微发泡注塑成型技术

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微发泡聚合物材料是指以聚合物材料为基体，其中含有泡孔尺寸从小于一微米到几十微米的多孔聚合物材料。常规的物理或化学发泡法制备的泡沫塑料由于其孔径较大，通常不属于这一范畴，与一般泡沫塑料毫米级的泡孔相比，微发泡
聚合物的泡孔要小得多，而泡孔密度要大得多，因而称为微发泡聚合物。
发展概述
上世纪80年代初，美国麻省理工学院（MIT）首先提出微发泡塑料的概念并发展了相应的成型技术。微发泡成型过程可分成三个阶段，首先是将超临界流体（主要是二氧化碳和氮气）溶解到聚合物中，并形成聚合物/气体的单相溶液；然后，通过温度或压力等条件引发体系的热力学不稳定性，使得气体在溶液中的溶解度下降；由于气体平衡浓度的降低，从而在聚合物基体中形成大量的气泡核，然后逐渐长大生成微小的孔洞。
许多人认为超临界流体应用于聚合物加工只是处于实验室的研究，实际上，这种方法的商业应用早就开始了。20世纪50年代始，超临界乙烯就已用于大规模制造低密度聚乙烯。进入21世纪，Trexel公司与MIT合作，首先利用这种技术实现了微发泡注塑的商业化应用。据报道，Reedy国际公司也开发了类似的挤出微发泡装置。
关于聚合物微发泡成型技术已有大量的文献报道，研究以无定型和半结晶型聚合物微发泡材料的成型过程为主，如聚氯乙烯（PVC）、聚苯乙烯（PS）、聚碳酸酯（PC）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）和聚砜（Polysulfone）等。加工技术方面的研究主要涉及微发泡挤出、微发泡注塑、微发泡吹塑及旋转模塑等。从事微发泡技术研究并取得较显着研究成果的单位主要有美国的麻省理工学院、威斯康辛—迈迪逊大学、佐治亚理工大学、加拿大的多伦多大学、德国的GKSS 研究中心、荷兰的特文特大学等。
发展现状
1997年，在与MIT合作的基础上，Trexel公司率先开始了微发泡注塑成型技术的产业化研究。其第一台用于研究的注塑机是Engel的150吨螺杆和活塞式注塑机，后来采用了往复螺杆式注塑机。直到2000年，Trexel公司在芝加哥的国际塑料博览会上首次推出其微发泡注塑成型机的商业产品。与此同时，许多日本、欧洲和韩国等国家的公司也一直致力于微发泡注塑成型工艺的开发。
目前以Trexel公司的Mucell®为代表的超临界流体制备聚合物微发泡材料技术已经得到了广泛的认可，许多世界知名的设备和原料厂商都购买了这种技术的专利使用权，包括Arbug、Demag、Engel、Milacron、Husky、Krauss Maffei、Battenfeld、Dupont、JSW、Toshiba等知名公司和企业。
可以说，微发泡注塑成型技术正在由单纯的理论和实验研究转向成熟的商品化开发。尽管这个阶段经历了将近20年的时间，但这种商业化开发的模式及其成功经验预示着新的加工技术在今后要实现产业化将变得越来越容易。正如微发泡技术的创始人MIT的Nam P. Suh教授所说，这种技术绝非仅仅是能够节约材料那么简单，其所带来的各种益处将在今后各种应用中逐步体现出来。
这种技术的成功开发，可以说是高校和产业界携手合作的典范。实践证明，只要在一个经过严格论证的框架下进行合作，研究单位和产业界都能够从类似这样的合作中获益。
微发泡注塑成型制品的主要特点是在基本保持制品原有力学性能的基础上减轻重量。同时，由于制品内部几乎没有任何残余应力，因此制品的翘曲和变形可以得到很好的抑制。而且，由于能有效地防止收缩痕，因此对制品壁厚均匀度的要求大大降低，从而为制品设计提供了更大的空间。
从理论上说，几乎目前所有的非结构性塑料制品和一部分结构性塑料制品都可以采用微发泡注塑成型工艺制备。但考虑到市场需求及经济性等因素，目前美国、日本等国家所开发的微发泡注塑制品主要集中在汽车及内部装饰材料、电子电器产品、医用产品等领域，如汽车进气歧管、保险盒、发动机罩、电器开关、电器控制模块、薄壁容器、医用注射器等。
特点及优势
与常规注塑成型制品的比较
对国外现有采用Trexel公司专利的微发泡注塑成型机进行分析及相关的数据比较可以看出，与常规的模塑制品相比，除去购买许可证和增加设备的投资以外，微发泡模塑制品的平均成本可降低16%-20%。而这主要通过四个方面实现：
1. 微发泡注塑循环周期可减少50%，从而降低了加工成本。同时注塑制品的下脚料比例降低，设备的能耗也更低。
2. 对于相同类型的制品，微发泡注塑工艺可以使用更小和更少的机器，模具成本更低，从而降低投资成本。
3. 由于微发泡注塑制品的密度降低，可以设计具有更薄壁结构的制品，降低制品的材料成本。
4. 由于减少或消除了常规模塑在合模和保压过程中产生的模内应力，因此微发泡注塑可以制备更平、更直和尺寸精度更高的制品，从而为制品的品质和价格提升提供了更大空间。
与其他注塑成型工艺的比较
许多其他的注塑成型工艺过程也使用或涉及气体或发泡剂，这些工艺主要有：结构发泡注塑、气体辅助注塑和化学发泡成型。
微发泡注塑与结构发泡注塑
结构发泡注塑通常用于成型较大的制品，最常见的是采用特殊的低压注塑机加工高密度聚乙烯（HDPE）原料。其制品的重量减轻可以达到10%或更多。微发泡注塑在某些方面比结构发泡注塑更有优势，如对于大多数材料包括常用的工程塑料来说，其材料的减少和注塑循环时间的降低更加显着。
微发泡注塑能够成型同时具有薄壁和厚壁的结构，在制品设计方面的灵活性更大。但微发泡注塑对于具有大长厚比的制品和厚壁（大于6毫米）制品方面则没有太多优势。
微发泡注塑与气体辅助注塑
气体辅助注塑可以成型表面质量非常高的制品，通过对模具和制品进行特殊设计，在厚壁制品的内部设计空腔实现气体辅助注塑。而微发泡对于厚壁制品的成型没有优势，而且其制品的表面质量也无法达到非常完善。
但气体辅助注塑通常只用于消除制品的收缩痕，因此从这方面来说，微发泡注塑可能是一个更好的选择，能够更多地降低制品重量，以更短的循环时间成型，并且制品翘曲较少，同时也能够消除收缩痕。
微发泡注塑与化学发泡成型
化学发泡剂在特定的温度下分解而产生气体发泡剂。不同类型的发泡剂适用于不同温度下分解发泡。其通常用于厚壁制品成型以消除收缩痕，同时也可以降低制品密度。对于薄壁制品使用化学发泡剂会使表面质量劣化，同时会显着降低其力学性能。而且，从经济性角度出发，化学发泡不能够大幅度降低密度。
而微发泡注塑的优势在于，许多吸热型的化学发泡剂会生成水（也产生CO2气体），因此需要添加吸水剂以防止由于水的存在而造成聚合物熔体的降解现象。气体发泡剂生产批号的不同致使在生产过程中不得不随时调整生产工艺。
另外，由于化学发泡剂本质上的热稳定性不佳，因而很难用于加工高温型树脂。化学发泡剂通常会在树脂中有所残留，或产生副产品。带有副产品或未分解化学发泡剂的树脂通常会使制品耐老化性能降低，并可能导致模具排气孔堵塞。而且，其加工过程中产生的下脚料很难就地回收使用。
当然，微发泡注塑成型技术也并非完美无缺，对于要求透明性强和表面质量非常高的制品，采用微发泡注塑成型技术需要更加慎重。