新型微發(fā)泡氣體注射器注氣過程可視化研究

喬林軍，信春玲，何亞東，翟玉嬌，閆寶瑞?

（北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京 100029）

0 前言

氣體注射器是微發(fā)泡過程中將超臨界穩(wěn)定注入到機(jī)筒中的關(guān)鍵裝置[1]，市場普遍使用的是美國Trexel公司研制的微發(fā)泡氣體注射器，這種氣體注射器價(jià)格昂貴，結(jié)構(gòu)復(fù)雜[2]，在每一次注氣時(shí)需要另一低壓氣路進(jìn)入氣動(dòng)缸，將針閥推向氣孔座，才能將氣體注射器打開[3]。而本文研究的新型氣體注射器結(jié)構(gòu)簡單，無需主動(dòng)啟閉控制裝置，氣體注射器安裝氣體壓力傳感器[4]，可實(shí)時(shí)檢測實(shí)際注入熔體中的壓力值，且不易損壞[5]。新型氣體注射器的原理如圖1所示。

圖1 新型氣體注射器的原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of the new gas injector principle

當(dāng)超臨界氣體從進(jìn)氣口進(jìn)入到氣體注射器時(shí)[6]，若氣體注射器內(nèi)氣體壓力值高于外界熔體壓力與彈簧彈力的合力，氣體注射器的出氣口才能打開，并且可通過閥桿上的螺母調(diào)節(jié)彈簧的彈力，從而調(diào)節(jié)注氣過程中打開出氣口氣壓與外界熔壓的壓力差[7]。當(dāng)氣源處不向氣體注射器提供超臨界氣體時(shí)，彈簧回復(fù)原狀[8]，同時(shí)外界熔體壓力高于氣體注射器內(nèi)壓力，也會(huì)促使氣體注射器關(guān)閉。而出氣口采用錐形面結(jié)構(gòu)，既可以密封[9]，也可以防止熔體進(jìn)入到氣體注射器中[10]。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 微發(fā)泡注塑注氣系統(tǒng)原理

微發(fā)泡注塑過程中注氣系統(tǒng)的原理如圖2所示，氮?dú)庠丛谠鰤合到y(tǒng)的作用下增壓，然后通過調(diào)壓穩(wěn)壓系統(tǒng)的減壓和穩(wěn)壓為注氣系統(tǒng)提供穩(wěn)定的注氣壓力[11]，氣動(dòng)速斷閥作為注氣系統(tǒng)的控制開關(guān)來控制氣源與氣體注射器之間的開啟和關(guān)閉，同時(shí)氣體注射器前端安裝了一個(gè)限流元件來控制注氣流量。圖3為限流元件示意圖，錐形面引導(dǎo)氣體通過限流元件通孔，后文以錐形截面大徑D表示限流元件孔徑。整個(gè)注氣系統(tǒng)安裝多個(gè)氣體壓力傳感器對(duì)氣路壓力進(jìn)行檢測。

圖2 微發(fā)泡注塑注氣系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of micro-foam injection molding gas injection system

圖3 限流元件示意圖Fig.3 Schematic diagram of the current limiting element

1.2 可視化裝置

為了更清楚的研究注氣過程中的注氣現(xiàn)象，本文研究采用可視化的研究方法[12]。本次可視化實(shí)驗(yàn)用到的可視化設(shè)備設(shè)計(jì)三維模型圖如圖4所示，內(nèi)部容積為304 mL，可視化裝置底部設(shè)計(jì)和注塑機(jī)機(jī)筒相同的孔用于和氣體注射器進(jìn)行配合，并且在可視化裝置的前端面和后端面各自設(shè)計(jì)一個(gè)透視窗口，前端面的窗口用于高速攝像機(jī)拍攝注氣狀態(tài)，后端面窗口用于照明燈為攝像機(jī)工作提供足夠的亮度。同時(shí)在可視化裝置的側(cè)面設(shè)計(jì)3個(gè)1/4 NPT孔，用于安裝氣體壓力傳感器，1個(gè)M14孔用于安裝熔體壓力傳感器，頂端也設(shè)計(jì)一個(gè)孔用于排氣。

圖4 視化裝置的三維模型Fig.4 3D evice imensional model of visualization

1.3 其他實(shí)驗(yàn)裝置

數(shù)據(jù)采集卡，NI數(shù)據(jù)采集卡（型號(hào)為NI6221）配合LabVIEW軟件以1 000次/秒的速率采集各個(gè)壓力傳感器的數(shù)據(jù)，并且通過數(shù)字量端口和繼電器來控制氣動(dòng)速斷閥的啟閉，美國國家儀器有限公司；

高速攝像機(jī)，英視科技USB3.0工業(yè)相機(jī)，采集速率為400幀/秒；

微發(fā)泡注塑機(jī)，SA900/260，寧波海天集團(tuán)股份有限公司；

整個(gè)可視化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖5所示。

圖5 可視化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.5 Visual experiment platform

1.4 注氣過程研究

可視化裝置內(nèi)部無水空間140 mL。實(shí)驗(yàn)中先向可視化裝置內(nèi)注入氣體，然后通過排氣管路的背壓閥緩慢排氣和傳感器數(shù)值調(diào)整實(shí)驗(yàn)所需初始水壓值[13]，初始水壓分別設(shè)定為1、2、3 MPa，以調(diào)壓穩(wěn)壓系統(tǒng)之后的氣體壓力值與初始水壓之間的差值為注氣壓差，注氣壓差設(shè)定為1、1.5、2 MPa，注氣時(shí)間為8 s。分析注氣狀態(tài)和同一條件下不同時(shí)段的氣泡狀態(tài)和瞬時(shí)流量曲線，以及各影響因素對(duì)注氣量、后續(xù)注氣量的影響。并將新型氣體注射器用于微發(fā)泡實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該裝置的實(shí)用性[14]。

2 結(jié)果與討論

2.1 高速攝像機(jī)錄像數(shù)據(jù)分析

對(duì)高速攝像機(jī)拍攝的錄像截取不同時(shí)刻的氣泡狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比，分別截取同一注氣條件2、4、6 s的高速錄像進(jìn)行分析，如圖6所示

圖6 注氣開始后不同時(shí)刻的高速圖像截圖Fig.6 High-speed images at different time after the start of gas injection

從高速攝像機(jī)錄像截取的圖片可以看出，氣體從氣體注射器注入到可視化裝置中時(shí)氣泡呈現(xiàn)分散狀態(tài)，這是由于氣體注射器的出口為環(huán)形結(jié)構(gòu)，氣體進(jìn)入到可視化裝置中時(shí)被該結(jié)構(gòu)切割成分散的小氣泡，若用于微發(fā)泡注塑將更有利于熔體與氣體的分散混合。對(duì)比圖6中同一注氣條件下，2、4、6 s的錄像截圖可以看出，隨著時(shí)間的推移，氣泡大小由大變小，這是因?yàn)橐环矫媸且驗(yàn)橹Ъ苁綒怏w注射器打開的動(dòng)力為氣體注射器內(nèi)的壓力與可視化裝置中水壓之間的壓力差越大，氣體注射器內(nèi)彈簧的彈性變形越大，氣體注射器開口打開的口徑越大，注氣量就會(huì)增大，可視化裝置為封閉裝置，隨著注氣過程的進(jìn)行，可視化裝置中水壓越來越高，氣體注射器內(nèi)外壓力差減小，導(dǎo)致氣泡越來越小，另一方面是因?yàn)閴毫Σ畲蟮臅r(shí)候氣泡在水中上升的速率較快，多個(gè)氣泡之間合并形成較大的氣泡。

除此之外，注氣系統(tǒng)在注氣結(jié)束速斷閥關(guān)閉之后仍會(huì)有少量的氣體進(jìn)入到可視化裝置中，如圖7所示.可以看出，在注氣過程中，速斷閥關(guān)閉3 s后，圖7（b）和（c）中仍有氣體進(jìn)入到可視化裝置中，這是因?yàn)闅怏w注射器內(nèi)部存在少許空間，速斷閥關(guān)閉后，氣體注射器內(nèi)氣壓值仍高于可視化裝置內(nèi)壓力，所以會(huì)繼續(xù)向可視化裝置中進(jìn)行注氣，直到氣體注射器內(nèi)外的壓力差為0時(shí)注氣才會(huì)停止。并且注氣壓差越大，速斷閥關(guān)閉之后進(jìn)入到可視化裝置中的注氣量（后文稱后續(xù)注氣量）也越大，這是因?yàn)閴翰钤酱笏贁嚅y關(guān)閉時(shí)，氣體注射器內(nèi)外壓力差越大，注氣量也就越大。

圖7 注氣結(jié)束3 s時(shí)的高速圖像截圖Fig.7 High-speed image 3 s after gas injection

2.2 注氣流量數(shù)據(jù)分析

注氣流量計(jì)算采用PVT方程計(jì)算，注氣過程中可視化裝置是密閉的，而且氮?dú)獠蝗苡谒鶕?jù)實(shí)時(shí)采集的壓力傳感器數(shù)據(jù)計(jì)算裝置內(nèi)實(shí)時(shí)氮?dú)獾馁|(zhì)量，傳感器采集速率為1 000次/秒，如式（1）～（2）所示：

由式（1）和（2）可得式（3）：

式中P——實(shí)驗(yàn)中可視化裝置內(nèi)實(shí)時(shí)壓力值，MPa

V——可視化裝置內(nèi)儲(chǔ)存氮?dú)饪臻g容積，mL

n——實(shí)驗(yàn)中可視化裝置內(nèi)氮?dú)鈱?shí)時(shí)物質(zhì)的量，mol

R——?dú)怏w普適常數(shù)，取值為8.314 J/（mol·K）

T——實(shí)驗(yàn)時(shí)可視化裝置內(nèi)溫度約為20℃

m——實(shí)驗(yàn)中可視化裝置內(nèi)氮?dú)鈱?shí)時(shí)的質(zhì)量，g

M——氮?dú)獾南鄬?duì)分子質(zhì)量，取值為28.013g/mol

傳感器采集過程中，可視化裝置內(nèi)每一時(shí)刻的壓力值對(duì)應(yīng)一個(gè)裝置內(nèi)氣體的總質(zhì)量，將相鄰時(shí)刻的總質(zhì)量相減即可得到該時(shí)刻的瞬時(shí)流量v，圖8即為初始水壓1 MPa，不同壓差注氣過程中流量隨時(shí)間變化的曲線，將瞬時(shí)流量對(duì)時(shí)間積分，即可得到總注氣量。

圖8 水壓為1 MPa時(shí)不同注氣壓差的流量曲線Fig.8 Flow curve of different injection pressure at 1 MPa of water pressure

注氣開始時(shí)間是在對(duì)應(yīng)時(shí)間軸的0.5 s，8.5 s時(shí)速斷閥關(guān)閉，從圖8的流量曲線可以看出，隨著注氣過程從開始到結(jié)束，注氣流量呈逐漸下降的趨勢，這是因?yàn)樵谧忾_始，速斷閥打開瞬間，穩(wěn)定高壓氣體進(jìn)入到氣體注射器中，這時(shí)氣體注射器中壓力與可視化裝置中壓力之間差值最大，導(dǎo)致注氣流量在這個(gè)時(shí)候也趨于最大值，隨著注氣的進(jìn)行，可視化裝置中的壓力值越來越高，氣體注射器內(nèi)外壓力差逐漸減小，從而使流量也越來越小。

對(duì)比同一壓差不同注氣初始水壓的流量曲線如圖9所示。可以看出，注氣剛開始初始水壓越高，注氣流量越大，這是因?yàn)槌跏妓畨涸礁撸粔翰钕聦?duì)應(yīng)的注氣氣壓就越高，通過限流原件孔徑的氣量就越大，則注入到可視化裝置中的流量也就越大，并且從圖中可以看出，初始水壓越高，流量曲線的斜率在注氣過程中也越大，說明注氣過程中，其瞬時(shí)流量下降的速度也越快，而水壓上升的速率也就更快。并且由于可視化裝置的內(nèi)部空間容積有限，所以在注氣4 s左右時(shí)，3條流量曲線分別會(huì)相交，之后初始水壓越高流量越低，后續(xù)注氣量也就越小。

圖9 壓差為2 MPa時(shí)不同初始水壓的流量曲線Fig.9 Different initial water pressure flow curves with a pressure difference of 2 MPa

2.3 注氣量分析

影響注氣量的因素有限流元件孔徑D、初始水壓P、注氣壓差ΔP等因素，注氣過程中的總注氣量Q分為初始注氣量Q1和后續(xù)注氣量Q2，初始注氣量代表速斷閥開啟的過程中進(jìn)入到可視化裝置中的注氣量。3種不同限流元件孔徑D條件下初始注氣量Q1與初始水壓P、注氣壓差ΔP之間的關(guān)系曲線如圖10所示。

圖10 初始注氣量與初始水壓、注氣壓差的關(guān)系曲線Fig.10 Relationship between initial gas injection volume and initial water pressure and pressure difference

通過將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到初始注氣量Q1與限流孔徑D、初始水壓P、注氣壓差ΔP之間的關(guān)系如式（4）所示：

從圖10和式（4）可以看出，初始注氣量Q1與限流孔徑D、初始水壓P、注氣壓差ΔP均呈正相關(guān)的關(guān)系，其原因在于這3個(gè)影響因素的增大都會(huì)導(dǎo)致瞬時(shí)流量的增大。而且從式（4）可以看出，限流孔徑D對(duì)初始注氣量影響最大，注氣壓差ΔP次之，初始水壓P對(duì)它影響最小。

3種不同限流元件孔徑D條件下后續(xù)注氣量Q2與初始水壓P、注氣壓差ΔP之間的關(guān)系如圖11所示。

圖11 后續(xù)注氣量與初始水壓、注氣壓差的關(guān)系曲線Fig.11 Relationship between subsequent gas injection volume and initial water pressure and pressure difference

將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到后續(xù)注氣量Q2與限流孔徑D、初始水壓P、注氣壓差ΔP之間的關(guān)系如式（5）所示：

從圖11和式（5）可以看出，后續(xù)注氣量Q2與限流孔徑D、初始水壓P呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，因?yàn)檫@2個(gè)因素越大，速斷閥關(guān)閉時(shí)氣體注射器與可視化裝置內(nèi)壓力差越小，從而減小后續(xù)注氣量，而注氣壓差越大，速斷閥關(guān)閉時(shí)氣體注射器與可視化裝置內(nèi)壓力差越大，從而后續(xù)注氣量也會(huì)增大。

整個(gè)注氣過程中的總注氣量Q即為初始注氣量Q1和后續(xù)注氣量Q2之和。

由式（4）和式（5）可得式（6）：

從式（4）、（5）和（6）以及注氣量的數(shù)據(jù)得知，用各實(shí)驗(yàn)條件的后續(xù)注氣量除其對(duì)應(yīng)的總注氣量得后續(xù)注氣量占總注氣量的范圍為：3.88%～41.58%，總注氣量與3個(gè)影響因素呈正相關(guān)關(guān)系，其中限流元件孔徑D影響最大，注氣壓差ΔP次之，初始水壓影響最小。若要減小后續(xù)注氣量對(duì)總注氣量的影響，可對(duì)影響因素進(jìn)行調(diào)整來減小后續(xù)注氣量。

2.4 微發(fā)泡注塑實(shí)驗(yàn)分析

用Design of Expert軟件設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)[15]，以限流元件孔徑D、熔體壓力B、注氣壓差ΔP、注氣時(shí)間T為影響因素，注氣壓差為注氣壓力與熔體壓力的差值，研究新型氣體注射器的減重比和注氣量，減重比指不發(fā)泡件與發(fā)泡件質(zhì)量的差值占不發(fā)泡件的百分比[16]，注塑純料件質(zhì)量為29.18 g[17]。用式（4）和（5）根據(jù)采集的壓力數(shù)值計(jì)算注氣流量然后積分即可得到注氣量。注氣量占比為注氣量與純料件的比值。每種工藝條件實(shí)驗(yàn)10次取平均值。各個(gè)影響因素的取值范圍如表1所示。采集不注氣試驗(yàn)時(shí)的熔體壓力傳感器數(shù)值求平均值為熔體壓力值。

表1 微發(fā)泡注塑實(shí)驗(yàn)參數(shù)范圍Tab.1 Experimental parameter range of micro-foam injection molding

由表1各參數(shù)的范圍設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)后，分析減重比與注氣量占比與各因素之間的關(guān)系，圖12和圖13分別為減重比和注氣量占比與各影響因素關(guān)系曲線。

圖12 減重比與影響因素關(guān)系曲線Fig.12 Relationship between weight loss ratio and influencing factors

圖13 注氣量占比與影響因素關(guān)系曲線Fig.13 The relationship between the proportion of gas injection and influencing factors

減重比與各影響因素?cái)M合關(guān)系如式（7）所示：

注氣量占比與各影響因素的關(guān)系如式（8）所示：

由圖12和式（7）可得，限流元件孔徑D、注氣壓差ΔP、注氣時(shí)間T越大，減重比越大，而熔體壓力差越高，減重比越小，因?yàn)槿垠w壓力越高，制品的密度越大，從而導(dǎo)致減重比越小[18]。其中注氣時(shí)間對(duì)減重比影響最大，注氣壓差和限流元件孔徑次之，熔壓影響最小[19]。

由圖13和式（8）可得，注氣時(shí)間T對(duì)微發(fā)泡過程中影響最為顯著，其次熔體壓力B，因?yàn)樵谖l(fā)泡過程中超臨界氣體會(huì)溶于熔體中[20]，所以熔體壓力對(duì)注氣量影響程度加大，限流元件孔徑D和注氣壓差ΔP對(duì)注氣量也有較大的影響，4個(gè)影響因素的增大都會(huì)促使注氣量的增大。

3 結(jié)論

（1）通過高速攝像機(jī)拍攝的錄像研究了支架式微發(fā)泡氣體注射器的注氣過程和氣泡擴(kuò)散狀態(tài)，氣泡呈分散狀態(tài)，更有利于微發(fā)泡實(shí)驗(yàn)中氣體與熔體的分散混合；

（2）通過氣體注射器壓力和可視化裝置壓力變化分析注氣過程中流量變化過程，發(fā)現(xiàn)注氣壓差和初始水壓越高，注氣流量越大；

（3）通過設(shè)置一定的實(shí)驗(yàn)條件研究了限流元件孔徑、注氣壓差、初始水壓對(duì)初始注氣量、后續(xù)注氣量的影響；3個(gè)影響因素與初始注氣量都呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系，注氣壓差與后續(xù)注氣量呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系，限流原件孔徑、初始水壓都和后續(xù)注氣量呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的關(guān)系；

（4）新型氣體注射器用于微發(fā)泡實(shí)驗(yàn)，限流元件孔徑、注氣壓差、注氣時(shí)間都會(huì)促進(jìn)減重比和注氣量的增大，而熔體壓力會(huì)導(dǎo)致減重比減小，注氣量增大。總之，此新型氣體注射器可通過調(diào)節(jié)這4個(gè)參數(shù)調(diào)節(jié)注氣量。