个泡核的SCF 含量会减小，泡孔长大过程的驱动力降低，此时平均泡孔半径也会减小；随着熔体预注射量的增加，平均泡孔半径逐渐减小，且在所考察区间内，平均泡孔半径受熔体预注射量的影响十分显著，这是因为随着熔体预注射量的增加，泡孔尺寸的增长空间由于彼此之间的排挤而受到限制，同时，SCF 在熔体中浓度相同，可认为泡孔长大的驱动力没有变化，因此平均泡孔半径减小，此外，由于注射时间相同，熔体预注射量的增加需要更高的注射压力，将有利于产生更多的均匀泡核，但泡孔长大过程的界面压力作用增加，也会使平均泡孔半径减小；随着熔体温度的升高，平均泡孔半径逐渐增大，其原因在于，熔体温度的升高会导致熔体黏度的降低，从而熔体与泡孔界面的压力作用减弱，这有助于提升泡核的长大速率和SCF 的扩散程度，扩散程度的升高则意味着更多的SCF 有机会进入泡核，为泡孔的长大提供更大的动力，因此可进一步获得更快的泡孔长大速率，加速泡孔的长大过程[13]；随着模具温度的升高，平均泡孔半径总体呈现增大的趋势，但变化区间比熔体温度的影响小得多，这主要是因为模具温度的升高使熔体固化所需的时间延长，因此同一时刻泡孔所受界面压力作用减小，这有利于泡孔的长大，但是，由于模具表面距离模腔中面相对较远，模具温度需要通过热传导对中面平均泡孔半径产生影响，因此，相较熔体温度，模具温度对中面平均泡孔半径的影响较小。

图2 平均泡孔半径随工艺参数变化图

图3 为平均泡孔半径随SCF 质量分数、初始泡核浓度、初始泡孔半径的变化关系图。从图3 中可以看出：随着SCF 质量分数的增加，初始阶段平均泡孔半径只有轻微的变化，但随后却较显著减小，这是因为当SCF 质量分数较低时，SCF 的增加量主要用来提高泡孔密度，以满足泡孔长大所需的驱动力，但随着SCF 质量分数的进一步增加，SCF 的成核率将随之增加，意味着泡核数量会增加，此时单个泡核的密度增加不明显，会抑制泡孔的长大过程，这与实验结果一致[14]；随着初始泡孔半径的增加，当初始泡孔半径较小时，平均泡孔半径变化很小，当初始泡孔半径达到1.2μm 后，平均泡孔半径开始较快下降，表明初始泡孔半径存在一个相对稳定的区间，在该区间初始泡孔半径的变化对平均泡孔半径影响不大，然而，随着初始泡孔半径持续增大，泡孔开始变得不稳定，在界面压力作用下趋向于分裂成更多的泡核，泡核浓度的下降使平均泡孔半径减小；随着初始泡核浓度的增加，平均泡孔半径呈现下降先快后慢的变化趋势，即当初始泡核浓度较小时，随着初始泡核浓度增加，平均泡孔半径快速下降，但当初始泡核浓度增加到一定程度时，平均泡孔半径的下降趋势又趋于平缓，这是因为当SCF 质量分数不变时，初始泡核浓度越高则意味着单个泡核的SCF 含量越小，即单个泡孔长大过程所需的驱动力越小，因此初始泡核浓度升高就会得到更小的平均泡孔半径，但是，伴随泡核浓度继续增加，由于泡核数量过多，泡孔尺寸增长将放缓。