預發泡技術助力塑料輕質化

　　預發泡注塑成型技術用于生產泡沫塑料，具有成本優勢，特別適合用于纖維增強輕質塑件的制造。德國注塑機制造商阿博格公司向市場推出了多種高強質輕塑料件高 效生產新工藝，2015年次展示了公司的新技術——預發泡物理發泡，該技術使用傳統的注塑機就能得到泡孔結構均勻發泡塑件，而且能減小其翹曲變形。
　　為了提高效率，保護資源，減輕重量與降低成本，工業界都在追求使用輕質零件，其中的汽車制造業一馬當先，交通、物流、醫藥技術與包裝以及建筑服務工程領域也在追求材料輕量化。阿博格（Arburg GmbH+CoKG）公司與相關高校及專家合作研究，已經開發出許多具有前瞻性而且成熟輕質材料生產工藝。
　　比較成熟的輕質材料生產工藝主要有：粒子泡沫復合注塑成型（PCIM），該技術是將熱塑性塑料模塑到已經發泡的初級塑件上，熱塑性塑料與發泡初級塑件緊密結合并賦予塑件額外的功能，該技術還可將標準件（如螺紋）與塑料材料在成型中進行結合而成為一體的塑件。另一工藝是纖維直接復合技術(FDC)，該技術可用來加工生產具有各種不同玻纖纖長度、不同玻纖含量與不同材料組分的輕質玻璃纖維增強零件，生產過程中可使用價廉無捻粗紗玻纖，玻纖在側進料裝置里進行切斷再直接加進塑料熔體中進行成型。FDC設備與熱塑性塑料復合片材的二次加工設備組合，FDC工藝可用來生產具有增強或其它功能的復合塑件。
　　預發泡物理發泡新技術使塑料輕質化系列工藝趨于完整，用該技術加工纖維增強塑料尤其合適，還可用于微發泡結構塑料的生產以實現塑料顯著的輕質化。
　　物料與發泡劑的連續供料
　　阿博格公司與德國亞琛塑料加工研究所（IKV）合作研究了預發泡加工工藝并將該技術應用于成熟的工業生產。與要使用粉末狀的發泡劑并在工藝熱的作用下溶于塑料原料的化學發泡不同，該物理發泡工藝沒有制品因熱分解導致產品機械性能劣化的風險，也不會腐蝕模具或引起模具污損。在傳統的注塑機上安裝一個簡單的裝備，就可以得到塑料熔體與發泡工藝所需要的氣體的均勻混合物（如圖1所示）。
      
　　圖1 預發泡能夠完成熱塑性塑料的物理發泡。新工藝特別適合用于纖維增強塑料的成型
　　兩個獨立存料倉中的粒料由具有權的鎖閉裝置分開或聯通，即由可打開與關閉的錐形閥連續提供物料與發泡劑。低位倉存貯發泡劑且始終保持壓力，而高位鎖閉料倉中的壓力在環境壓力（大氣壓）與發泡劑存料倉壓力之間交替變化。當高位貯料倉進料時，低位料倉的錐形閥處于關閉狀態。一旦物料充滿高位倉，進料裝置停止進料并建立起與發泡劑存貯倉相同的壓力，接著是兩料倉之間的錐形閥打開，這樣塑料粒料就可以流進低位貯料倉。
　　物料與發泡劑通過標準的三段式螺桿擠出機供料，與硅膠的注射模塑一樣，螺桿塑化單元附加密封在螺桿驅動端并安裝有針式鎖閉噴嘴，在物料進料區有連續的加工壓力的作用，這樣就會創建發泡劑起作用的環境。塑化裝置的壓力與溫度增加塑料熔體吸收發泡劑的速度，物料注射進入模具時中僅經受了壓力下降過程或此后較短時間的飽和吸收發泡劑與發泡劑解吸的過程。
　　在形成微發泡“泡孔”時發泡氣體再次從物料中逸出，“泡孔”在塑料熔體固化時“凍結”。與傳統沒有發泡的注射成型塑件相比，依據物料與成核過程的情況不同，可以得到極為均勻泡孔結構的泡沫塑料，其密度有顯著的減小。
　　預發泡技術在纖維增強塑料加工中的優勢
　　預發泡技術具有工藝過程簡單的特點，預發泡設備采用集成化設計并安裝了阿博格公司開發的專用控制系統，使該設備能用于Allrounder系列注射機上。唯一需要調整的參數是是粒料鎖控制器的“發泡工藝用氣壓力”，具有Selogica機器控制系統的粒料鎖控制器通過控制界面來完成所需要的參數調節（圖2所示）。
      
　　圖2 可變“發泡工藝所需氣體壓力”參數調節設置在粒料鎖控制器上
　　與傳統的注射模塑件相比，用預發泡技術生產的細小泡孔塑件重量更輕、縮孔更小、翹曲變形與內應力更小，用預發泡技術可加工不同厚度的塑件。因為發泡用氣體充在熔體中降低了熔體黏度，注射成型時可在更低的注射壓力與鎖模力下操作，減少了能量消耗，成型周期也縮短了。與使用傳統的注射成型生產塑件相比，塑件重量明顯減輕。根據加工物料的不同，通過變溫工藝控制，塑件的表面質量得到進一步的提高。例如，該工藝對減少塑件表面條紋的形成大有幫助。
　　雖然如上所述的優點對所有物理發泡注射模塑工藝都有效，尤其是MuCell發泡工藝，預發泡工藝還是具有顯著的特征：特別適合加工生產用長玻纖增強新工藝泡沫塑件，實現塑件機械性能的改善。原因是在物料塑化期間螺桿上沒用使用剪切或混合單元，減小了剪切力，結果是纖維較少損壞，因此纖維具有更大的平均長度。
      
　　圖3預發泡工藝可用來生產纖維增強的發泡塑料件，通過放大可觀察到塑件中長玻纖（左圖）與計算機斷面影相檢測照片（右圖）
　　通過計算機斷面影相檢測塑件泡沫結構凸顯該技術的效果：塑件外層保留密實結構及長玻纖的長度，這對于保持外塑件殼層的機械剛性很重要（圖3所示）。與傳統的注射成型相比，同樣是采用物理發泡注射成型工藝，用預發泡技術加工玻纖增強塑料時，一般來說后者加出得到的塑件中玻纖平均長度更長些（如圖4所示）。
      
　　圖4 用預發泡工藝加工長纖維增強物料，塑件中的玻纖平均長度大于相同條件下傳統注射成型塑件的玻纖長度或物理發泡注射成型工藝塑件中的玻纖長度，詳細數據請見方框中的測量數據。
　　實例：20%玻纖增強聚碳酸酯制作的汽車零件外殼
　　下列幾點應予重視，均與模具設計及制造相關：
　　1、塑件的壁厚越大，冷卻時間越長，這就是為什么必須確保成型加工工藝參數設定正確的原因。如果沒有充分的冷卻時間，隨后的發泡將存在風險并導致產生廢品。
　　2、在預發泡工藝中不能使用開放式熱流道系統。
　　3、模具必須有良好的排氣以免發生氣穴現象，導致制品上有凹陷甚至塑料燒料。
　　4、在生產大型塑件時，模具型芯必須得到有效冷卻或進行溫度控制，以便得到性能優的塑件。
　　在德國弗里德里希港舉辦的2015年國際塑料交易展（Fakuma）上，阿博格公司使用的是鎖模力為2500 KN液壓式注射機與單腔模演示了預發泡技術，是以安裝在汽車內部的殼型塑件生產為例來進行演示（如標題圖所示）。該含有20%玻纖的輕質聚碳酸酯塑件注射成型周期約為65秒。此塑件重量減少的潛力令人印象深刻：預發泡技術生產的該塑件重361克，傳統注射得到的同樣的殼件為414克，預發泡技術使其重量減輕了13%，也實現了物料消耗相應的減少。
　　總結
　　預發泡技術雖然使塑件的重量減輕了，但其韌性沒有下降甚至更高，這正為目前正進行的輕質化工藝所關注。新的預發泡工藝不只是一個簡單靈活的塑料發泡技術，而且還能對物料進行柔和加工，因此特別適合加工纖維增強塑料。該技術使人們能夠得到機械性能優異且質輕的塑料制件。
　　輕質化工藝目前仍存在的挑戰之一是產品的表面質量的改善，汽車工業特別樂見在此領域的進步。其解決方案是塑料多組份技術或塑件模內復合薄膜裝飾技術與變模溫控制技術形成的組合技術，這些解決方案是否采用還必須根據其成本效率來考慮。由于所加工物料的節約，尤其是可用來生產輕質泡沫塑料注射件的熱塑性塑料原料的節約會更加得到重視。
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