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光泡系統的注塑技術突破
- 評論：0 瀏覽：1647 發布時間：2006/7/14
多數結構性泡沫注塑技術應用了物理性發泡劑，需要專為此目的而制造的專用機器。此原因常常是因為需要為注塑機使用加長的塑化裝置，以及修正的液壓系統或控制系統。改造一臺現有的機器是不可能的，或者就是太復雜和費錢的。
Sulzer化學技術公司提供一種具有“光泡（Optifoam）”技術的新方法。該技術的核心是裝在傳統注射裝置末端的注嘴。依靠這個注嘴，在注射時發泡劑被引入到聚合物熔體中。兩種成分在靜態混合器內經歷劇烈的混合。通常，注塑過程中的混合時間極短，但引入了氣體的新方法能實現可靠的混合。
圖1：注嘴和靜態混合器是光泡系統的重要組成
光泡的原理
傳統技術應用一個或更多的注射器，它引入適當量的發泡劑，但只是以局部的方式這樣做的。這就需要利用專用的特長型螺桿，達10D長，具有顯著的混合區段。但是即使是這樣的辦法也只能在有限的程度上對軸向向心偏差進行補償。
Sulzer的光泡系統以德國亞琛大學塑料加工研究所（IKV）進行的研發為基礎，造就了將物理發泡劑注入聚合物熔體的新概念。其注嘴的概念的首次提出是在2000年，屬Sulzer化學技術公司獨家使用，已經在Sulzer與IKV的合作下得到進一步的發展。
為了能用上現有的機器，短小緊湊的設計是必不可少的。通過將注射時氣體與熔體之間的接觸表面最大化，光泡系統能實現這個目的 ：魚雷芯(圖1)將注嘴內熔體形成為環狀流體。這產生出與螺紋相比有著明顯增長的表面積/體積之比率。素燒金屬從內外都對環狀流體進行限制。注射過程中，通過注嘴壁和魚雷來引入發泡劑。因為是從兩側來裝熔體，環狀流道的高度小，所以已經在這個位置獲得了狹窄的向心分布。
熔體質量提高
在靜態混合器中，聚合發泡劑系統被弄均勻。這種混合器包含了許多相互間位置垂直的元件（圖2）。每個元件具有熔體被分隔和改變方向的交叉筋條。形成大的接觸面的原理也是在連續的方式下實現的。這種安排促進了互混。
除了物理性均勻化以外，靜態混合器在熔體溫度分布方面形成不錯的效果。元件數量增多，這種分布變得更窄，而剪切要比在螺桿中碰到的剪切小得多。一致的熔體溫度對于后面的發泡是特別重要的，因為它直接影響著成核和微孔的發展。為此，對于具有統一結構的高品質泡沫的形成來說，物理上和溫度上的均勻是重要的必要條件。
圖2：混合性能首先受到混合元件數量的影響
以對注塑中可發現的片狀流體進行試驗的數據和模擬計算為基礎，可以預先確定同等化過程（圖3）。以這種方式，針對每種特定用途均可設計出靜態混合器。這種設計的重要限制條件包括了筋條與元件的數量，以及混合器的口徑。
注嘴與混合器緊密配合
圖3：為設計出以用途為基礎的靜態混合器，Sulzer應用了計算性動態流體方法
光泡系統主要由以下組成：
◆ 將發泡劑引入熔體中的注嘴
◆ 使熔體均勻的靜態混合器
這兩種部件是互相緊密配合的。 三種基本規格涵蓋了注射量從幾克到超過一公斤的寬幅系列。圖4顯示的是中等規格的光泡系統，具有加熱圈和壓力感應器等周邊元件。一個針式截斷注嘴把此系統保持在壓力之下。如果有需要，此注嘴可以裝備上限位開關，并聯接到注塑機的安全系統之中。
裝有比例閥和流體感應器的計量工位在高壓下供應精確數量的發泡劑(圖5)。Sulzer公司通過與Maximator公司和IKV的密切合作，開發出了專用于光泡系統的工位。必要的操作控制也被融合到此工位中。這些控制提供了與注塑循環的同步，如有要求，還可激活針式截斷注嘴，并把多余的加熱電路結合起來。
圖4：帶周邊元件的光泡系統
材料、工藝和模具的相互作用
如果為傳統注塑而設計的塑件被發泡塑件所直接替代，就經常會有物理性能的損失。在一定條件下，有必要修改塑件和模具式樣。在一些情況里，整個生產過程的持久優化代表著獲得滿意結果的唯一可能性。靠著每種發泡成型技術，在模具內進行發泡。相應地，模具的設計對于結果有著決定性的重要性。材料的流動性能、塑件的式樣（壁厚、增強筋等），以及澆口大小和位置決定著所產生泡沫的性能。模內溫度的均勻分布比傳統注塑時還要重要，目的是確保微孔的快速穩定，防止塑件從模內取出后的發泡。
原則上，每種聚合物都能被加工成發泡件。但是所需努力可能差別巨大。基礎聚合物的粘度和表面張力不僅影響著裝載和混合過程，也影響著隨后的泡沫形成和穩定。纖維和成核劑等顆粒填充物會大大降低優化程度。
圖5：所有必要的附屬件都被集合到氣體計量工作臺中。
二氧化碳和氮氣都能被加工。計量周期與注塑機同步
在瑞士日內瓦杜邦歐洲技術中心進行的試驗顯示出這樣的材料優化的效果（圖6為塑件截面和顯微圖）。不用任何添加劑對PBT進行處理。因為這種材料極為適合于發泡，有可能利用氮氣作為發泡劑，以很少的功夫而獲得很統一的結構。為了使物理性能損失量保持在限度之內，密度降低被控制在10％以內。
通過工藝與合適材料的選擇，必要的措施已被采取。但是模具起著重要的作用，因為它決定著塑件的最終性能。原則上，成型發泡件能取代現有的傳統塑件。然而這樣的取代可能不只是產生物理性能的降低。在很多情況下，發泡成型形成表面質量降低的塑件，所以必須采取額外的措施。
圖6：微孔泡沫結構
除了上述的步驟以外，調整模具也能起到作用。圖7顯示了一個成功案例分析結果，通過對澆口形狀和類型的系統修正，影響聚合/發泡劑系統的發泡。以前述的良好試驗結果為基礎，箱式模具被制出用于低壓工藝中，也就是部分填充和隨后的泡沫自由膨脹。在這里，重量減輕也被控制到10％以內。澆口的優化能成型出具有獨特表面質量的塑件。
花最少功夫的改造
圖7：模具與材料優化的修正能使發泡成型實現高品質的表面
合適的設備能決定性地改善每種應用了發泡的最終產品。光泡系統不只是提供最大的靈活性，還有常與結構性泡沫注塑有關的所有優點。可以針對現有注塑機對系統進行改造，所以只要做一點點調整，加工者就能在傳統成型與發泡成型之間進行轉換。
光泡技術雖然給加工商們帶來益處，但仍只是剛剛起步。根據塑件要滿足的要求，加工商必須考慮整個生產過程，從樹脂與添加劑的選擇開始，接著是塑件與模具的設計，最后是工藝優化。忽視工藝過程的任何方面，都可能導致不如人意的后果。
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