新型微发泡注塑成型技术

■资料来源:SPE 北京分会

前言

微孔聚合物泡沫是含有十亿微小气泡的塑料,它们的孔 隙直径小于100μm,每单位体积密度大于108/cm3。 第一个商业微发泡注塑成型技术(即Trexel公司的 MuCell注塑工艺)於20世纪90年代,以麻州研究所进 行的研究为基础被开发出来。在这种原始的最常用的微 孔泡沫注塑工艺中,超临界流体(SCF)的泵单元用于加 压物理发泡剂 (PBA)( 氮 (N2) 或二氧化碳 (CO2)) 至超临 界压力水平。然后PBA通过一个喷射器阀引入到含熔融 聚合物的机筒中。以这种方式,该气体在注射前便溶解 到聚合物中。这种泡沫生成工艺的好处是,塑料回收被 允许,使得它们的碳消耗减少,原材料的成本降低。由 於引入了MuCell技术,不同的微孔发泡技术已经研发 成功,并且该方法已在汽车、计算机和家电领域取得了 巨大成功。但是,在这些较新的技术中,我们仍然需要 使用SCF泵单元(将氮或二氧化碳加压到超临界状态), 它引起了机器和操作成本的不断增加。

新的泡沫注射成型的方法

在这一研究领域中,尽管毫无根据,但仍存在较强的观 念认为微孔泡沫的準备需要超临界CO2或N2,这样的 SCFS提供了特殊的性能。与此相反,已经有实验证明, CO2和N2在热塑性聚合物中的溶解度满足亨利定律 (即,气体甚至可以在低于临界压力下溶解在聚合物中)。 因此,理论上,即使当饱和压力(对应於溶解PBA浓度)比临界压力值低,我们也可以进行物理发泡。但是, 不含高压泵系统的注射成型机还没有被开发出来。在 我们的工作中,我们已经开发出一种新的泡沫注射成 型的方法(不含SCF泵单元)用于生产微孔泡沫。

图 1:(a) 新型泡沫注塑机示意图 ( 不含超临界流体泵单元 )

我们通过将PBA(即,CO2或N2)直接从气罐传输到 熔融聚合物中来简化注射成型过程。此输送通过一个 喷射阀,我们可以通过使用专门设计的操作顺序和螺 杆配置来实现。我们的发泡注射成型装置如图1所示, 包括一个通风孔,具有通气容器,在机器的中间。通 过该通气孔,多余的PBA气体(即,存在熔融聚合物 中的气体残留PBA)可以从熔融聚合物排出到大气中。
相应的,它也可以被用来将PBA气体引入至该熔融聚 合物中(当聚合物在PBA中的浓度低于饱和点时)。 具体地,我们可以通过调整通气容器内的压力来调整 溶解在熔融聚合物中的PBA浓度。我们可以通过排出 管线端部的背压调节器来调控通气容器的压力。

图 2:芯后泡沫注塑制品的芯层扫描电子显微镜图像

以我们的技术制造的芯后泡沫注塑制品的扫描电子显 微镜(SEM)图像如图2所示,我们以三个不同的膨 胀比制备了这些泡沫(2、3、5)。此外,我们使用了 CO2或N2作为PBA,开阀时间为0.2秒的喷射器, 压力为5MPa的通气容器以及二次压力为8MPA的气
瓶。这些SEM图像表明,该泡沫体的泡孔尺寸与常 规泡沫注射成型方法得到的泡沫体大致相同,甚至更 小。因此,我们表明,我们的泡沫注塑机和方法可以 成功地用于生产微孔发泡制品。仅通过从通气孔输送 PBA,我们也可以用我们的系统生产微泡沫。

图 3:聚丙烯 (PP) 注塑制品 ( 左 ) 和它的微孔泡沫 ( 右 )

聚丙烯注塑制品及其相应的微孔泡沫的一个例子如图 3所示,我们通过从通气容器和孔向熔融聚合物中输 送空气的方式制备微孔泡沫,同时喷射阀完全关闭。 空气由空气压缩机提供,其中,空气被简单地从大 气压压缩至4MPa。通过我们的工艺,原始盘形板的 大小(直径为100mm,厚度为1mm)扩大到厚度为 2mm。此外,该板由于微型气泡反射而呈现出白色。

结论

总之,我们已经开发出一种新的注射成型系统,无 需SCF泵单元即可完成微孔聚合物泡沫的制造。在我 们的技术中,我们可以使用非超临界氮气、二氧化碳 或压缩空气作为物理发泡剂来生产稳定的微孔泡沫材 料。因此,我们已经表明,加压N2或CO2至超临界 状态不是微孔注射成型的必要条件。
在我们即将进行的工作中,我们将通过优化螺杆设计 和通气容器的PBA传输来改进我们的技术。这将使我 们能够以较低的成本轻松地实现现有的注塑成型机向 我们的系统设计的转换。■

作者信息

AtsushiYusa-TechnologyDevelopmentDepartmen t,HitachiMaxell,Ltd.
▪SatoshiYamamoto-TechnologyDevelopmentDepa rtment,HitachiMaxell,Ltd.
▪ HidetoGoto-TechnologyDevelopmentDepartmen t,HitachiMaxell,Ltd.
▪ HiromasaUezono-InjectionMoldingMachineDivisi on,JapanSteelWorksLtd.
▪ LongWang-DepartmentofChemicalEngineering,K yotoUniversity.
▪ ShotaIshihara-DepartmentofChemicalEngineerin g,KyotoUniversity.
▪ MasahiroOhshima-DepartmentofChemicalEngin eering,KyotoUniversity&MasahiroOhshimaisaprofess orandthevicedeanoftheFacultyofEngineeringatKyoto University.

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