微發泡技術在塑料托盤注塑機上的應用

張旭民，葉盛

（海天塑機集團有限公司，浙江　寧波　315821）

微發泡技術在塑料托盤注塑機上的應用

張旭民，葉盛

（海天塑機集團有限公司，浙江寧波315821）

微發泡技術應用于塑料托盤注塑機上的技術要點，主要包括：微發泡塑料托盤工藝的運作流程, 微發泡注氣系統的特點, 塑化系統的特點, 雙層預塑注射結構的特點,多噴嘴熱流道結構的特點,降低的鎖模壓力要求, 以及模具的特殊性。

微發泡；塑料托盤；注塑機

1　微發泡技術基本原理

微發泡（Microcellular Foaming）指的是以熱塑性材料作為基材,通過特殊的加工工藝，使產品的中間層全是細微的毛孔，毛孔尺寸從十到幾十個微米左右。

微發泡技術使用超臨界流體作為發泡劑系統。超臨界流體（英文Supercritical Fluid,簡稱為SCF），是指高于臨界溫度和臨界壓力的流體，它的物理和化學的性質介于液體和氣體之間。

超臨界流體特點是：①類似于液體的密度，比普通的氣體大兩個數量級。在臨界點，溫度和壓力產生微小變化，密度顯著變化。②壓力增加則介電常數增加，利于溶解某些低揮發性物質，溶解度可提高5~10個數量級。③黏度值小于液體一個數量級，類似于一般的氣體；故擴散系數能大于液體兩個數量級，從而流動與滲透性更好。

微發泡成型的過程（如圖1），以三個階段來劃分：一是超臨界流體（N2或CO2）溶解在單相熔體的熔融塑料中；然后，通過開關式噴嘴，注入到較低的溫度和壓力的模具型腔中；最后，由于溫度和壓力降低，造成分子不穩定，從而形成大量的氣泡核，再由氣泡核成長為微孔。

在微發泡產品橫向放大圖中（如圖2），我們可以看到在產品的表面沒有微發泡孔，這個原因是由于模具的溫度低，表面樹脂在很短的時間就會冷卻，沒有時間形成氣泡核，所以表面成為不發泡的實體。

圖1　微泡成型過程

2　微發泡技術對于塑料托盤制品的影響

塑料托盤是為了方便貨物裝卸、運輸、倉儲和配送，可攜帶一定數量的產品，能承載一定的負荷，可用來裝載和卸貨的平板。它在物流業中是使用很普遍的一種物流設備。而中國的物流業在近些年中發展迅速，超過了15%的年平均增長率。

微發泡注射能顯著減少塑料托盤制品的殘余應力，可以有效地消除收縮痕，防止產品的翹曲，保證產品更均勻收縮，減少毛刺。這是由于在微發泡成型過程中，由氣泡內部的氣壓來推動模腔內部熔體的成型，且壓力基本上均勻地分布在整個注塑成型零件中。正是由于這種特殊的微觀結構，從而基本消除了殘余應力的影響。

圖2　微發泡產品橫向放大圖

采用微發泡注塑成型工藝也可以減少維修模具的頻率和時間，使注塑成型產品的一致性好，能在較低壓力下注塑成型，產品有更高的尺寸精度，并能降低模具設計成本。

在保證性能的情況下，如何使塑料托盤產品的重量減重最多，需要考慮下面幾點：

（1）皮層厚度對保持產品的抗彎強度非常重要，對改善沖擊強度也很重要，而對拉伸強度和減重程度是不太重要的。微發泡塑料托盤產品應平衡好皮層厚度和泡沫芯層厚度，在滿足抗彎強度與沖擊強度的前提下，增加減重的程度。

（2）在皮層厚度和減重程度相同的情況下，經填充改性后的高分子材料，其抗拉強度，沖擊強度和彎曲強度的降低，都要少于純高分子材料。故要在微發泡塑料托盤產品中添加填料，尤其是玻璃纖維，這時制品的流長比應控制在150以下。

（3）微發泡塑料托盤產品的減重率控制在10%~25%之間，這時產品的力學性能的降低能控制在20%以內。

（4）微發泡塑料托盤產品盡可能多地產生大量的微小而均勻的毛孔，這是獲得高沖擊強度的關鍵，同時也能提高拉伸強度和彎曲強度。

3　微發泡技術應用于塑料托盤注塑機上的技術要點

3.1微發泡塑料托盤工藝的運作流程

微發泡塑料托盤，最常選用的材料是HDPE，最常選擇的氣源是氮氣。在工作的過程中，氮氣從氣源出發，經過微發泡設備的適當加壓后，生成超臨界流體。然后通過打氣裝置，進入機筒螺桿混料區。通過螺桿的攪拌與混合，超臨界流體和熔融的塑料，均勻地混合和溶解在一起，形成單相熔體。在注射前，需要保持螺桿混料區的壓力穩定，以保持單相熔體的穩定狀態。注塑機注射時，液壓噴嘴打開，螺桿將單相熔體注射進入模具的內部。在注塑的過程中，隨著塑料壓力的降低，內部的單相熔體逐漸發泡，并最終形成微發泡塑料托盤產品，如圖3所示。

圖3　動作流程圖

3.2微發泡注氣系統

微發泡氣體加壓的工藝方式，首先是將氣體增加到一定的壓力，以實現超臨界流體所需的狀態。再通過設備上的壓力調節閥、背壓閥和質量流量控制器的調節，從而得到所需要的氣體的質量與流量。實際的注塑生產是一個循環的過程，而從空氣源出來的氣體是連續不斷的。設備中的主氣管、支氣管和氣體控制閥就是用來解決這個問題的。當需要注氣時，氣體控制閥可以控制主氣管，將氣體通過注氣口，進入塑化系統。不需要注氣時，通過改變氣體控制閥，將多余的氣體，通過支氣管，回到微發泡設備（如圖4），實現循環的結果。

在料筒的注氣頭處，有一個單向止回閥。單向止回閥允許流經的超臨界流體，利用單向的功能，注入高壓的料筒內。而止回的功能，則可以防止高壓料筒內的熔體，反向流入注氣系統。注氣頭的入口，設計了許多小孔，通過它們，可以使超臨界流體可以更多更分散地進入機筒中，有利于更均勻地溶解在熔體中。

3.3塑化系統

超臨界流體通過注氣系統進入料筒內，與高壓料筒內的熔體混合，而螺桿則使熔體與流體的攪拌均勻。為了在較短的時間內實現這一過程，以達到更好的效果，設計了特殊的微發泡螺桿。

圖4　微發泡裝置：TR40

同時，為了保證超臨界流體在注射時的穩定性，在料筒的相應部位，安裝了熔體壓力傳感器，以監測注射端口位置的熔體的壓力。同時為了注氣系統的安全，也在料筒上相對應的位置安裝了爆破器和溢流閥。當料筒內的壓力太高，料筒內的熔體將撐破爆破器而溢出，并沖斷溢流閥的電器回路。這時，控制器將顯示報警以提醒操作人員。

特殊的微發泡螺桿，除應滿足熔融，計量等，還必須考慮以下兩個問題，

（1）在螺桿的超臨界流體混合區，要有特殊結構的螺棱，以把超臨界流體溶解在熔融樹脂中以形成單相熔體。

（2）料筒內的單相熔體區域，需要保持一定的壓力，以免析出氣體。在料筒前部設計了封閉型噴嘴。在料筒中部，螺桿設計成壓力保持結構。因此，在料筒上形成了一個封閉的高壓容器，能存儲塑化好的單相熔體。注射時，封閉型噴嘴會打開，這時單相熔體通過噴嘴進入模具內部，并由于壓力的降低而開始發泡。

為了滿足這些要求，微發泡螺桿設計了特殊的結構。在螺桿的進料位置，一方面微發泡螺桿在該處設計有類似于普通螺桿的加料段和壓縮段，設計結構使螺桿有較短的計量時間性能。另一方面又設計了較短的壓力保持結構。通過此壓力保持結構，可以在高壓料筒的上半段，形成一封閉區域，此區域閉合了一段單相融體。微發泡塑料托盤機螺桿的壓力封閉結構，是一個球形的止回閥形式，如圖5所示。

圖5　壓力保持結構　球狀止逆閥

壓力保持結構后面，是一個很短的氣體分散區域。這也是料筒的注入口的位置。在這個區域，注入的超臨界流體被分散成更小的單位，使它更容易溶解在高壓熔體中。

氣體分散區域后面，是混合段。超臨界流體在高壓力的熔體中，經過一段混合攪拌的距離，最終形成單相熔體。為了達到良好的攪拌效果，一般混合段的槽深是計量段的2~4倍，再根據混合段長度調整。如果混合段長度較短，而槽較深，相應延長高壓熔體與超臨界流體停留時間?；旌隙蔚脑O計可以采用多種形式，包括頭部開槽螺棱、銷釘、菠蘿頭等等。

微發泡工藝要求SCF注入口在注射過程中不能承受過大的注射壓力，因此必須配置止逆環密封結構。這是用來防止螺桿在注射時，注射壓力太大，高壓熔體倒流回SCF澆口，會損壞設備。

為了充分保證微發泡塑料托盤機螺桿的功能，使用了30:1的螺桿長徑比（如圖6），從而保證超臨界流體能夠均勻地分布在高壓融體中。

圖6　螺材圖片

3.4雙層預塑注射結構

為了適應塑料托盤生產，該機采用塑料的注射與預塑分層的結構。預塑料筒和預塑螺桿之間的位置固定，使氣體注入螺桿的相對位置是固定的，它可以保證在預塑過程中加入超臨界流體過程的均勻性。

塑料托盤的注射重量大。柱塞式的注射系統，可避免螺桿受注射行程的限制，可以很容易地設計足夠的注射量。

注射系統和預塑系統之間，有彈簧止回閥分離結構，注射時可以防止熔體反向流回到預塑系統中。

同時考慮到，在國內塑料托盤生產時回料利用率很高。在機筒前方安裝過濾梳（如圖7），有助于清除流動的材料的雜質，以提升塑料托盤產品品質。

圖7　雙晝預塑注射結構圖

3.5多噴嘴熱流道結構

微發泡成型的一個重要組成部分是先形成單向熔體，進而引發大的壓力降，同時產生大量的氣泡核。微發泡塑料托盤注塑設備，采用帶閥式澆口的熱流道系統，是保證這一階段順利實施的良好選擇。

為了在塑化時保持單向熔體的高壓，以確保氣體不會逸出，需要在塑化系統前端安裝液壓噴嘴。液壓噴嘴能夠在注射和保壓階段保持閉鎖，防止單向熔體發泡。當噴嘴被關閉，并調整到適當大小的背壓，可以保持塑化系統內的單向熔體的壓力。特殊設計的液壓噴嘴結構，直接安裝在頭板，并嵌入到型腔模具，使塑料托盤制品澆口極短（如圖8）。

圖8　多噴嘴熱流道結構

頭板上設置了許多可選的澆口，并根據塑料托盤模具的尺寸不同，配置不同數量的液壓噴嘴與熱流道系統。所有的液壓噴嘴與熱流道系統能夠單獨進行鎖閉，能夠單獨控制的液壓噴嘴，使微發泡過程容易控制。

熱流道系統保持在較高的壓力水平下，使得內部的單向熔體不會分離出氣體來。這使得泡孔成核過程從噴嘴頭移到熱澆口頭部，可以更好的控制產品的泡孔結構，而且可以縮短成型周期。

多點進澆也意味著注塑成型的流長比的縮小，將產品流長比控制在150以下，可在極少影響強度的情況下，有效地實現減重的效果。

注塑機上熱流道系統的配置，使得塑料托盤模具上不需要再增設熱流道系統，并簡化了模具的設計與制造，這對于一臺機器配置多副模具的常見情況，是極有利于成本的降低的。

3.6降低的鎖模壓力要求

傳統的注射成型，依靠保壓和補料實現充填成型，但微發泡塑料托盤成型工藝幾乎不需要保壓和補料，主要依靠氣泡膨脹實現充填成型。它可以減少30%~80%的鎖緊噸位的要求，使塑料托盤的鎖模機構，采用鎖緊噸位較小的設計。

同時，微發泡塑料托盤的注射成型工藝，大大降低保壓壓力和時間，在許多情況下，甚至不需要保壓壓力。所以循環周期大大縮短，從而降低經營成本。

圖9　成型工藝對比圖

3.7模具的特殊性

提高生產效率的關鍵之一是模具的冷卻效果，如果冷卻效果不好，即制品得不到足夠的冷卻，開模后產品的局部就會產生起泡的現象。這是因為該產品的此部位區域，因冷卻不足而沒有完全固化，開模后制品內部的氣體體積再次膨脹，在該處形成大的氣泡。這種情況較易發生在制品的厚壁區域。

由于模腔壓力的降低，使得鋁合金也能足以承受壓力，這使得模具能用鋁合金來制造，也使模具的壽

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（R-03）

Application of micro foaming technology in plastic tray injection molding machine

TQ320.66

1009-797X(2016)20-0042-04

B

10.13520/j.cnki.rpte.2016.20.014

張旭民（1976-），男，本科，工程師，主要從事機械設計工作。

2016-09-12