木彐摘編

微孔注射成型裝置（二）

木彐摘編

微型注射成型工藝不僅具有節(jié)省材料、降低能耗、縮短成型周期這些既明顯又誘人的優(yōu)點(diǎn)，還大大提高了注塑件的尺寸穩(wěn)定性、促進(jìn)了注塑件的固化和創(chuàng)新。微孔注射成型可以加工費(fèi)結(jié)晶性塑料、半結(jié)晶性塑料、熱固性樹脂、熱塑性彈性體和生物塑料等通用塑料和工程塑料，本講座著重介紹微孔注射成型裝置的結(jié)構(gòu)及成型階段原理。

微型注射成型裝置；結(jié)構(gòu)；成型階段；工藝

編者按：隨著近年來微孔塑料注射成型技術(shù)的快速發(fā)展，為推進(jìn)這一技術(shù)廣泛應(yīng)用本刊經(jīng)相關(guān)出版單位同意從國外機(jī)械譯叢《微孔塑料注射成型技術(shù)》一書，摘編了注射成型技術(shù)與裝備有關(guān)內(nèi)容共分四部分并發(fā)表，使之更好地為科研教學(xué)產(chǎn)品研發(fā)、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、維修等提供應(yīng)用與指導(dǎo)，為橡塑行業(yè)技術(shù)創(chuàng)新奠定理論基礎(chǔ)。

用于微孔注射成型的螺桿和機(jī)筒必須要有傳統(tǒng)注射成型機(jī)螺桿和機(jī)筒同樣的功能，即將固體塑料加到機(jī)筒內(nèi)，向前輸送、加熱、熔融、壓縮、混合，恒定注射體積計(jì)量。然而，微孔注射成型用的機(jī)筒和螺桿還必須能將氣體在超臨界狀態(tài)下在最小壓力（6.9～17.2 MPa）下加到塑料熔體中（一般的，計(jì)量段至少要有90%以上的熔融塑料）。螺桿必須將氣體與熔體混合，然后使氣體快速擴(kuò)散到熔體中，在氣體、熔體混合物積聚到螺桿頭之前制得單相溶液。還要在最低的熔體壓力下維持住單相溶液，在注射之前將其保持在螺桿頭處。所以，除了成型問題外，目前開發(fā)的所有發(fā)泡裝置關(guān)注的都是兩種關(guān)鍵技術(shù)：在螺桿回位過程中形成單相溶液，在螺桿閑置期間將其保持住。單相溶液是在時間、氣體用量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）、溫度和壓力之間必需平衡的條件下制得的。工業(yè)上可獲得經(jīng)濟(jì)效益的工藝所用的壓力甚至比參考文獻(xiàn)中推薦的還要高，以期在很短的擴(kuò)散時間內(nèi)制得單相溶液，這是經(jīng)濟(jì)的解決途徑。微孔發(fā)泡的原則和安全操作規(guī)則簡單總結(jié)如下：保持單相溶液的壓力更高，微孔發(fā)泡過程中壓力釋放得更快。本章研究其詳細(xì)技術(shù)。

1 微孔注射成型用螺桿設(shè)計(jì)

注射成型螺桿是間歇性工作的，不像擠出螺桿那樣連續(xù)成型。注射螺桿運(yùn)轉(zhuǎn)有三個主要過程：回位、加熱和注射。此外，微孔泡沫注射成型螺桿需要在螺桿回位過程中用完多余的超臨界流體。所以，每一個規(guī)程的新定義解釋如下：

（1）螺桿開始轉(zhuǎn)動，進(jìn)行塑化，這一過程稱為螺桿的回位。在螺桿的中間部位，將超臨界流體注入其自潔段，并與熔體混合。超臨界流體與熔體的混合物稱為單相溶液。在螺桿頭積聚足夠的單相溶液以備注射。

（2）緊接著，螺桿停留在原有位置，在螺桿頭已經(jīng)積聚了足夠的注射物料。這期間有一個加熱過程。其特殊的要求是在加熱過程中保持最低壓力，而不是在加熱開始時就迅速釋放熔體壓力。加熱時間需要盡可能地短，以使壓力損失最小。

（3）最后，螺桿向前運(yùn)動進(jìn)行注射；單相溶液以設(shè)定的速度和壓力注入型腔。注射過程是在充模范圍內(nèi)以必需的成核和注射時間進(jìn)行成型。

2 螺桿設(shè)計(jì)總則

圖1所示為微孔注射成型用螺桿的一般構(gòu)型，分為5個區(qū)段：加料段、過渡段（壓縮段）、計(jì)量段、自潔段和混合段，這樣在計(jì)量段與自潔段之間需要考慮一個關(guān)鍵的限制元件。所有這些截面和壓力限制元件的設(shè)計(jì)都要滿足傳統(tǒng)注射螺桿和微孔注射螺桿的性能要求。所以，螺桿設(shè)計(jì)必須遵從下述總的原則：

圖1　微孔泡沫注射成型用螺桿的一般構(gòu)型

（1）微孔泡沫注射成型螺桿加料段最好長一些，因?yàn)槁輻U回位縮短了加料段的長度，這一變化將改變固體床的壓力、溫度分布和加料效率。所以，加料段的長度，一般占前三段總長的40%～50%，在螺桿滿行程后，加料段最短也要在2～3D左右。

（2）固體床（泵送能力由加料段決定）是微孔塑料成型用螺桿比較好的喂料方式，這是因?yàn)槲⒖鬃⑺芗尚蜁r背壓為6.9～17.2 MPa，比注射成型螺桿通常的背壓高10倍左右，在如此高的背壓下熔體喂料（泵送能力由計(jì)量段決定）不是很好。固體床喂料在加料段能產(chǎn)生很高的物料壓力，這樣螺桿頭處的背壓就不會大幅度影響產(chǎn)率。為了實(shí)現(xiàn)固體床方式喂料，在加料段必須產(chǎn)生更大的摩擦力，熔融延遲到建立起足夠的壓力再開始。這種喂料方式的螺桿結(jié)構(gòu)的要求是螺距小，螺桿小徑處要進(jìn)行噴涂，機(jī)筒加料段和螺桿加料段要強(qiáng)制冷卻，采用開槽機(jī)筒及強(qiáng)制冷卻等。

（3）微孔注射成型用螺桿的過渡段要足夠長，因?yàn)槁輻U位置隨著回位行程而變化，因此物料熔融位置的開始點(diǎn)隨著螺桿行程而變化。另一方面，機(jī)筒的溫度曲線不同，也會改變?nèi)廴谄鹗嘉恢谩Ｋ?，微孔注射成型螺桿的過渡段推薦為前三段總長的25%～30%。

（4）對于微孔注射成型用螺桿，計(jì)量段槽深要小。在螺桿頭處背壓很高、含超臨界流體的物料黏度低的情況下，壓力流對深計(jì)量段螺槽螺桿的產(chǎn)率影響很大。所以，微孔注射成型螺桿計(jì)量段螺槽要淺。

（5）為了穩(wěn)定螺桿下方的壓力，在計(jì)量段與自潔段之間產(chǎn)生壓差，螺桿上要有凸起或者類似的結(jié)構(gòu)。這種限制元件是在螺桿計(jì)量段建立起更高的壓力、保持自潔段熔體壓力較低的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，這樣氣體能被更穩(wěn)定、更恒定地加入熔體之中。如果用環(huán)形閥，凸起就是環(huán)座。如果用球閥，球座區(qū)就是限制區(qū)，其作用與凸起一樣。下面將對這種結(jié)構(gòu)進(jìn)行討論。

（6）需要專門的中間單向閥或者限流元件保持微孔螺桿內(nèi)的熔體壓力，因?yàn)槠渲杏袣怏w。換句話說，就是一旦將氣體加到螺桿內(nèi)，就必須保持一定的壓力值，直到將熔體注入模具。選擇中間單向閥時必須與螺桿頭性能匹配，避免損失單相溶液中的熔體壓力，或者是在注射過程中產(chǎn)生壓力涌流，這很容易將機(jī)筒中間的破裂盤打破，不過這可以通過螺桿頭與螺桿中間閥之間的順序關(guān)閉來避免。

（7）自潔段設(shè)計(jì)有數(shù)個連續(xù)螺棱，并且足夠長，覆蓋螺桿整個行程。自潔段的槽深必須能夠?qū)崿F(xiàn)快速的熔體輸送、穩(wěn)定的氣體輸送（熔體壓力恒定）和可控的熔體溫升，所以，選定為計(jì)量段槽深的2倍左右，這樣剪切熱少，氣體注射時熔體壓力低。自潔段螺棱的螺紋升角大，可以快速向前輸送熔體，避免產(chǎn)生氣包。自潔段的長度是由螺桿總行程以及機(jī)筒上超臨界流體注射器的數(shù)量決定的，至少要能夠覆蓋超臨界氣體計(jì)量的總行程。

（8）混合段對實(shí)現(xiàn)微孔注射成型螺桿的高質(zhì)量非常重要。一般來說，注射成型機(jī)螺桿混合段長度不夠。所以，MuCell?注射成型螺桿的混合強(qiáng)度必須很高，要能夠在短的混合段內(nèi)完成混合。對于微孔注射成型螺桿來說，分散混合一般比分布混合更為重要。

微孔注射成型時注射量一般最多比未發(fā)泡注塑件少20%，所以，如果微孔螺桿的速度與傳統(tǒng)注射成型機(jī)螺桿一樣，那么微孔螺桿回位的時間就比不發(fā)泡螺桿的短。下面將強(qiáng)調(diào)和討論微孔注射成型螺桿的3個特殊要求：①螺桿必須產(chǎn)生足夠的熔體壓力。②螺桿要有快速的超臨界流體計(jì)量元件。③設(shè)計(jì)中間單向閥時必須保證能夠維持足夠的熔體壓力，使超臨界流體保持在溶液中。

（1）微孔螺桿中的熔體壓力

對微孔注射成型螺桿的第一個特殊要求是在螺桿回位過程中產(chǎn)生足夠的熔體壓力。關(guān)于螺桿特定位置的壓力有兩個主要問題。第一個問題是，在螺桿回位過程中，在機(jī)筒的超臨界流體注射器處保持恒定的壓力或者小的壓力變化。壓力變化從計(jì)量開始到結(jié)束都會影響超臨界流體的計(jì)量流量變化。螺桿行程和速度不同時，超臨界流體的計(jì)量要恒定，這一點(diǎn)很重要。第二個問題是超臨界流體計(jì)量位置上方的壓力必須在整個計(jì)量過程中都保持在高位，高壓是防止超臨界流體從螺桿漏回料斗的最好密封方法。

圖2為螺桿軸向的典型壓力曲線，是在螺桿軸向上整個螺桿長度上測量的熔體壓力。實(shí)驗(yàn)中加工所用材料為聚苯乙烯；螺桿直徑D=0.105 m，有效長徑比為32∶l，屏障型截面設(shè)在過渡段。對于兩種螺桿轉(zhuǎn)速，所設(shè)定的背壓相同，均為17.24 MPa。位置P3、P4和P5處測量的壓力是這種螺桿三個傳統(tǒng)區(qū)段的典型壓力值。低螺桿轉(zhuǎn)速（26 r/rain）時，在位置P5處產(chǎn)生的壓力高一些，這一位置處于過渡段的最后。但是，高螺桿轉(zhuǎn)速（100 r/rain）時，位置P5處的壓力低，為9.2 MPa左右。這表明，低螺桿轉(zhuǎn)速時，在螺桿方向上熔體壓力建立得早。用凸起作為微孔螺桿的壓力限制元件時，位置P3處的熔體壓力在螺桿轉(zhuǎn)速不同時幾乎保持不變。此外，P2處為超臨界流體注入處，自潔段槽深大，此處的熔體壓力在螺桿轉(zhuǎn)速不同時變化很小。這證明了凸起環(huán)這種結(jié)構(gòu)與自潔段幾何結(jié)構(gòu)間的平衡設(shè)計(jì)，也就是說即使螺桿轉(zhuǎn)速從26 r/min增大到100 r/min，超臨界流體計(jì)量處的熔體壓力也都恒定。

圖3所示為典型的凸起環(huán)幾何結(jié)構(gòu)。凸起環(huán)位于螺桿計(jì)量段末端與螺桿中間處的單向閥或自潔段之間，其幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以參考用于解壓縮的兩階排氣螺桿設(shè)計(jì)，也可以參考用于恒壓力降的凸起環(huán)設(shè)計(jì)。在不考慮螺桿轉(zhuǎn)速的影響時凸起環(huán)處的壓力降可以用下列簡化公式計(jì)算。

圖2　微孔注射成型過程中螺桿軸向的典型壓力曲線（得到Trrex～el公司的許可）

圖3　典型的凸起環(huán)幾何結(jié)構(gòu)

式中：

mT——恒定指數(shù)，是單位剪切速率時的黏度，參見公式（5）；

△Lb——凸起環(huán)的軸向長度，m；

δb——機(jī)筒內(nèi)徑與凸起環(huán)外徑之間的間隙，m；

sn——l/n；

n——冪指數(shù)；

Db——凸起環(huán)的外徑，m；

V——體積流量，m3/s。

式中：

mref——參考溫度Tref時的mT（實(shí)驗(yàn)確定）；

bT——黏溫系數(shù)（實(shí)驗(yàn)確定）；

Tpoly——加工時的絕對溫度。

用式（3）估算壓力降速率可能會有高達(dá)15%的誤差，因?yàn)闆]有考慮凸起環(huán)的周向線速度，不過對于工程計(jì)算這已經(jīng)很好了。還可以簡化，進(jìn)一步假設(shè)塑料熔體為牛頓流體，那么壓力降可以改寫為

需要設(shè)計(jì)的幾何參數(shù)有機(jī)筒內(nèi)徑與凸起環(huán)外徑之間的間隙δb和凸起環(huán)軸向長度ΔLb。很清楚，壓力降Δpb與凸起環(huán)的長度呈線性關(guān)系，強(qiáng)烈依賴ΔLb。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)ΔLb等于螺棱寬度的0.5～0.8，這足以耐磨損，避免凸起環(huán)太長物料受到剪切作用。另一方面，如式（6）所示，凸起環(huán)長度ΔLb上的壓力降Δpb反比于，所以，間隙δb是一個敏感參數(shù)，在凸起環(huán)段，會使壓力降速率和剪切熱發(fā)生巨大變化。推薦的比值是控制壓力降△pb在1.38 MPa左右，這足以穩(wěn)定通過凸起環(huán)的壓力降；克服SCF計(jì)量壓力，防止SCF在螺桿中向后漏流。

位于P1和P2之間的壓力曲線對于螺桿上SCF的恒定計(jì)量很重要，因?yàn)樵诼輻U回位過程中螺桿有向后的軸向運(yùn)動。眾所周知，往復(fù)式螺桿有兩個運(yùn)動，一個是轉(zhuǎn)動，一個是沿著機(jī)筒軸向后的運(yùn)動。但是，SCF計(jì)量位置是固定在機(jī)筒上的，所以，在螺桿回位過程中SCF的位置是變化的，因?yàn)榇藭r螺桿相對于機(jī)筒向后運(yùn)動。P1和P2之間理想的壓力曲線是平的，也就是螺桿回位沿程SCF計(jì)量位置處沒有熔體壓力波動，實(shí)際設(shè)計(jì)難以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。解決方法是使壓力曲線要么逐漸升高，要么逐漸降低（圖2），這樣壓力平衡會根據(jù)螺桿方向上熔體壓力的緩慢變化自動調(diào)整。這一點(diǎn)將與自潔截面和混合截面更為詳盡的設(shè)計(jì)一起討論。

還有一種壓力限制元件設(shè)計(jì)可用來實(shí)現(xiàn)這種類似于凸起環(huán)的壓力曲線，也就是用反向螺紋來代替凸起環(huán)。在反向螺紋的上方熔體壓力高，下方熔體壓力低。雖然計(jì)算很難，但是微孔泡沫成型用的單螺桿和雙螺桿都已設(shè)計(jì)成功。這種設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是制造簡單，螺桿強(qiáng)度設(shè)計(jì)簡單，而且還表現(xiàn)出優(yōu)異的混合和剪切性能，加速SCF在熔體中的擴(kuò)散。但是，加工就變得比較復(fù)雜，而且一種設(shè)計(jì)僅適用于一定黏度范圍的物料。下面將討論用于混合和剪切的反向槽截面設(shè)計(jì)。

（2）微孔泡沫注射成型用螺桿中SCF的計(jì)量

SCF計(jì)量就是將一定量的SCF加到熔體中的工作，SCF、恒定地溶于熔體中，最后與熔體混合形成所謂的單相溶液。這是由螺桿的綜合性能決定的，包括壓力曲線、混合以及混合中的剪切與自潔段內(nèi)的剪切等。下面將詳細(xì)討論SCF對螺桿設(shè)計(jì)的這些基本要求。

SCF計(jì)量壓力曲線的主要問題是如何在機(jī)筒內(nèi)產(chǎn)生穩(wěn)定的熔體壓力，SCF在機(jī)筒內(nèi)恒定計(jì)量；如何建立合適的SCF輸送壓力，引導(dǎo)SCF通過機(jī)筒流入熔體中。盡管通過式（3）或式（4）能估算出通過凸起環(huán)的壓力降，但是SCF計(jì)量處即自潔段或者凸起環(huán)的下方仍然需要壓力傳感器。那么，SCF計(jì)量壓力必須根據(jù)氣體注射器同一位置處所測定的熔體壓力來設(shè)定，要使氣體計(jì)量壓力低于凸起環(huán)上方的壓力，但是要高于其下方實(shí)際的熔體壓力。實(shí)際生產(chǎn)用的注射成型機(jī)在SCF計(jì)量位置處安裝的壓力傳感器只有一個，所以，一般建議將SCF計(jì)量壓力設(shè)定在0.35～0.69 MPa，高于機(jī)筒同一軸向位置處壓力傳感器讀出的熔體壓力值。

圖4　加工PP時整個成型周期中總的壓力曲線

圖5　超臨界流體計(jì)量壓力和熔體壓力之間的關(guān)系

為了掌握上述壓力設(shè)定的規(guī)律，觀察氣體壓力和熔體壓力都很有幫助。圖4給出了一條重要的壓力曲線，表明了在螺桿回位和SCF計(jì)量過程中同一位置處SCF計(jì)量壓力與相關(guān)熔體壓力之間的關(guān)系。氣體注射器處（與圖2中P2相同的位置）氣體與熔體之間的壓力差對氣滴尺寸也有很大的影響。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)泡用螺桿氣體注射處有解壓縮段，在氣體開始計(jì)量時產(chǎn)生巨大的氣涌。這樣，初始?xì)庥浚ù髿獍┦箽怏w與熔體的混合及其在熔體中的擴(kuò)散更為困難。微孔泡沫注射成型用螺桿在氣體計(jì)量處沒有解壓縮段，因此，在氣體計(jì)量開始時氣體壓力不會下降得很快。圖5給出了氣體計(jì)量過程的每一個周期內(nèi)典型的壓差曲線，實(shí)驗(yàn)所用氣體為N2；樹脂為GPPS熔體；螺桿直徑為30 mm，長徑比為26：1。與圖6.5相對應(yīng)的加工工藝為：螺桿轉(zhuǎn)速127 r/min；剪切速率52 s-1；氣體注射器處的熔體壓力16.2 MPa，背壓13.8 MPa；恒壓17.7 MPa、熔體溫度440～F的條件下，N2加入量為0.5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。

壓力差在1.45 MPa左右。圖4有三個主要特征，第一個特征是氣體注射器打開時氣體的初始壓力降逐漸從設(shè)定值開始增大。熔體壓力迅速增大0.67 MPa左右平衡更高的氣體壓力，這有助于防止氣體開始注射時產(chǎn)生氣涌。在氣體注射開始時螺桿會有建壓元件響應(yīng)初始?xì)怏w壓力突增。氣體開始注射時，氣體壓力降將實(shí)際的熔體壓力增大到16.9 MPa，在16.9 MPa時只維持3 s。第二個特征是，即使熔體壓力保持在16.9 MPa，氣體壓力也會持續(xù)下降。這就是說，氣體流動速率持續(xù)緩慢增大，從而使熔體壓力也開始下降。這是因?yàn)轲ざ葮O低的氣體層將熔體與機(jī)筒內(nèi)表面的界面進(jìn)一步潤滑，從而使螺桿的泵送能力緩慢下降，所以，即使在黏度因氣體潤滑作用而下降的情況下，螺桿的計(jì)量段也要足夠長，以穩(wěn)定泵送能力。在螺桿泵送和氣體計(jì)量產(chǎn)生新的平衡時，在氣體關(guān)閉之前要將壓力穩(wěn)定在16.6 MPa。氣體和熔體最終的穩(wěn)定壓力幾乎都出現(xiàn)在氣體計(jì)量總時間15 s的一半時。第三個特征是在氣體計(jì)量過程中氣體與熔體之間的壓差恒定在0.2 MPa。這一詳細(xì)的壓力曲線對于理解螺桿內(nèi)氣體計(jì)量過程很有價值。實(shí)際上，圖4中的壓力曲線證明螺桿設(shè)計(jì)是成功的，在氣體計(jì)量之后，可使熔體壓力很快地恢復(fù)到穩(wěn)定壓力。如果螺桿設(shè)計(jì)失敗，在氣體計(jì)量過程中熔體壓力會持續(xù)下降。重新設(shè)計(jì)凸起環(huán)可以對其進(jìn)行修正。

（1）自潔段設(shè)計(jì)。Burnham等人在2001年申報了一項(xiàng)關(guān)于自潔段多螺棱和注射器端部多孔的設(shè)計(jì)專利。實(shí)際測試表明，只有自潔段的多螺棱是必需的，而注射器處的多孔會使SCF計(jì)量不穩(wěn)定，從而使不同成型過程得到的微孔注塑件質(zhì)量不同。這是因?yàn)榻到獾乃芰峡赡軙e聚在一些孔中，最后將其堵塞，而SCF總是流向阻力最小的地方。所以，最后不同成型過程中真正開著的孔的數(shù)量是變化的。解決的辦法就是一臺注射器只用一個孔。

圖6　自潔段與SCF注射器的設(shè)置圖示

第三個功能的實(shí)現(xiàn)需要盡可能多的螺棱將SCF氣滴分割到最小的尺寸，所需的計(jì)算公式導(dǎo)出如下：

式中：

Wt——自潔頻率，s-1；

Nf——自潔段螺棱數(shù)量；

Ns——螺桿轉(zhuǎn)速，r/min。

式（7）表明，自潔頻率取決于螺棱數(shù)量和螺桿轉(zhuǎn)速。那么，如果知道了氣體流量和氣體注射器孔的尺寸（這里假設(shè)氣體注射器只有一個孔），氣滴的大小估算為

式中：

Lj——?dú)獾蔚某叽纾僭O(shè)氣滴與孔直徑）；

dj——注射器處的孔徑；

Qg——?dú)怏w注射器內(nèi)的氣體流量；

ρg——?dú)怏w密度。

很清楚，如果氣滴小，螺桿轉(zhuǎn)速Ns就要高，自潔段螺棱數(shù)量Nf就要多。螺桿自潔段周向展開圖（圖6a的展開橫截面圖）給出了氣滴尺寸及其在每個螺槽中的數(shù)量，如圖7所示。這說明，在螺桿轉(zhuǎn)動一整圈時，分割的氣滴數(shù)量與自潔段螺棱數(shù)量一樣。如果在機(jī)筒軸向上不同徑向處多設(shè)置一些氣體注射器的話，氣滴就會被切割得更小。

圖7　自潔段展開圖

加速一定尺寸氣滴的擴(kuò)散的方法之一，就是降低塑料熔體厚度l，這樣SCF擴(kuò)散時間td就短：

式中：

td——SCF擴(kuò)散時間，s；

l——進(jìn)行氣體擴(kuò)散的塑料熔體厚度，mm；

a——SCF擴(kuò)散速率［見式（10）］。

式中：

ΔG——活化能；

k——玻耳茲曼常數(shù)；

T——熱力學(xué)溫度。

從式（9）和式（10）可以看出，擴(kuò)散時間td在溫度升高時會增加。所以，SCF擴(kuò)散速率高時，螺桿設(shè)計(jì)需要在SCF計(jì)量處避免過熱。另一方面，有兩種螺桿設(shè)計(jì)方法可以減小l：一種方法是在機(jī)筒軸向相同位置處增設(shè)氣體注射器，另一種方法是提高螺桿轉(zhuǎn)速。同一個自潔螺槽內(nèi)軸向方向上兩相鄰氣滴間的熔體厚度l由下式給出：

式中：

vm——熔體在螺桿軸向方向上的絕對速度［見式（5）和式（7）］；

Tw——自潔時間，等于Wt的倒數(shù)。

從圖8可以明顯看出，螺桿同一螺槽中兩相鄰氣泡間的塑料熔體厚度取決于螺桿轉(zhuǎn)速和熔體軸向速度vm。

圖8　同一自潔螺槽中SCF氣滴的軸向展示圖

圖9　螺桿自潔段剪切場中的氣泡拉伸

此外，自潔段的剪切場會使氣泡進(jìn)一步拉伸到臨界長度，在剪切場中的Weber數(shù)達(dá)到臨界值時，將氣泡破碎成更小的氣泡。自潔段氣泡的拉伸現(xiàn)象如圖8所示。圖9a給出了螺槽橫截面圖。自潔段的深度一般兩倍于計(jì)量段深度，這樣就存在著壓力流。螺槽頂部的拖曳流和螺槽底部的壓力流構(gòu)成了強(qiáng)烈的剪切場，如圖9a所示。在圖9b中，有兩個初始未受剪切的氣泡，它們之間的距離為Ll，之后被拉伸成薄的橢圓形，間距L2被大大縮短，如圖9c所示。如果這一被拉伸的氣泡被拉伸得更大、超過臨界Weber數(shù)，剪切力就克服了表面力，一個被拉伸的氣泡就變成兩個更小的氣泡。

圖9d給出了拉伸結(jié)果，一個氣滴變成了兩個小氣滴。所以，剪切場中的拉伸完成了兩項(xiàng)工作：一是在很短的擴(kuò)散時間內(nèi)將Ll縮短；二是將氣滴變小，得到更好的分布混合和分散混合。

Weber數(shù)We定義為

式中：

We——Weber數(shù)（剪切力與表面力之比）；

σ——表面張力；

ηp——聚合物的黏度；

γ——剪切應(yīng)變；

dp——泡孔直徑；

λ——?dú)怏w與聚合物的黏度比。

式中：

ηg——?dú)怏w黏度。

簡單剪切場中，臨界Weber數(shù)We在300左右。要達(dá)到臨界We，必須在螺桿中設(shè)計(jì)有強(qiáng)剪切場。

（2）混合段設(shè)計(jì)。即使在自潔段液滴被分割成了最小的尺寸，后續(xù)混合對成功的微孔成型也很重要。眾所周知，適當(dāng)?shù)幕旌蠜Q定了最終產(chǎn)品的性能、加工效率和成本。傳統(tǒng)的混合總是追求將湍流作為混合的有效機(jī)制，這是因?yàn)橥牧骺偸桥c無規(guī)液體流動聯(lián)系在一起，而無規(guī)液體流動是最為有效的混合機(jī)理。對于水或者水樣液體，達(dá)到湍流的雷諾數(shù)判斷標(biāo)準(zhǔn)是其值約為2 000或者更大一些，但是，塑料熔體的高黏度排除了湍流的可能。不論是傳統(tǒng)注射成型還是微孔注射成型，層流都決定著混合分析。高黏度熔體（10～1 000 000 P）和低黏度超臨界流體（0.000 05～0.05 P）之間的差別極大。實(shí)際上，黏度間如此大的差別是一種優(yōu)點(diǎn)，相對容易混合，但是使混合分析更為復(fù)雜。為滿足熔融聚合物中超臨界流體的混合要求，有很多實(shí)用的混合元件。下面將討論混合的理論基礎(chǔ)，重點(diǎn)研究兩個主要混合現(xiàn)象：分散混合和分布混合。

分散混合也稱強(qiáng)化混合。分散是由混合物中流體的機(jī)械應(yīng)力史決定的。機(jī)械應(yīng)力減小微孔螺桿自潔段和混合段中被熔體包裹的超臨界流體液滴的尺寸，將液滴從大變小，然后將其分割成很多液滴。但是，這一過程并不改變每一個液滴的位置。圖1給出了這種混合的概念。這是有混合要求的螺桿和其他元件中加速氣體擴(kuò)散過程的重要混合。相關(guān)的機(jī)械設(shè)計(jì)是限流屏障段，其上設(shè)有很窄的間隙，迫使氣體、熔體混合物通過其問，經(jīng)受強(qiáng)烈的剪切和拉伸。動態(tài)混合器具有混合作用，類似于分散混合。

此外，限流屏障，也就是窄槽使所有混合物通過其間，有助于將熔融物料從自潔段螺槽底部輸送到上層。由于來自氣體注射器的初始?xì)獾沃皇峭Ａ粼谧詽嵅鄣纳蠈樱?，通過這種分散混合運(yùn)動，螺槽底部的熔體有機(jī)會與氣體混合。

分布混合中混合物的均化是由作用在液體上的形變歷史決定的，這不過是應(yīng)變，這一過程也稱為泛混（共混）。原理是將組分（這里是氣滴）在空間位置上均勻分布，但不改變組分尺寸大小。其概念如圖7所示。典型的分布混合元件是混合銷、多槽以及任何具有將主料流分成很多小料流功能的混合元件。大多數(shù)靜態(tài)混合器都有與分布混合一樣的作用。

微孔注射成型時，螺桿中需要這兩種混合。螺桿中實(shí)際的混合是一種綜合性混合，分散混合和分布混合都有，可能難以將兩者清楚地區(qū)分開來。其中一個關(guān)鍵因素是剪切速率，螺桿必須能夠產(chǎn)生適宜的剪切速率，使熔體加速氣體擴(kuò)散過程，因?yàn)榧羟心墚a(chǎn)生適宜的氣滴條紋。這種螺桿一氣體注射系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)是著名的塑料條紋厚度（圖9）與時間之間的關(guān)系原理。但是，在剪切區(qū)域存在局部剪切熱這一嚴(yán)重問題。如果剪切元件按照傳統(tǒng)注射螺桿適用的規(guī)律設(shè)計(jì)，對于微孔注射成型螺桿來說可能剪切太強(qiáng)。在螺桿混合段采用傳統(tǒng)剪切元件，微孔注射成型極高的背壓有可能產(chǎn)生過熱問題。解決方法是設(shè)計(jì)相同的剪切強(qiáng)度，但其主要是由徑向方向的剪切間隙決定的。為了減少剪切區(qū)域的過熱，剪切時間要控制得盡可能地短，只用短的剪切段。綜合考慮混合原理。微孔螺桿的混合器設(shè)計(jì)就不是一項(xiàng)很難的工作，可以參考很多已公開的研究成果。微孔注射成型螺桿中混合設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn)總結(jié)如下：

①混合段全長上壓力降都要低。

②分布混合和分散混合要產(chǎn)生強(qiáng)烈的剪切和拉伸，但不能產(chǎn)生過熱問題。

③多槽混合段分割出大量的條紋。

④混合段中物料的上下運(yùn)動使物料從上層換到底層，反之亦然。

⑤混合段沒有死角。

⑥混合段要有一定的泵送能力。

⑦要有必需的向后壓力流，以提高混合效率。

另一個重要的參數(shù)是SCF在螺桿中的停留時間。很清楚，螺桿中的剪切會大大加快SCF的計(jì)量。因此，可以忽略螺桿閑置期間的停留時間，因?yàn)槠洳⒉皇呛苤匾３翘貏e指出，否則本章中所指停留時間都是指螺桿轉(zhuǎn)動過程中的停留時間，即剪切停留時間，其計(jì)算方法是計(jì)算從SCF注入機(jī)筒到SCF與熔體混合物離開螺桿這段時間。所以，計(jì)算混合段和自潔段中平均停留時間tr的主要公式如下：

式中

Vm——混合段和自潔段的體積，m3；

V˙——螺桿體積流量，m3/s。

根據(jù)麻省理工學(xué)院的初步研究結(jié)果，螺桿中的停留時間至少是幾分鐘。但是，螺桿中實(shí)際的剪切停留時間大于1 min幾乎是不可能的。

設(shè)計(jì)螺桿所有性能的總原則是保持下述關(guān)系：

這就是說，剪切富SCF物料的停留時間必須大于擴(kuò)散時間，保證在微孔注射成型第一階段制得真正的單相溶液。

表1　停留時間與螺桿轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系

在實(shí)際的微孔成型過程中，停留時間要求與剪切強(qiáng)度要求相互矛盾。這是因?yàn)榧羟袕?qiáng)度正比于螺桿轉(zhuǎn)速，因此，高剪切強(qiáng)度靠的是高的螺桿轉(zhuǎn)速；而在螺桿轉(zhuǎn)速高時，停留時間就會縮短。由表1可以很明顯地看出，長徑比分別為24∶1和28∶1的螺桿，兩者在轉(zhuǎn)速高時，停留時間都變短了。停留時間在螺桿轉(zhuǎn)速增大時變短，呈非線性關(guān)系。在從低速到中高速時，停留時間急劇縮短。經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，一般來說，SCF計(jì)量快，與高剪切有關(guān)。究竟哪一個因素決定著SCF計(jì)量效果，目前科學(xué)上還不是很清楚。另外，在一定的最低螺桿轉(zhuǎn)速時，現(xiàn)代微孔螺桿設(shè)計(jì)都使自潔段和混合段盡可能地深，從而使富氣體熔體的動態(tài)停留時間盡可能地長?；旌隙魏妥詽嵍蔚纳畈墼谄涞撞恳材墚a(chǎn)生比較大的反流，實(shí)際上是通過增強(qiáng)物料流場上層的剪切來提高混合質(zhì)量的。但是，混合段和自潔段的大槽深都有可能帶來強(qiáng)化局部計(jì)量的風(fēng)險。所以，自潔段槽深應(yīng)該從中問單向閥附近自潔段上方向下方逐漸增加。

對直徑為30 mm、長徑比為22∶1的短螺桿進(jìn)行了混合段改進(jìn)設(shè)計(jì)，這一螺桿已經(jīng)與特殊混合器一起成功使用了。與長徑比為26∶1的長螺桿相比，短螺桿在Saxton混合器上設(shè)有不同深度的螺旋槽。這種深切槽具有分布混合作用，只不過是通過混合段的深切槽將料流分開、再匯合。而淺切槽具有分散混合作用，將物料破碎成小的相。分散混合機(jī)理的驅(qū)動力是剪切應(yīng)力。另一方面，淺切槽在局部迫使物料流通過上槽，然后下面的物料會向上運(yùn)動，這增加了物料從上層到下層的交換選擇，反之亦然。所以，這一特殊混合段中的這種上下運(yùn)動將保持深混合段的優(yōu)勢（總的停留時間長），彌補(bǔ)螺槽深度方向上停留時間不均勻這一缺陷。此外，富氣體熔體會拉伸或加速很多倍，是將團(tuán)聚體打碎的有效手段，使氣滴變小而不大量產(chǎn)生剪切熱，這是因?yàn)樯钇琳隙温輻U、窄屏障段上的剪切時間控制得不是很長。

這種特殊短螺桿的性能大大改變了，見表2。表中只列出了兩種物料，PP代表著低黏度物料，Pc代表著高黏度物料。比產(chǎn)量是螺桿每轉(zhuǎn)一圈時的產(chǎn)量，所以，其與螺桿轉(zhuǎn)速無關(guān)，用來討論螺桿的性能。有一種很明顯的趨勢，即不論壓力多高，加工的是何種物料，長徑比為22∶1螺桿的比產(chǎn)量都高于26∶1的螺桿，這證明短混合段對計(jì)量段泵送能力的阻力小，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的三段截面對于長徑比為26∶1和22∶1螺桿都是一樣的。

此外，長徑比為22∶1螺桿的轉(zhuǎn)矩與長徑比為26∶1螺桿的轉(zhuǎn)矩之比總是小于1，這就是說，長徑比為22∶1螺桿的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩低于26∶1的螺桿，這可以解釋為短的混合段所致。（3）微孔成型螺桿中壓力限制元件的設(shè)計(jì)。目前已成功應(yīng)用的壓力限制元件有兩種，一種是反向槽設(shè)計(jì)，一種是中間單向閥。在自潔段設(shè)計(jì)的反向槽對于壓力限制元件和微孔成型螺桿自潔段來說是最為簡單的設(shè)計(jì)，但其還需要凸起環(huán)來產(chǎn)生解壓段，將SCF很容易地添加到反向槽段。直徑為40 mm及更?。ㄖ睆?5 mm）的螺桿采用了一種設(shè)計(jì)，其類似于Maddock混合段，但其既有正向螺棱作導(dǎo)入槽，也有反向螺棱作出口反向槽。與直徑更大的螺桿相比，這種反向槽在SCF注射器處產(chǎn)生了一種十分不同的熔體壓力曲線。這一獨(dú)特性能與SCF注射器處機(jī)筒內(nèi)熔體的壓力性能有關(guān)，進(jìn)而影響輸送壓力和螺桿回位設(shè)置。對于直徑更大的螺桿，SCF注射器處機(jī)筒內(nèi)的熔體壓力一般都比所設(shè)置的背壓高1.38～2.07 MPa。采用反向槽螺桿時，差值會在5.5～6.9 MPa，其中的這種高壓需要測量，以防止壓力快速下降，進(jìn)而由反向槽螺桿中的殘留壓力維持單相溶液。由于輸送壓力要設(shè)定得稍高于SCF入口壓力，因此，背壓設(shè)定值與輸送壓力設(shè)定值之差會遠(yuǎn)高于小直徑螺桿。

這種反向槽螺桿設(shè)計(jì)的另一個獨(dú)特之處是螺桿轉(zhuǎn)速更高時，如最大轉(zhuǎn)速的50%時，SCF入口熔體壓力在整個螺桿回位行程中會持續(xù)增大。盡管這種高壓實(shí)際上是有助于加速氣體擴(kuò)散和混合的，但是在長的螺桿回位行程中可能會產(chǎn)生加工問題。如果螺桿回位行程大于反向槽設(shè)計(jì)的正向槽長度，那么，氣體計(jì)量處持續(xù)增大的壓力會變得越來越大。這是因?yàn)橛?jì)量點(diǎn)有可能向反向槽方向移動，這只需在氣體計(jì)量位置下方對其進(jìn)行控制。這會使得輸送壓力總是需要調(diào)整以與機(jī)筒內(nèi)不斷增大的熔體壓力相匹配，終止產(chǎn)生不穩(wěn)定的SCF計(jì)量。在這種情況下，就必須采用適應(yīng)性SCF計(jì)量控制，從而能隨著熔體壓力的變化自動相應(yīng)地改變SCF的壓力。有了這種自適應(yīng)性的氣體壓力控制，在螺桿回位過程中不論有多大變化，SCF的壓力與熔體間的恒定壓差都保持不變。但是，如果螺桿行程很短，成型周期也很短，那么，螺桿閑置時間也就很短。反向槽螺桿就是微孔成型一種理想且經(jīng)濟(jì)的手段，不需要自適應(yīng)性壓力控制。

另一方面，高壓下的混合能力是反向槽螺桿的重要性能。自潔段反向槽不僅能在SCF注射到熔體中之后立即增強(qiáng)混合，還能在自潔段產(chǎn)生瞬時局部高壓。這種反向槽有助于減緩螺桿閑置期間高熔體壓力的下降，這是在注射開始之前維持螺桿頭處與反向槽之間單相溶液中最小壓力的一個重要因素。在螺桿完成回位之后，反向槽螺桿最好的機(jī)器控制方法是螺桿位置控制，而不是壓力控制。

為了創(chuàng)造出穩(wěn)定的熔體壓力區(qū)，SCF在其中能夠有效計(jì)量，在反向槽螺桿回位行程中有一定的長度，在螺桿回位時間最短的3 s內(nèi)將螺桿轉(zhuǎn)速降低到低于螺桿最大轉(zhuǎn)速的35%，目的是盡可能地延長計(jì)量時間，同時反向槽螺桿的剪切速率又能夠接受。一旦在這段行程內(nèi)完成了SCF計(jì)量，在螺桿回位行程的最后階段可以提高螺桿轉(zhuǎn)速，使SCF與聚合物混合。行程最后階段中的這種高螺桿轉(zhuǎn)速有助于將螺桿中已有的SCF從SCF注射器處挪走。計(jì)量之后的螺桿轉(zhuǎn)速可以是所需的任何轉(zhuǎn)速，以達(dá)到必需的螺桿回位時間。為了保持注射量的精確性，在剛好達(dá)到最后注射量之前應(yīng)將螺桿轉(zhuǎn)速降低。一般來說，在注射的最后1～3 mm，螺桿轉(zhuǎn)速會降低到低于最大值的20%，這會使注射量更一致。對于特定材料，這些加工參數(shù)必須根據(jù)加工條件來設(shè)置，但是不會加入控制軟件中，因?yàn)檫@是加工中可調(diào)的參數(shù)。

小注射量運(yùn)行時，即不到機(jī)筒長度的20%t，而且流量低時，計(jì)量開始由壓力降控制，而不是流量控制。這是因?yàn)樾┝靠梢酝ㄟ^小孔處的壓力降控制，精度幾乎與流量控制的一樣，但成本可以大幅度降低。采用小氣體計(jì)量量時，SCF氣體計(jì)量時間一般都很短，如0.5 s，那么，SCF主要通過壓力突增計(jì)量加入機(jī)筒。在這種情況下SCF的量應(yīng)該根據(jù)壓力突增公式來計(jì)算，而不是通過流量公式進(jìn)行計(jì)算。

與其他應(yīng)用一樣，SCF流量、輸送壓力、注射器開孔位置以及注射器打開時間需要根據(jù)材料及其在反向螺桿加工中的注射量來優(yōu)化。如果SCF輸送壓力是由螺桿頭處的背壓控制的，更小直徑的反向槽螺桿的獨(dú)特設(shè)計(jì)要求SCF輸送壓力與螺桿頭處的熔體壓力之間的差值要更大，因?yàn)槁輻U中部的壓力高。更準(zhǔn)確地說，如果SCF的輸送壓力根據(jù)螺桿中部的壓力讀數(shù)進(jìn)行控制，那么其輸送壓力與氣體注射器附近的中間壓力差要保持得盡可能地小。此外，螺桿速度曲線和螺桿回位過程中的背壓需要SCF計(jì)量到機(jī)筒中以更好地控制，而且計(jì)量量控制精度也要提高。

微孔加工的反向槽螺桿設(shè)計(jì)有兩個重要的應(yīng)用。一個是小螺桿，不允許由于存在混合段的單向閥而導(dǎo)致其出現(xiàn)弱強(qiáng)度段。另一個應(yīng)用是很短的計(jì)量時間，或者短的螺桿回位時間。上述兩種情況都不會有長的回位行程，而這對于反向槽螺桿完成氣體計(jì)量而螺桿回位沿程上沒有壓力變化來說是最好的。

（4）中間單向閥。關(guān)于中間單向閥設(shè)計(jì)，球閥和環(huán)形閥都已成功用于不同應(yīng)用中。一般來說，球閥用于沒有填料或者玻璃纖維增強(qiáng)的低黏度材料時性能更好。總的來說，球閥的設(shè)計(jì)需要考慮磨損、高黏度材料加工難度以及小直徑螺桿的強(qiáng)度等問題。

表2　氣體加入量為0.6%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）時，長徑比分別為26∶1和22∶1螺桿的產(chǎn)率與轉(zhuǎn)矩

球閥是一種十分快速的開關(guān)性能閥，已成功用作中間單向閥，用于大多數(shù)低黏度和低磨損材料?？偟膩碚f，螺桿中部的球閥設(shè)計(jì)原理類似于螺桿頭處的球閥。帶套筒（套筒將球閥包括于其中，就像一個桶）的球閥的設(shè)計(jì)具有下述特點(diǎn)：

①球閥套筒內(nèi)沒有彈簧，可用于高溫加工。球閥內(nèi)沒有死角。

②球閥將每樣?xùn)|西都包括在套筒內(nèi)，這樣在螺桿本身，就沒有中間閥磨損問題。

③對于螺桿和保持架來說，球閥套筒簡單，易于加工，易被新的球和套筒所替代。

④球閥入口槽與螺桿計(jì)量槽的流動面積之比為0.5∶1～0.8∶1。螺桿直徑大時，這一比值要大，這樣，熔體流動阻力小。

⑤球閥出口的開孔面積要大于入口，必須像環(huán)形單向閥中的突起一樣產(chǎn)生壓力降。所以，球閥本身屬于壓力限制元件區(qū)，產(chǎn)生SCF計(jì)量所必需的壓力降。

微孔注射成型螺桿另外一種成功的中間閥設(shè)計(jì)是圖10中所示的環(huán)形單向閥。圖10中有兩個環(huán)的位置，上面的環(huán)顯示的是打開位置，下面的環(huán)顯示的是關(guān)閉位置。環(huán)1的上方（入口一側(cè)）是螺桿的計(jì)量段，這里是熔融物料，沒有氣體。出口外環(huán)1的下方是自潔段，加氣。所以，閥打開時上面的位置是通常的螺桿回位位置。通過環(huán)前面突起上的壓力降迫使不含氣體的熔融物料自由流過圖10中上面的環(huán)。但是，在螺桿向前運(yùn)動進(jìn)行注射或者停止不動時，環(huán)向后滑動，阻止自潔段中富氣體熔體的向后流動。防止富氣體熔體從環(huán)處向后流動要解決兩個問題。其中之一是，如果富氣體熔體在螺桿計(jì)量段向后漏流，將會大大降低螺桿的泵送能力。這是因?yàn)闅怏w的超低黏度會在機(jī)筒的內(nèi)徑處建立起一潤滑層，因此，作為螺桿中正向流的拖曳流會大大減小。另一個問題是，如果由于漏流而使富氣體熔體喪失了最低的熔體壓力，那么，整個自潔段和混合段的單相溶液會受到損害，而且會使下一個過程中單相溶液的再建更為困難。所以，中間單向閥是微孔注射成型真正關(guān)鍵的部件。

圖10　中間環(huán)形單向閥和突起 （得到Trexel公司的許可）

壓力限制元件最為常見的設(shè)計(jì)是突起環(huán)，包括單向閥的后座。環(huán)形閥設(shè)計(jì)是一種耐用設(shè)計(jì)，因?yàn)榕c球閥一樣，環(huán)形閥也沒有很大的磨損問題。所以，可以用于玻璃纖維填充量很大的物料的微孔注射成型。這種兩階關(guān)閉環(huán)的設(shè)計(jì)原理將在螺桿頭中進(jìn)行討論。

利用上述同樣的原理，為小螺桿設(shè)計(jì)了一種分離環(huán)（用電火花加工的方法將環(huán)切成兩半），因?yàn)橹睆綖?0 mm等的小螺桿有強(qiáng)度要求，必須做成一體的；而電火花加工用的電極絲的直徑最大為0.1 mm，已被證明是能很容易地將環(huán)切成兩半而不降低微孔螺桿中部密封性能的恰當(dāng)尺寸。環(huán)本身被切成至少一個齒（任意形狀），在軸向上將環(huán)咬合在一起。整體螺桿上的這種分離環(huán)形單向閥幾乎適用于微孔注射成型時所有直徑的螺桿，因?yàn)檫@種螺桿是一種簡單、強(qiáng)度高、性能很好的非分離型螺桿。

（R-03）

Microporous injection molding device (Part 2)

Excerpted by Mu Xue

Microporous injection molding process not only has obvious and compelling advantages such as saving materials, reducing energy consumption, shortening molding cycle, but also greatly improves the dimensional stability of injection molded parts, and promotes innovation and curing of injection molded parts. Microporous injection molding can be processed in non-crystalline plastics, semi-crystalline plastics, thermosetting resins, thermoplastic elastomers and bio-plastics and other common plastics and engineering plastics, this seminar focuses on the structure and forming stage principles of Microporous injection molding device.

microporous injection molding apparatus; structure; forming stage; process

TQ330.662

1009-797X（2016）08-0126-10

B

10.13520/j.cnki.rpte.2016.08.052

機(jī)械工業(yè)出版社出版的《微孔塑料注射成型技術(shù)》

作者：Jingyi xu ［美］

翻譯：張玉霞 王向東