化學(xué)微孔發(fā)泡吹塑工藝在汽車風(fēng)道中的應(yīng)用

摘要： 為探究微孔發(fā)泡吹塑工藝在汽車風(fēng)道中的應(yīng)用，通過(guò)調(diào)整生產(chǎn)工藝中的吹氣壓力和溫度獲得合格的樣件并對(duì)其進(jìn)行材料性能和制品性能驗(yàn)證，結(jié)果表明：相比于未發(fā)泡風(fēng)道，發(fā)泡倍率為10%的風(fēng)道樣件拉伸性能和彎曲性能大幅度下降，性能衰減達(dá)到40%以上；在10%～30%發(fā)泡倍率區(qū)間，隨著發(fā)泡倍率的增大，風(fēng)道材料的拉伸和彎曲性能逐漸下降，但相比于拉伸強(qiáng)度，彎曲強(qiáng)度下降趨勢(shì)更為緩慢；發(fā)泡倍率為30%的風(fēng)道樣件能滿足外觀要求，制品性能滿足車用產(chǎn)品需求。結(jié)合不同結(jié)構(gòu)的風(fēng)道試制，總結(jié)出了微孔發(fā)泡風(fēng)道吹塑過(guò)程中的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：化學(xué)發(fā)泡 吹塑工藝 風(fēng)道 汽車

中圖分類號(hào)：U466 " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B " DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20240268

Application of Chemical Microfoaming Blowing Process in Automobile Air Duct

Wang Xue， Jin ke， Wang Ying， Li Jinghua， Fang Cheng， Zhang Jinrui

（National Key Laboratory of Advanced Vehicle Integration and Control， Changchun 130013）

Abstract： To explore the application of micro foaming blow molding technology in automotive air ducts，this paper adjusts the blowing presstre and temperature in the production process to obtain qualified samples and rerifies their material properities and product performance. The results show that， compared with the unfoamed air duct， air duct parts with foaming ratio of 10% experience significant degrease of tensile and bending performance， with performance degradation up to 40%. In the foaming ratio range between 10% to 30%， with the increase of foaming ratio， the tensile and bending performance of the air duct material gradually decrease， but compared with tensile strength， the bending strength decreases more slowly. The air duct with foaming ratio of 30% not only meets the appearance requirements， but also meets the product performance requirements for automotive products. At the same time， by trial production of air ducts with different structures， the design points of microfoaming air duct are summarized.

Key words： Chemical foaming， Blow molding process， Air duct， Automobile

1 前言

微孔發(fā)泡塑料是一種以聚合物材料為基體，內(nèi)部含有大量泡孔的聚合材料。其概念最早由麻省理工學(xué)院（Massachusetts Institute of Technology，MIT）的Martini?Vedensky等提出，他們將微孔發(fā)泡塑料定義為直徑為2～25 μm的閉孔泡沫的聚合物。隨著微孔發(fā)泡工藝的發(fā)展，目前較成熟的生產(chǎn)工藝獲得的微孔發(fā)泡塑料內(nèi)部泡孔平均直徑為1～100 μm，密度為107～1 010 個(gè)/cm3。由于發(fā)泡方式和發(fā)泡程度的不同，內(nèi)部的泡孔結(jié)構(gòu)既可以是閉孔，也可以是開(kāi)孔。此外，微孔發(fā)泡塑料的外層通常為不發(fā)泡的密實(shí)皮層，與內(nèi)部微孔發(fā)泡的多孔芯層構(gòu)成類似三明治的泡沫夾芯結(jié)構(gòu)[1-2]。

微孔發(fā)泡工藝在注塑的同時(shí)完成零件材料內(nèi)部細(xì)小泡孔的發(fā)泡，使實(shí)心塑料零件內(nèi)部形成多孔結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)零部件的減重。微孔發(fā)泡注塑工藝可廣泛應(yīng)用于汽車內(nèi)外飾、儀表板等塑料零部件以及汽車風(fēng)管類部件中，為汽車的輕量化提供很好的設(shè)計(jì)和應(yīng)用思路[3-5]。

目前，注塑工藝的研究案例較多，而吹塑微孔發(fā)泡工藝的研究較少，為實(shí)現(xiàn)汽車吹塑產(chǎn)品的輕量化，本文以高密度聚乙烯（High Density Polyethylene，HDPE）材料的風(fēng)道為研究對(duì)象，依托現(xiàn)生產(chǎn)模具設(shè)備進(jìn)行風(fēng)道產(chǎn)品吹塑微孔發(fā)泡的試制和性能驗(yàn)證，確認(rèn)微孔發(fā)泡風(fēng)道結(jié)構(gòu)以及模具設(shè)計(jì)要點(diǎn)，驗(yàn)證微孔發(fā)泡風(fēng)道性能能否滿足車用要求。

2 吹塑微孔發(fā)泡工藝原理

吹塑微孔發(fā)泡成型技術(shù)包括物理發(fā)泡和化學(xué)發(fā)泡。

2.1 吹塑物理微孔發(fā)泡工藝原理

物理發(fā)泡技術(shù)是在特定的溫度和壓力條件下，將超臨界流體（CO2或N2）注入并溶解到高分子熔體中，在一定的恒定壓力條件下，超臨界流體充分溶解，形成穩(wěn)定的單相熔體，通過(guò)模具口模，單相熔體被擠入溫度和壓力較低的模具型腔。溫度和壓力的變化引發(fā)單相熔體分子不穩(wěn)定狀態(tài)，制品內(nèi)部形成大量的微小氣泡核，逐漸膨脹生成細(xì)小的孔洞。最后，通過(guò)冷卻定型工藝，制品內(nèi)部的孔洞結(jié)構(gòu)得以固定。在這個(gè)過(guò)程中，由于內(nèi)層的孔洞更接近熱源，擴(kuò)張較大，而外層的孔洞因?yàn)槔鋮s作用相對(duì)較小，最終形成了內(nèi)層較大、外層較小的孔洞結(jié)構(gòu)[6-7]。

2.2 吹塑化學(xué)微孔發(fā)泡工藝技術(shù)

化學(xué)發(fā)泡法是在加工過(guò)程中向原料中添加化學(xué)發(fā)泡劑，在特定的溫度下，化學(xué)發(fā)泡劑受熱分解，使塑料熔體發(fā)泡。化學(xué)發(fā)泡法的缺點(diǎn)是，適用于吹塑工藝的發(fā)泡劑供應(yīng)商很少、價(jià)格昂貴且生產(chǎn)中需要調(diào)整工藝參數(shù)[8-9]。

由于物理發(fā)泡技術(shù)需要CO2或N2的充氣設(shè)備，對(duì)傳統(tǒng)的生產(chǎn)線來(lái)說(shuō)，不便于實(shí)際操作，而化學(xué)發(fā)泡可在傳統(tǒng)設(shè)備的基礎(chǔ)上添加化學(xué)發(fā)泡劑實(shí)現(xiàn)。故本文采用化學(xué)微孔發(fā)泡技術(shù)進(jìn)行風(fēng)道制品的生產(chǎn)和研究。

3 微孔發(fā)泡風(fēng)道的生產(chǎn)

3.1 主要生產(chǎn)材料

化學(xué)微孔發(fā)泡風(fēng)道生產(chǎn)使用的材料包括：高熔體強(qiáng)度HDPE材料，30份，材料牌號(hào)為EN0B-F01；普通HDPE材料，70份，材料牌號(hào)為5502；化學(xué)發(fā)泡劑，2份，材料牌號(hào)為QE6-F01；少量色母料。

3.2 風(fēng)道生產(chǎn)工藝

車用風(fēng)道通常采用中空吹塑工藝，通過(guò)擠出機(jī)擠出管狀型坯，趁熱將其夾在模具型腔內(nèi)并封底，再向管坯內(nèi)腔通入壓縮空氣吹脹成型，如圖1所示。具體工藝流程為：料斗上料、物料塑化、型坯中空擠出、模具合模、切斷型坯、吹氣脹型、冷卻定型、開(kāi)模取件、去除余料飛邊。

普通吹塑與化學(xué)微孔發(fā)泡吹塑對(duì)設(shè)備的要求不同，由于熔體的溫度、所受壓力及注氣量對(duì)微孔發(fā)泡的質(zhì)量及成型效果均有影響，故化學(xué)微孔發(fā)泡的吹塑設(shè)備需增加吹氣壓力表，用于監(jiān)測(cè)吹氣壓力，同時(shí)要求設(shè)備能夠分別控制頂針壓力和吹氣壓力。

3.3 微孔發(fā)泡風(fēng)道生產(chǎn)工藝

本文使用滿足微孔發(fā)泡風(fēng)道生產(chǎn)要求的現(xiàn)有生產(chǎn)模具，選取吹腳風(fēng)道進(jìn)行試制和研究，通過(guò)對(duì)比微孔發(fā)泡吹塑工藝機(jī)理與傳統(tǒng)吹塑風(fēng)道技術(shù)，發(fā)現(xiàn)微孔發(fā)泡風(fēng)道需要較小的吹塑壓力，一般為0.005～0.020 MPa，溫度根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)節(jié)。

生產(chǎn)微孔發(fā)泡吹腳風(fēng)道，首先將吹氣壓力調(diào)整為0.01 MPa ，料筒溫度為原生產(chǎn)風(fēng)道應(yīng)用的吹塑溫度200 ℃。參數(shù)調(diào)整后對(duì)零件進(jìn)行吹塑，吹塑后的風(fēng)道如圖2所示，風(fēng)道出現(xiàn)粘連、積料現(xiàn)象。

缺陷出現(xiàn)的原因推測(cè)為吹氣壓力過(guò)小，坯料沒(méi)有完全貼合模具。鑒于此，將吹氣壓力調(diào)整為0.015 MPa，吹塑溫度仍為200 ℃，再次試制，風(fēng)道出現(xiàn)吹破、表面不平滑、有顆粒的現(xiàn)象，具體狀態(tài)如圖3所示。經(jīng)分析，推測(cè)該現(xiàn)象出現(xiàn)的原因?yàn)榱贤矞囟冗^(guò)高，部分粒子結(jié)晶未融化，引起碳化現(xiàn)象，降低料筒溫度可能改善該問(wèn)題。

按照上述分析，從200 ℃開(kāi)始，以5 ℃為梯度逐步降低料筒溫度，經(jīng)過(guò)多輪調(diào)試，該吹腳風(fēng)道在吹氣壓力為0.015 MPa、料筒溫度為175 ℃時(shí)試制得到合格的零件，如圖4所示。同時(shí)調(diào)整吹氣壓力和溫度，可生產(chǎn)出不同發(fā)泡倍率的風(fēng)道，此結(jié)構(gòu)調(diào)試的最高發(fā)泡倍率為30%。

3.4 微孔發(fā)泡生產(chǎn)工藝總結(jié)

3.4.1 吹氣壓力

微孔發(fā)泡吹塑工藝的所需的吹氣壓力一般比傳統(tǒng)吹塑工藝更小，壓力過(guò)大時(shí)零件內(nèi)部無(wú)法正常發(fā)泡，壓力過(guò)小易造成零件無(wú)法成型。建議吹氣壓力調(diào)整為0.005～0.020 MPa ，根據(jù)不同的零件結(jié)構(gòu)進(jìn)行工藝參數(shù)的調(diào)整。

3.4.2 料筒溫度

普通HDPE風(fēng)道料筒溫度設(shè)定為180 ℃及以上，微孔發(fā)泡風(fēng)道的料筒溫度為160～180 ℃，通常可選170 ℃。若溫度過(guò)高，材料的熔體強(qiáng)度偏低，材料表皮也會(huì)發(fā)泡，風(fēng)道無(wú)法成型。

4 風(fēng)道材料性能

分別對(duì)未發(fā)泡風(fēng)道、發(fā)泡倍率約為10%的微孔發(fā)泡、發(fā)泡倍率約為20%的微孔發(fā)泡、發(fā)泡倍率約為30%的微孔發(fā)泡零件制品取樣，進(jìn)行材料性能試驗(yàn)，不同發(fā)泡倍率風(fēng)道依據(jù)風(fēng)道的質(zhì)量進(jìn)行測(cè)算，風(fēng)道的質(zhì)量結(jié)果如表1所示。

4.1 拉伸性能對(duì)比分析

不同發(fā)泡倍率下的風(fēng)道拉伸性能對(duì)比如圖5所示，由圖5可知，隨著發(fā)泡倍率的提升，拉伸性能逐漸下降，主要原因?yàn)殡S著發(fā)泡倍率的增大，微孔發(fā)泡材料中的泡孔數(shù)量不斷增加，材料受力截面的有效面積逐漸減小，拉伸應(yīng)力隨之變小。從未發(fā)泡到10%發(fā)泡倍率，材料的拉伸性能下降幅度最大，從10%發(fā)泡倍率到30%發(fā)泡倍率，材料的拉伸性能下降幅度最小。

4.2 彎曲性能對(duì)比分析

不同發(fā)泡倍率下材料的彎曲強(qiáng)度如圖6所示，彎曲強(qiáng)度呈現(xiàn)與拉伸性能相似的變化趨勢(shì)，隨著發(fā)泡倍率的提升，彎曲性能逐漸降低，從未發(fā)泡到10%發(fā)泡倍率，材料的彎曲強(qiáng)度降低40%，從10%到30%發(fā)泡倍率，材料的彎曲強(qiáng)度下降幅度明顯變小，其原因是材料微孔為蜂窩結(jié)構(gòu)，受力時(shí)能夠釋放和緩解應(yīng)力集中的作用，且微孔能夠改變裂紋擴(kuò)展路徑、使主裂紋分叉以及受力變形時(shí)吸收能量。

4.3 材料性能對(duì)比分析小結(jié)

本次試驗(yàn)的材料為以HDPE為基材，通過(guò)添加化學(xué)發(fā)泡劑吹塑成型的不同發(fā)泡倍率的微孔發(fā)泡風(fēng)道，考察未發(fā)泡風(fēng)道與不同發(fā)泡倍率風(fēng)道材料的力學(xué)性能，結(jié)果表明：相比未發(fā)泡風(fēng)道，發(fā)泡后的風(fēng)道彎曲性能和拉伸性能均大幅下降，性能衰減達(dá)40%以上；隨著發(fā)泡倍率的增大，材料的拉伸及彎曲性能逐漸下降；相比于拉伸性能，彎曲性能下降趨勢(shì)緩慢，尤其是當(dāng)發(fā)泡倍率為20%～30%時(shí)，材料的彎曲強(qiáng)度基本保持不變。

5 制品性能驗(yàn)證

為驗(yàn)證發(fā)泡后的風(fēng)道制品性能是否滿足車用產(chǎn)品要求，選取發(fā)泡倍率最大為30%的微孔發(fā)泡風(fēng)道進(jìn)行試驗(yàn)。

5.1 環(huán)境性能試驗(yàn)

對(duì)微孔發(fā)泡風(fēng)道進(jìn)行耐環(huán)境性能考察，試驗(yàn)方法如下：

a. 耐熱性：將制品放入恒溫箱中，試驗(yàn)溫度為80 ℃±2 ℃，放置24 h±2 h后取出，并在室溫條件下放置30 min，然后目視觀察制品表面是否有變化。

b. 耐寒沖擊性：將制品在-40 ℃±2 ℃的冰箱中放置24 h±2 h后，觀察外觀變化情況，取出制品，立即用鋼球距試樣0.5 m高度沖擊樣品表面，然后目視觀察制品表面是否發(fā)生變化。

試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

5.2 化學(xué)性能

對(duì)發(fā)泡風(fēng)道制品進(jìn)行冷凝性、氣味性、燃燒特性考察，具體試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，3項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果均滿足汽車用風(fēng)道產(chǎn)品要求。

對(duì)發(fā)泡的風(fēng)道制品進(jìn)行揮發(fā)性有機(jī)物（Volatile Organic Compounds， VOC）性能測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示，均滿足汽車內(nèi)飾產(chǎn)品要求。

6 微孔發(fā)泡吹塑工藝對(duì)產(chǎn)品的影響及分析

6.1 風(fēng)道的結(jié)構(gòu)

試制過(guò)程中，選取某具有較大拉伸結(jié)構(gòu)的風(fēng)道作為試制對(duì)象，如圖7所示，經(jīng)多次調(diào)整工藝參數(shù)未能生產(chǎn)出合格產(chǎn)品。經(jīng)分析，發(fā)泡材料受熱膨脹時(shí)易在尖銳或急劇變化的位置產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致制品開(kāi)裂。該風(fēng)道拉伸結(jié)構(gòu)過(guò)大，在微孔發(fā)泡吹塑成型過(guò)程中，材料過(guò)度拉伸，被顯著拉薄，最終破裂，這說(shuō)明微孔發(fā)泡吹塑工藝與傳統(tǒng)吹塑工藝在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求上存在差異。與傳統(tǒng)吹塑工藝相比，微孔發(fā)泡吹塑對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)要求更嚴(yán)格。因此，在進(jìn)行微孔發(fā)泡風(fēng)道產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮結(jié)構(gòu)的合理性和可行性，風(fēng)道的圓角結(jié)構(gòu)應(yīng)設(shè)計(jì)得更大一些，避免尖角和截面突變的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以確保在微孔發(fā)泡吹塑過(guò)程中能夠均勻受力，避免拉伸應(yīng)力過(guò)度集中。

6.2 模具設(shè)計(jì)

對(duì)圖8所示的吹面風(fēng)道進(jìn)行試制，過(guò)程中出現(xiàn)尖角處破裂現(xiàn)象，如圖9所示。多輪調(diào)整工藝參數(shù)仍未生產(chǎn)出合格的風(fēng)道樣件，推測(cè)原因?yàn)槟＞哞偳秹K處的尖角所致，因此，通過(guò)粘貼橡皮泥，試制出了符合要求的微孔發(fā)泡風(fēng)道，如圖10所示，這說(shuō)明微孔發(fā)泡風(fēng)道模具鑲塊的設(shè)計(jì)要求比不發(fā)泡的風(fēng)道更嚴(yán)格，應(yīng)避免出現(xiàn)尖銳的角以及易出現(xiàn)尖角的滑塊結(jié)構(gòu)。

6.3 設(shè)備要求

微孔發(fā)泡吹塑工藝受發(fā)泡的影響，料坯下落時(shí)會(huì)膨脹，對(duì)于同樣尺寸的風(fēng)道，微孔發(fā)泡吹塑工藝所需的模頭較普通吹塑工藝小，一般為普通模頭尺寸的60%～80%，微孔發(fā)泡模具的減小能夠降低成本，避免因模頭過(guò)大出現(xiàn)積流、堆料等問(wèn)題。

7 結(jié)束語(yǔ)

化學(xué)微孔發(fā)泡吹塑風(fēng)道技術(shù)相比普通風(fēng)道技術(shù)具有質(zhì)量輕、生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、綜合成本適中等優(yōu)勢(shì)，微孔發(fā)泡技術(shù)也有可能成為風(fēng)道生產(chǎn)的重要工藝。隨著吹塑微孔發(fā)泡技術(shù)的普及以及產(chǎn)業(yè)鏈的不斷完善，未來(lái)研究將聚焦于物理吹塑發(fā)泡技術(shù)及高表面質(zhì)量的吹塑發(fā)泡技術(shù)，助力微孔發(fā)泡技術(shù)在汽車部件中的大規(guī)模應(yīng)用。

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