1、塑料注射发泡成型,苑会林材料科学与工程学院,内容分两部分介绍,塑料注射发泡分类简介,结构发泡简介,先简要介绍注射机再进入内容的介绍,2018年6月7日星期四,2,北京化工大学材料科学与工程学院,发泡塑料由于有气泡的存在，因此具有密度低比强度高，能吸收冲击载荷，隔热，隔音及能机械加工性能等优点，其应用范围十分广泛，特别对于大型的厚壁制品，如汽车配件家用电器的外壳塑料板材等，发泡注塑可以节省材料降低成本，因此将会受到广大厂商的欢迎，但由于发泡剂和发泡专用注塑机的技术推广应用还需要时日，目前使用的厂家还比较少，但这在今天已是塑料加工的一个发展方向及热点。,注塑发泡成型的应用,2018年6月7日星期四
2、,3,北京化工大学材料科学与工程学院,结构发泡包装材料,2018年6月7日星期四,4,北京化工大学材料科学与工程学院,注射机的结构,2018年6月7日星期四,5,北京化工大学材料科学与工程学院,注射机的主要零部件,2018年6月7日星期四,6,北京化工大学材料科学与工程学院,喷嘴结构,锁闭式喷嘴,2018年6月7日星期四,7,北京化工大学材料科学与工程学院,喷嘴与模具的接触,2018年6月7日星期四,8,北京化工大学材料科学与工程学院,第一部分：塑料注塑发泡及其分类简介,30年代出现硬质聚氨酯泡沫和聚苯乙烯泡沫40年代有聚乙烯、聚氯乙烯、环氧树脂、酚醛泡沫50年代则有可发性聚苯乙烯泡沫和软质聚
3、氨酯泡沫。现在，基本上所有的塑料，包括热塑性和热固性的都可以发泡为泡沫塑料。工业上的制备方法有：挤出发泡、注塑发泡、模塑发泡、压延发泡、粉末发泡和喷涂发泡等等。,2018年6月7日星期四,9,北京化工大学材料科学与工程学院,一、发泡剂简介,物理发泡剂的要求是 ：无毒、无臭、无腐蚀作用、不燃烧、热稳定性好、气态下不发生化学反应、气态时在塑料熔体中的扩散速度低于在空气中的扩散速度。常用的物理发泡剂有空气、氮气、二氧化碳、碳氢化合物、氟利昂等；化学发泡剂是一种受热能释放出气体诸如氮气、二氧化碳等的物质。化学发泡剂的要求是 ：其分解释放出的气体应为无毒、无腐蚀性、不燃烧、对制品的成型及物理、化学性能无
4、影响，释放气体的速度应能控制，发泡剂在塑料中应具有良好的分散性。应用比较广泛的有无机发泡剂如碳酸氢钠和碳酸铵，有机发泡剂如偶氮甲酰胺和偶氮二异丁腈。,物理发泡法和化学发泡法,2018年6月7日星期四,10,北京化工大学材料科学与工程学院,二、物理发泡简介,物理发泡一般有三种方法：,（1）先将惰性气体在压力下溶于塑料熔体或糊状物中，再经过减压释放出气体，从而在塑料中形成气孔而发泡； （2）通过对溶入聚合物熔体中的低沸点液体进行蒸发使之汽化而发泡； （3）在塑料中添加空心球而形成发泡体而发泡等。,物理发泡法所用的物理发泡剂成本相对较低，尤其是二氧化碳和氮气的成本低，又能阻燃、无污染，因此应用价值较
5、高；而且物理发泡剂发泡后无残余物，对发泡塑料性能的影响不大。但是它需要专用的注塑机以及辅助设备，技术难度很大。,2018年6月7日星期四,11,北京化工大学材料科学与工程学院,微孔成型的定义：,微孔发泡成型属于物理发泡法。常规泡沫塑料的泡孔直径一般大于50m，泡孔的密度 (单位体积内泡孔的数量 )小于106个/cm3。这些大尺寸的泡孔受力时常常成为初始裂纹的发源地，降低了材料的机械性能。 为了满足工业上要求降低某些塑料产品的成本而不降低其机械性能的要求，20世纪80年代初期，美国麻省理工大学 (MIT)的学者J.E.Martini J.Colton以及N.P.Suh等以CO2、N2等惰性气体作
6、为发泡剂研制出泡孔直径为微米级的泡沫塑料，并将泡孔直径为1-10 m ，泡孔密度为1091012个/cm3的泡沫塑料定义为微孔塑料。,2018年6月7日星期四,12,北京化工大学材料科学与工程学院,微孔注塑成型,采用该技术的特点是： 制品重量约减少50； 注射压力约降低3050； 锁模力降低20； 循环周期减少1015； 采用一套带计量控制装置的气体输入设备。,2018年6月7日星期四,13,北京化工大学材料科学与工程学院,微孔注塑成型,注射成型是微孔塑料制品的主要成型方法之一。塑料原料加入注塑机的料筒后，在螺杆剪切力及加热圈外加热作用下塑化，发泡剂直接注入注射螺杆熔融段末与熔体均匀混合，然后
7、高压高速注入模腔。在模腔内突然降压，使熔体中大量的过饱和气体离析出来，发泡、膨胀、成型、定型形成微孔塑料制品。另外，也可以采用改变温度的方法形成泡核，与改变压力法相比，比较容易控制，但对于气体溶解度对温度不敏感的塑料不适用。,开发微孔塑料注塑技术难度比较大，因为和常规泡沫塑料相比，泡孔的尺寸要小得多，要想得到良好的微孔塑料制品，必须要保证对进入机筒熔体中的超临界流体精确计量，要求塑料熔体必须充分混合、均化、分散，形成均相混合体，保证熔体中的成核点必须多于109个/cm3、及时控制成核气泡的膨胀等等。这对设备本身及注塑工艺参数的要求都非常之高。,2018年6月7日星期四,14,北京化工大学材料科
8、学与工程学院,目前微孔发泡工艺是塑料加工中的一种先进的新工艺，世界各国都在研究和开发新的发泡专用设备和发泡剂，在塑料的发泡注塑成型加工中，采用物理发泡法可以得到均匀的微孔发泡制品，不过需要用专用的注塑机和附属设备经压缩后的惰性气体通过专用设备输入到机筒螺杆处，特别设计的螺杆机筒将其均匀地分散到熔融的塑料中，熔料注入模具中减压发泡，也可以通过溶入塑料熔体中的低沸点液体进行蒸发使之汽化而发泡。目前欧美的一些著名塑料机械厂商已经开发出这种注塑机，并在大型塑料件如：汽车配件的生产中开始使用。物理发泡剂的要求无毒无臭无腐蚀作用不燃烧、热稳定性好、气态下不发生化学反应、气态时在塑料熔体中的扩散速度低于在空
9、气中的扩散速度，一般采用二氧化碳、氮气、氟利昂、氯甲烷和戊烷等。微孔发泡法的优点：发泡剂的成本较低，尤其是二氧化碳和氮气发泡后无残余物对发泡塑料的性能影响不大缺点是设备投资大、技术难度大。,微孔注塑成型,2018年6月7日星期四,15,北京化工大学材料科学与工程学院,三、化学发泡简介,化学发泡法是利用化学方法产生气体来使塑料发泡：对加入塑料中的化学发泡剂进行加热使之分解释放出气体而发泡；另外也可以利用各塑料组分之间相互发生化学反应释放出的气体而发泡。 采用化学发泡剂进行发泡塑料注塑的工艺基本上与一般的注塑工艺相同。塑料的加热升温、混合、塑化及大部分的发泡膨胀都是在注塑机中完成的。,由于结构发泡
10、是被应用最多的一种工艺，所以下一部分将重点介绍化学发泡中的结构发泡,2018年6月7日星期四,16,北京化工大学材料科学与工程学院,第二部分：结构发泡简介,采用结构发泡法是将发泡剂加入塑料原料中造粒，利用化学方法产生气体使塑料发泡在塑料中加入化学发泡剂，加热时分解释放出气体而发泡，也可以利用各塑料组份之间发生化学反应释放出气体而发泡。化学发泡剂的要求其分解释放出的气体应为无毒、无腐蚀性、不燃烧、对制品的成型及物理化学性能无影响、释放气体的速度应能控制发泡剂在塑料中应具有良好的分散性，一般采用无机发泡剂，有碳酸氢钠和碳酸铵，有机发泡剂有偶氮甲酰胺和偶氮二异丁腈。,结构发泡法的特点：发泡剂加入塑料
11、中在机筒内与塑料一起塑化发泡，不需增加设备，射嘴采用自锁式射嘴，用普通的注塑机便可以生产。,下面重点介绍一下塑料的结构发泡注塑成型的类型、加工工艺及其应用。,2018年6月7日星期四,17,北京化工大学材料科学与工程学院,一、结构发泡工艺分类,近年来，结构发泡注塑成型技术得到了很广泛的发展，成型方法也很多，但归纳起来可以分为三种：低压发泡法；高压发泡法（注：此处的低压和高压指模具模腔内的压力）；双组分发泡法，另外还有一种不常用的反压发泡法，这里主要对前三种进行介绍。,2018年6月7日星期四,18,北京化工大学材料科学与工程学院,2.1.1 低压发泡法,低压发泡法注塑与普通注塑的区别是其模具的
12、模腔压力较低约2-7MPa，而普通注塑则为30-60MP a。低压发泡注塑一般采用欠注法即将定量不能注满模腔的熔料注入模腔发泡剂分解出来的气体使塑料膨胀而充满模腔。在普通注塑机上进行低压发泡注塑一般是将化学发泡剂与塑料混合在机筒内塑化必须采用自锁射嘴注射时由于气体的扩散速度很快会造成制品的表面粗糙，因此注塑机的注射速度要足够快，一般采用增压器来提高注射速度和注射量，使注射能在瞬间完成。低压发泡法注塑的特点：可生产大型较厚的制品，制品的表面致密，其表面可以印刷或涂层，模腔压力小，合模力小，生产成本低，缺点是表面光洁度较差，可以通过提高模具的温度来改善。,二、结构发泡工艺简介,2018年6月7日星
13、期四,19,北京化工大学材料科学与工程学院,低压注射成型图示,2018年6月7日星期四,20,北京化工大学材料科学与工程学院,2.1.2 高压发泡法,高压发泡法的注塑模腔压力为7-15MPa。采用满注方式为了得到发泡可以扩大模腔或者使一部分塑料分流出模腔。采用扩大模腔法的注塑机与普通注塑机比较增加了二次合模保压装置，当塑料和发泡剂的熔融混合物被注入到模腔后延时一段时间合模机构的动模板向后移动一小段距离，使模具的动模和定模稍为分开模腔，扩大模腔内的塑料开始发泡膨胀，制品冷却后在其表面形成致密的表皮。由于塑料熔体的发泡膨胀受到动模板的控制，因此，也就可以对制品的致密表层的厚度进行控制。动模板的移动
14、可以是整体移动也可以是部分移动，使局部发泡从而得到不同密度的制品。高压发泡法注塑的优点：制品表面平整清晰、能体现出模腔内的细小形状。缺点：模具的制造精度要求高，模具费用高，对注塑机的二次锁模保压的要求高。,2018年6月7日星期四,21,北京化工大学材料科学与工程学院,2.1.3 双组份发泡法,双组份发泡注塑是一种特殊的高压发泡注塑，它采用专门的注塑机。这种注塑机有两套注射装置，一套注塑制品的表层，另一套注塑制品的芯部，不同配方的塑料分别通过这两个注塑装置，按一定的程序先后注入到同一套模具的模腔，从而得到具有致密的表层和发泡的芯部的轻质制品。,双组份发泡注塑通常有以下两种情况：一种是表层塑料A
15、和芯部塑料B是同一种塑料，B种含有发泡剂；另一种是A和B是不同一类塑料，但能很好粘合在一起，A中含有纤维类的增强材料，B中含有发泡剂和填充料，注塑过程为先注A一部分料入模腔，再由另一装置注B入模腔，B将A推向模腔的边缘但不将A冲破。注满模腔后再补注一定数量的A，以清洗流道中的B，以避免在浇口处有B的发泡结构而影响外观和防止B料进入下次注射的A料中而形成表层。发泡模腔被注满后延时一段时间动模开启一定的距离以控制塑料B的发泡，在注塑过程中必须控制好塑料熔体的温度、模具的温度、注射速度、注射压力等因素以保证B料能顺利将A料推向模腔的边缘而形成均匀的表层，但不会冲破它。,2018年6月7日星期四,22
16、,北京化工大学材料科学与工程学院,双组份发泡注塑制品的特点有：具有较大的挠曲刚性，厚壁制品的表面质量较好，不会产生凹痕，芯部材料可以采用较便宜的材料，可以降低制品的成本，制品的表面光洁度较高。,2018年6月7日星期四,23,北京化工大学材料科学与工程学院,2.1.4 反压发泡法,反压发泡注塑是在注射之前用高压气体如空气或惰性气体将模具的模腔充满。注射时阻止塑料发泡膨胀以得到致密的表层。采用欠注法注射一定的熔料后把气体排出，使塑料膨胀而充满整个模腔。反压注塑法的优点是：制品的表面光洁度较好，表层的组织比较均匀致密；缺点是需要增加一套气体蓄压装置和能密封型腔的模具，气体压力较高20MPa，投资较
17、大模具密封，较难控制。,2018年6月7日星期四,24,北京化工大学材料科学与工程学院,三、注塑发泡成型影响因素,与普通注塑相比发泡注塑的主要影响因素有：注射速度，注射压力，注射温度模具，温度塑料的特性，发泡剂的特性和用量，气泡在制品中的生长过程等,注射速度,为了得到气孔的大小和分布程度都均匀的注塑制品，注塑机的注射速度要快，注射速度如果过慢会产生大小不均匀的气孔，由于沿着模腔壁面流动的熔融物料提前固化，增加了流动阻力和能耗，从而减少了制品发泡。高速注射可以提高制品的质量，但过高的注射速度会使熔料与模腔发生强烈的剪切作用而得到粗糙的表面。,注射压力,注射压力要足够高以便得到较高的注射速度，以缩
18、短充模时间。充模时间短，气泡的形成时间短，从而发泡产生的气泡要小一些，而且分布较均匀，注射压力高时气泡形成的数量较多，气泡较小，分布也比较均匀，熔胶时加一定的背压对于稳定均匀地充模有好处。,2018年6月7日星期四,25,北京化工大学材料科学与工程学院,加工温度,应尽量选择与塑料和发泡剂相适宜的加工温度，熔体的温度低会使熔体的粘度增加，使气体在熔体中的扩散系数降低，气泡的形成减少，而且气泡的增长较慢，熔体的温度低会使熔体的应力松弛较慢，气体从熔体中的释放速度变慢，但熔体温度过高容易发生喷射现象，会使熔体在模腔中形成辐射状流动，在发泡注塑中应注意避免这种现象的出现。,模具温度,模具温度对制品的表
19、面光洁度、表层的厚度、生产周期等均有影响。模具温度高制品的表面光洁度高，表层较薄，但生产周期较长，在其他条件相同的情况下，熔体的等温充模和不等温充模对气泡的形成有较大的影响，不等温充模时熔体发泡产生的气泡的数量要比等温充模时产生的气泡少，熔体充模后其中心部位产生的气泡较多。,2018年6月7日星期四,26,北京化工大学材料科学与工程学院,PVC发泡典型配方,PVC(悬浮聚合) K=55-58 100 VC/VA共聚物 2稳定剂 2.5内,外润滑剂 0.52ACR发泡改性剂 35填料 0.1 6成核剂 0.20.8发泡剂 0.20.7,2018年6月7日星期四,27,北京化工大学材料科学与工程学
20、院,成核剂的影响,影响发泡温度影响泡的数目和泡的大小影响发泡密度,2018年6月7日星期四,28,北京化工大学材料科学与工程学院,成核剂,加入强力吸热的物质降低熔体粘度和表面张力加入气体或液体物质形成微细溶于熔体的小泡,形成过饱和气体,促进发泡,如N2, CO2可加入柠檬酸和碳酸钠(1:1.33),2018年6月7日星期四,29,北京化工大学材料科学与工程学院,成核剂及加入方法,加入非常细的金属化合物 氧化锌等在发泡之前能形成热点,可降低熔体粘度和表面张力,促进泡的形成加入颗粒状固体物质在相分离过程中,在颗粒表面吸收气体而促进发泡,如滑石粉,硅酸盐,钛白粉有机填料,颜料,阻燃剂,相容剂等,20
21、18年6月7日星期四,30,北京化工大学材料科学与工程学院,成核剂对泡直径的影响,2018年6月7日星期四,31,北京化工大学材料科学与工程学院,发泡剂的分类,物理发泡剂 沸点在树脂软化点温度以下 的液体适用于高发泡化学发泡剂 在很窄的温度范围内能分解放出气体的物质 适用于低发泡,2018年6月7日星期四,32,北京化工大学材料科学与工程学院,物理发泡剂,应具有的性能 在树脂中有相当的溶解性不影响树脂的粘度和玻璃化转变点低的扩散能力在膨胀过程中快速挥发,在泡壁内残留浓度较低,2018年6月7日星期四,33,北京化工大学材料科学与工程学院,物理发泡剂种类,氟碳化合物R11,R12,R114 烃类
22、戊烷 二氧化碳氮气,2018年6月7日星期四,34,北京化工大学材料科学与工程学院,物理发泡剂,2018年6月7日星期四,35,北京化工大学材料科学与工程学院,碳酸钠的发泡温度,2018年6月7日星期四,36,北京化工大学材料科学与工程学院,物理发泡剂,2018年6月7日星期四,37,北京化工大学材料科学与工程学院,发泡剂的物理性能,38,理想的发泡剂的性质,应具有的性能 无味、无毒不损害聚合物的化学物理性能分解物不应有腐蚀性，变成气态时本身是化学惰性的不燃烧能溶解于聚合物中分解物本身应起成核剂价廉来源方便,2018年6月7日星期四,39,北京化工大学材料科学与工程学院,化学发泡剂,应具有的性
23、能 发泡剂分解物不会对树脂染色分解物不应有腐蚀性分解物本身应起成核剂,2018年6月7日星期四,40,北京化工大学材料科学与工程学院,化学发泡剂种类,偶氮类化合物 磺酰肼类柠檬酸碳酸氢钠尿素,2018年6月7日星期四,41,北京化工大学材料科学与工程学院,化学发泡剂的性能,42,化学发泡剂的类型,2018年6月7日星期四,43,北京化工大学材料科学与工程学院,化学发泡剂的类型,2018年6月7日星期四,44,北京化工大学材料科学与工程学院,化学发泡剂的类型,2018年6月7日星期四,45,北京化工大学材料科学与工程学院,化学发泡剂的类型,2018年6月7日星期四,46,北京化工大学材料科学与工
24、程学院,化学发泡剂的类型,2018年6月7日星期四,47,北京化工大学材料科学与工程学院,化学发泡剂的类型,2018年6月7日星期四,48,北京化工大学材料科学与工程学院,偶氮二甲酰胺的分解,2018年6月7日星期四,49,北京化工大学材料科学与工程学院,偶氮二甲酰胺的分解,2018年6月7日星期四,50,北京化工大学材料科学与工程学院,偶氮二甲酰胺的分解,2018年6月7日星期四,51,北京化工大学材料科学与工程学院,偶氮二甲酰胺的分解气体组成,2018年6月7日星期四,52,北京化工大学材料科学与工程学院,偶氮二甲酰胺的分解气体组成,气体分解组成 N2, 65% CO, 32%CO2 3%
25、 固体残渣和升华物脲唑, 39%三聚氰酸, 26%联二脲, 2%三聚异氰酸, 1%,2018年6月7日星期四,53,北京化工大学材料科学与工程学院,化学发泡剂的发泡温度曲线,2018年6月7日星期四,54,北京化工大学材料科学与工程学院,化学发泡剂的性能与应用,2018年6月7日星期四,55,北京化工大学材料科学与工程学院,化学发泡剂的性能与应用,2018年6月7日星期四,56,北京化工大学材料科学与工程学院,化学发泡剂的性能与应用,2018年6月7日星期四,57,北京化工大学材料科学与工程学院,化学发泡剂的性能与应用,2018年6月7日星期四,58,北京化工大学材料科学与工程学院,化学发泡剂
26、的性能与应用,2018年6月7日星期四,59,北京化工大学材料科学与工程学院,化学发泡剂的性能与应用,2018年6月7日星期四,60,北京化工大学材料科学与工程学院,化学发泡剂的性能与应用,2018年6月7日星期四,61,北京化工大学材料科学与工程学院,44 氧化双苯磺酰肼(OBSH),2018年6月7日星期四,62,北京化工大学材料科学与工程学院,44 氧化双苯磺酰肼(OBSH),白色粉末分解温度 157-160度气体分解组成 NH3 N2H2O,2018年6月7日星期四,63,北京化工大学材料科学与工程学院,三肼基三嗪,白色或灰色粉末分解温度 157-160度气体分解组成 NH3 N2三聚
27、氰胺,64,对甲苯磺酰胺基脲,白色结晶固体 分解温度 213-225度气体分解组成 N2, 55% CO, 37%CO2 2% NH3, 3%固体残渣和升华物二甲苯基二硫化物对甲苯磺酰胺,2018年6月7日星期四,65,北京化工大学材料科学与工程学院,RPVC发泡典型配方,聚氯乙烯挤出发泡型材配方 PVC(SG-5,6,7) 100 复合稳定剂 3.5内,外润滑剂 0.52ACR发泡调节剂 58填料 4 6成核剂 0.20.7AC发泡剂 0.3 0.6色料 适量,2018年6月7日星期四,66,北京化工大学材料科学与工程学院,RPVC发泡塑料工艺,挤出机温度分布和压力分布,2018年6月7日星
28、期四,67,北京化工大学材料科学与工程学院,偶氮二甲酰胺分解机理,分解反应 dc =k c dtk是分解速度常数k=k0e-(E/RT),2018年6月7日星期四,68,北京化工大学材料科学与工程学院,偶氮二甲酰胺分解气体在熔体中的溶解性,Cg熔体中溶解的气体浓度 Cg=S* PS是溶解度 S=S0e-(E/RT)P 气体分压,2018年6月7日星期四,69,北京化工大学材料科学与工程学院,泡的形成,泡的内压 i 2i r r 是泡半径 是表面张力 泡形成的必须条件 Pi发泡压力P外压+P表面张力,2018年6月7日星期四,70,北京化工大学材料科学与工程学院,偶氮二甲酰胺分解气体在熔体中的扩
29、散性,扩散性计算公式,气体扩散是一种热活化过程，可用Arrhenius方程描述。,D = D0exp(-Ed/RT),D0和Ed是一常数,2018年6月7日星期四,71,北京化工大学材料科学与工程学院,气体在聚合物中的扩散率,渗透系数（P）计算方法 P=S*DP 渗透系数S 溶解度系数D 扩散系数,2018年6月7日星期四,72,北京化工大学材料科学与工程学院,影响发泡的主要影响因素,不同复合稳定剂对发泡剂分解的影响,2018年6月7日星期四,73,北京化工大学材料科学与工程学院,影响发泡的主要影响因素,三盐用量对发泡剂分解温度的影响发泡剂0.5,2018年6月7日星期四,74,北京化工大学材料科学与工程学院,影响发泡的主要影响因素,硬脂酸盐对发泡剂分解温度的影响,75,影响发泡的主要影响因素,ACR对发泡剂发气量的影响,2018年6月7日星期四,76,北京化工大学材料科学与工程学院,影响发泡的主要影响因素,金属氧化物对发泡剂发气量的影响,2018年6月7日星期四,77,北京化工大学材料科学与工程学院,谢谢,
