【摘要】：開合模發(fā)泡注塑工藝是一種模具型腔體積可變的聚合物發(fā)泡注塑工藝,其技術特點是在高保壓之后將模具動模側(cè)或模具型芯沿著開模方向以一定的速率移動一定的距離,從而為聚合物發(fā)泡提供更多空間。在開合模發(fā)泡注塑中,開模發(fā)泡階段的開模動作可以為聚合物熔體內(nèi)部氣泡的形核長大提供充足的空間,這將顯著提高聚合物發(fā)泡材料塑件的發(fā)泡倍率,增加塑件內(nèi)部泡孔尺寸均勻性和泡孔分布均勻性。因此,開合模發(fā)泡注塑工藝能夠注塑成形具有超高發(fā)泡倍率的發(fā)泡塑件,有效提高塑件的減重效果、隔熱性能、隔音性能和吸能緩沖性能,增加塑件的比表面積,有效提高發(fā)泡塑件的吸附能力。由于開合模發(fā)泡注塑塑件具有較高的減重效果,可以有效降低整備質(zhì)量,實現(xiàn)更高的輕量化目標,所以在交通運輸領域獲得了廣泛關注。同時,由于開合模發(fā)泡注塑塑件具有較好的隔熱性能、隔音性能、吸能緩沖性能和比表面積,所以在建筑建材、體育用品、吸附和催化等領域也獲得了廣泛關注。目前,學者們圍繞開合模發(fā)泡注塑工藝,在開合模發(fā)泡注塑模具、開合模發(fā)泡注塑材料、開合模發(fā)泡注塑工藝參數(shù)設計和聚合物注塑最常見的熔接痕缺陷等方面開展了大量的研究工作。然而,常規(guī)開合模發(fā)泡注塑模具結(jié)構(gòu)簡單,其完成開模動作后分型面已經(jīng)打開,無法進行二次注射等操作,因而限制了開合模發(fā)泡注塑工藝的拓展應用;開合模發(fā)泡注塑常用超臨界流體作為發(fā)泡劑,超臨界流體的發(fā)生設備和打氣設備價格昂貴,進而增加了設備成本;為提升塑件熔接痕性能而開展的研究,大都建立在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)熔接痕的基礎上,受到熔接痕結(jié)構(gòu)的限制,其研究成果對熔接痕性能的提升作用有限。針對上述問題,本文從開合模發(fā)泡注塑工藝原理、成型機理、工藝優(yōu)化創(chuàng)新、模具設計與制造、塑件結(jié)構(gòu)分析、熔接痕結(jié)構(gòu)分析、塑件與熔接痕特殊結(jié)構(gòu)形成原理、工藝參數(shù)影響塑件成形過程與性能的規(guī)律等方面對開合模發(fā)泡注塑工藝進行了系統(tǒng)的研究。主要研究工作和研究成果如下:(1)研究了開合模發(fā)泡注塑成型工藝原理,提出了一種型芯后撤二次注射開合模發(fā)泡注塑成型新方法,設計了一種型腔深度控制系統(tǒng),并以這種型腔深度控制系統(tǒng)為核心,制造了一套可以精確控制開模距離和開模速率,并可在開模動作后進行二次注射的型芯后撤二次注射開合模發(fā)泡注塑模具。在首次注射完畢后,通過型芯后撤獲得了一種不同于常規(guī)發(fā)泡注塑試樣的特殊皮層結(jié)構(gòu),并通過保壓作用使聚合物熔體在這個封閉的皮層結(jié)構(gòu)內(nèi)進行二次填充,最終獲得了一種具有特殊結(jié)構(gòu)的開合模發(fā)泡注塑塑件。研究發(fā)現(xiàn),這種特殊的皮層結(jié)構(gòu)有效抑制了發(fā)泡階段氣體從聚合物熔體中溢出,明顯增加了聚合物熔體內(nèi)氣泡形核長大的動力;被封閉在皮層內(nèi)部的氣體可以為新注入的聚合物熔體流動前沿自然提供一個內(nèi)部反壓壓力,從而抑制了聚合物熔體填充時的泉涌效應,顯著改善了試樣的內(nèi)部泡孔結(jié)構(gòu)。這種特殊皮層致密的構(gòu)造對提高發(fā)泡塑件的力學性能起到了重要作用。(2)研究了工藝參數(shù)對型芯后撤二次注射開合模發(fā)泡注塑塑件的影響規(guī)律,分析了工藝參數(shù)與塑件力學性能和減重效果之間的關系。研究發(fā)現(xiàn),化學發(fā)泡劑AC的用量以7%為宜,發(fā)泡劑用量低時發(fā)泡效果不佳,發(fā)泡劑用量過高會因其過量分解放熱而破壞已經(jīng)形成的泡孔結(jié)構(gòu);注射速率和模具溫度影都會響塑件表面質(zhì)量;注射量的主要作用是控制型芯后撤二次注射開合模發(fā)泡注塑塑件所特有的皮層結(jié)構(gòu)的強度;第一階段保壓壓力決定了型芯后撤二次注射開合模發(fā)泡注塑方法所特有的二次注射階段中聚合物熔體填充皮層結(jié)構(gòu)空腔的速率,第一階段保壓時間決定了二次注射階段中聚合物熔體填充皮層結(jié)構(gòu)空腔的程度;第二階段保壓的作用是最終固定泡孔的尺寸和數(shù)量,并對塑件進行補縮;型芯后撤速率的作用是控制型芯后撤二次注射開合模發(fā)泡注塑塑件所特有的皮層的外觀和形狀;采用型芯后撤二次注射開合模發(fā)泡注塑方法獲得的塑件減重率最低為16%,最高可達46%。(3)研究了型芯后撤二次注射開合模發(fā)泡注塑方法對塑件熔接痕的影響,獲得了一種具有特殊熔接痕的塑件,發(fā)現(xiàn)了一種新的熔接痕結(jié)構(gòu),提出了一種新的熔接痕形成過程。研究發(fā)現(xiàn),采用型芯后撤二次注射開合模發(fā)泡注塑方法獲得的塑件的熔接痕內(nèi)部具有一種特殊的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),這種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)可以誘導新注入的聚合物熔體發(fā)生交叉流動并互相纏繞,從而增強了熔接痕處的力學性能;特殊網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)自身在熔接痕區(qū)域內(nèi)部也起到了類似纖維強化的作用,從而進一步增強了熔接痕處的力學性能;帶有特殊熔接痕的型芯后撤二次注射開合模發(fā)泡注塑試樣的抗拉強度、比抗拉強度和斷裂伸長率比帶有常規(guī)熔接痕的試樣分別提高了30.7%、53.3%和550%,這種帶有特殊網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的熔接痕構(gòu)造為提高試樣熔接痕處的力學性能發(fā)揮了重要作用。(4)研究了型芯后撤二次注射開合模發(fā)泡注塑方法的工藝參數(shù)對塑件熔接痕結(jié)構(gòu)形成與性能的影響規(guī)律,分析了工藝參數(shù)與塑件力學性能和減重效果之間的關系。研究表明,注射量影響特殊網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中網(wǎng)絡的粗細以及網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的整體厚度,網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡隨著注射量的增加而變粗,其整體厚度也隨之增大,但過高的注射量會造成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)過厚,導致試樣熔接痕處產(chǎn)生新的缺陷:在注射量一定的情況下,注射速率影響特殊網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的強度,隨著注射速率的增加,網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的強度也會提升,但是當注射速率超過一定值時,網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)強度的提升量降低;采用型芯后撤二次注射開合模發(fā)泡注塑方法獲得的帶有特殊結(jié)構(gòu)熔接痕的塑件的減重效果和力學性能均優(yōu)于采用常規(guī)發(fā)泡注塑獲得的帶有普通結(jié)構(gòu)熔接痕的塑件。(5)將型芯后撤二次注射開合模發(fā)泡注塑方法應用于生產(chǎn)實踐,注塑成型了一種高比強度高減重的某品牌汽車B柱護板,并與常規(guī)化學發(fā)泡注塑方法獲得的B柱護板在泡孔結(jié)構(gòu)和力學性能等方面進行了對比和分析,揭示了型芯后撤二次注射開合模發(fā)泡注塑方法對于提高汽車B柱護板內(nèi)部泡孔分布均勻性、優(yōu)化泡孔結(jié)構(gòu)、提高力學性能和減重效果的影響機制。研究表明,采用型芯后撤二次注射開合模發(fā)泡注塑方法獲得的汽車B柱護板泡孔結(jié)構(gòu)優(yōu)良,能夠在保證力學性能的前提下,減重24.4%。相較于采用常規(guī)發(fā)泡注塑方法獲得的B柱護板,其減重率、抗拉強度、彎曲強度和帶缺口沖擊強度都有所提高。在綜合考慮了減重后,采用型芯后撤二次注射開合模發(fā)泡注塑方法獲得的B柱護板的比抗拉強度、比彎曲強度和帶缺口比沖擊強度比采用常規(guī)發(fā)泡注塑方法獲得的B柱護板更是有較大幅度提高。
【圖文】：

物基體發(fā)泡［２４１。常見的物理發(fā)泡劑主要有Ｈ２０、空氣、Ｎ２、Ｃ０２和氟利昂等。為逡逑使物理發(fā)泡劑能夠順利溶入聚合物熔體中，通常使用超臨界流體發(fā)生裝置將物理逡逑發(fā)泡劑由液態(tài)或者氣態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌R界狀態(tài)。圖１－２給出了物質(zhì)狀態(tài)隨溫度和壓逡逑力的變化關系｜２５：｜，如圖所示，當物質(zhì)的壓力和溫度均升高到圖中所示的臨界點時，逡逑其氣一液兩相間的界面就會消失，這時的溫度和壓力稱為該物質(zhì)的臨界溫度和臨逡逑界壓力，繼續(xù)升高壓力和溫度，，物質(zhì)就會進入超臨界狀態(tài)，成為超臨界流體。超逡逑臨界流體不僅具有與氣體相同粘度和擴散系數(shù)，還具有與液體相同的密度和溶解逡逑４逡逑

１．３．１邋ＣＦＩＭ邋技術逡逑ＭａｒｔｉｎｉＰｌ等于二十世紀八十年代首先提出了微孔發(fā)泡注塑成型技術，并申逡逑請了專利。圖１－３為Ｍａｒｔｉｎｉ等申請的專利中介紹的微孔發(fā)泡注塑成型技術設備逡逑示意圖。如圖所示，這種微孔發(fā)泡注塑成型過程分為三個步驟：首先，使用擠出逡逑機（或者注塑機）將含有發(fā)泡劑的聚合物熔體注入一套特制的模具的型腔內(nèi)，這逡逑套模具的型腔容積由一個可移動的板控制，這個可移動的板又由液壓系統(tǒng)控制，逡逑當含有發(fā)泡劑的聚合物熔體被注入型腔時，液壓系統(tǒng)對可移動的板施加一定的壓逡逑力，使得模具型腔內(nèi)含有發(fā)泡劑的聚合物熔體壓力高于體系的發(fā)泡臨界壓力，此逡逑７逡逑
【學位授予單位】：山東大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TQ320.662


本文編號：2683676