段 濤，閆寶瑞，信春玲，何亞東，2

（1．北京化工大學(xué)機電工程學(xué)院，北京100029；2．教育部高分子材料加工裝備工程研究中心，北京100029）

超臨界流體微孔發(fā)泡注塑中氣涌現(xiàn)象的研究與定量測量

段 濤1，閆寶瑞1，信春玲1，何亞東1，2

（1．北京化工大學(xué)機電工程學(xué)院，北京100029；2．教育部高分子材料加工裝備工程研究中心，北京100029）

通過對實驗現(xiàn)象的觀察和分析，推導(dǎo)超臨界流體（SCF）微孔發(fā)泡注塑的注氣流程，推論造成氣涌產(chǎn)生原因為硬件設(shè)備不可避免的管路間隙，并設(shè)計實驗證明和定量研究了影響氣涌的壓力差、限流孔徑等因素，同時提出利用虛擬儀器求兩段流量積分的方式測量初始氣涌量的方法，為微孔發(fā)泡注塑精確注氣提供了借鑒。

微孔發(fā)泡；注塑；超臨界流體；氣涌；氣體測量

0 前言

微孔發(fā)泡注塑技術(shù)的研究日臻成熟，在理論上微孔發(fā)泡注塑制品密度可降低5%～20%，沖擊強度可提高5倍，韌性提高5倍，剛度增加3～5倍，疲勞壽命延長5倍，介電常數(shù)和熱導(dǎo)率大幅下降［1－3］。SCF微孔發(fā)泡技術(shù)，即將CO2或N2等適合的氣體，作為發(fā)泡劑，加壓至一定條件以形成SCF，并通過特殊注射裝置注入到聚合物熔體中，與其混合形成單相溶液［4－5］。SCF微孔發(fā)泡注塑技術(shù)，實現(xiàn)了資源的節(jié)約，使發(fā)泡制品的平均成本降低16%～20%。然而實際加工過程中，周期性工作的注塑系統(tǒng)，在每次開始注氣瞬間，部分帶有較高能量的氣體首先以氣涌的形式注入到機筒內(nèi)，導(dǎo)致氣體在熔體中混合不均勻，造成制品缺陷。徐敬一［6］提出加壓氣體中儲存著能量，一旦氣體注氣閥打開，受壓狀態(tài)下的氣體將迅速釋放能量，因此，此時氣體計量只不過是氣體注氣閥剛開始打開時的氣涌。北京化工大學(xué)的賴進枝［7］、孫忠博［8］、李忠鵬［9］也發(fā)現(xiàn)了微孔發(fā)泡注塑過程中的氣涌現(xiàn)象，并推導(dǎo)出初始氣涌的“限流盲區(qū)”理論成因。但目前對初始氣涌的準(zhǔn)確成因分析與測控方式仍缺乏定論。本文通過虛擬儀器測控得到的SCF微孔發(fā)泡注塑過程參數(shù)，分析得到初始氣涌的大致成因，通過實驗驗證影響氣涌量的重要參數(shù)，并提出一種較為準(zhǔn)確便捷的初始氣涌量的測控方法，在理論和實踐的方面給出減小氣涌、優(yōu)化制品的方案。

1 實驗系統(tǒng)

本研究基于自主研發(fā)的一套SCF微孔發(fā)泡注塑系統(tǒng)，具體分為注塑系統(tǒng)、SCF輸送系統(tǒng)和控制反饋系統(tǒng)。注塑系統(tǒng)采用海天SA900注塑機。SCF輸送系統(tǒng)原理圖如圖1所示，氣壓傳感器監(jiān)測管路中注氣壓力變化；熔體壓力傳感器測量機筒內(nèi)熔融聚合物的熔體壓力；流量計監(jiān)測管路中SCF流動情況并統(tǒng)計氣體輸送量；氣體注射器采用自行設(shè)計的單向微孔流道注氣閥，穩(wěn)定SCF流速并控制注氣量?？刂品答佅到y(tǒng)，采用西門子S7200型可編程邏輯控制器（PLC）控制注氣閥開關(guān)，通過LabVIEW軟件實時采集和記錄各參數(shù)信息。

圖1 SCF輸送原理圖Fig．1 Conveying schematic of SCF

2 氣涌成因探究

整個SCF輸送系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示，可以明顯看出，管路中有一段不可避免的SCF控制盲區(qū)：從SCF輸送方向來講，限流裝置相對氣體注氣閥在上游，而氣體注氣閥在下游，限流裝置至氣體注氣閥啟閉閥門之間存在部分空間（如圖2中虛線框），其存儲上次注氣殘存的一定體積的高壓流體。在打開氣體注氣閥，該空間內(nèi)的高壓流體不受限流裝置限流作用，直接以高壓、高流速狀態(tài)噴射進注塑機機筒之中，伴隨巨大的沖擊和能量釋放，成為初始氣涌現(xiàn)象的主導(dǎo)因素，也就是說氣涌現(xiàn)象中的流體應(yīng)該近乎存儲于該空間。目前通用微孔注塑發(fā)泡設(shè)備的注氣系統(tǒng)大都類似結(jié)構(gòu)，其限流元件到氣體注氣閥出口之間均具有一段空腔，即表明微孔注塑發(fā)泡過程中氣涌現(xiàn)象無法避免。

圖2 SCF輸送系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖Fig．2 Structure schematic of SCF

本系統(tǒng)中，使用LabVIEW軟件對通過流量計的SCF量做積分函數(shù)運算，以得到注入熔融聚合物中的SCF的體積流量，進而推算微孔發(fā)泡注塑制品中的氣量。初始預(yù)設(shè)在注塑過程熔融階段，塑化螺桿后退到預(yù)設(shè)起始位置時，開始注氣，同時對經(jīng)過流量計的SCF開始積分；當(dāng)塑化螺桿后退到注氣結(jié)束位置時，停止注氣，并結(jié)束對流量計的積分，得到積分段Ⅰ。如此旨在求出注氣閥注入熔融聚合物中的氣量。然而在實際試驗中，發(fā)現(xiàn)在注氣停止情況下，仍有少量SCF流經(jīng)流量計，表明此刻氣路中仍未達到穩(wěn)定狀態(tài)。因而，在Lab－VIEW程序設(shè)置另一段流量積分函數(shù)，開始時間為第一段積分停止時，結(jié)束時間為流量計示數(shù)為零（即氣路穩(wěn)定無氣體流動時），得到積分段Ⅱ。Ⅰ、Ⅱ兩段流量積分如圖3。

由此推論實際注氣過程為：注氣閥打開，積分段Ⅰ氣量注入到熔融聚合物中。注氣閥關(guān)閉后，在管路前后壓差作用下，積分段Ⅱ?qū)?yīng)氣量注入限流原件與注射器間管路。下一次注氣開始，注射器打開，上次注氣殘余（積分段Ⅱ）率先進入機筒（即為初始氣涌），隨后本次新注入的SCF經(jīng)過限流原件，平緩注入熔融聚合物。

倘若各條件不變，經(jīng)過無數(shù)次實驗后，注氣結(jié)果會趨于穩(wěn)定，即每次注氣均會產(chǎn)生相同的兩段積分Ⅰ、Ⅱ（如圖3所示）。實際每次注入熔體中的SCF氣體體積，為上一次注氣的積分段Ⅱ，與本次注氣積分段Ⅰ和值，通過“割補”，即得出一次注氣的SCF體積流量大致等于Ⅰ、Ⅱ兩段積分和對應(yīng)值。

圖3 LabVIEW捕獲的兩段流量積分示意圖Fig．3 Diagram of two flow integrals captured from LabView software

3 氣涌排水實驗

由于氣涌現(xiàn)象發(fā)生在氣體注氣閥打開的瞬間，時間短至流量計無法檢測到。為此設(shè)計實驗裝置，采用排水法來較為準(zhǔn)確地測量初始氣涌量。排水實驗裝置仿照實際注塑機注氣裝置，其原理圖如圖4所示。

圖4 排水裝置原理圖Fig．4 Schematic of the drainage device

本實驗采用兩級控制的方式（第一級PLC控制壓縮空氣的通斷；第二級壓縮空氣控制SCF管路中注氣閥的通斷）實現(xiàn)SCF的注入排水。由于注氣閥開啟時長一般不超過10s，因此使用排水法采集注氣時間分別為0．5、1．5、2．5、3．5、4．5、5．5、6．5、7．5、8．5、9．5s時的排水量，并對以上相鄰時間的排水量值做差，得到相鄰時間段的注氣流量差，如圖5所示。由圖5可得，0～0．5s流量差最大，之后保持相對穩(wěn)定，由此確定實驗中氣涌現(xiàn)象大致發(fā)生在開始時0．5s內(nèi)。實驗證明了上述的氣涌形成推論。

考慮到氣涌現(xiàn)象發(fā)生的時間極短，以及整個SCF輸送系統(tǒng)固有的響應(yīng)時間，實驗中將0～0．5s內(nèi)系統(tǒng)排出的流體流量定義為大致氣涌量。使用排水法采集系統(tǒng)0～0．5s內(nèi)排出的氣體量，進而分析氣涌量的存在規(guī)律。

圖5 相鄰時間段的注氣流量差Fig．5 Differential flow against time

4 氣涌量測量

由于氣涌現(xiàn)象發(fā)生在注氣閥向熔體注氣的瞬間，時間極短以至傳統(tǒng)流量測量儀器無法檢測。加之上述分析可知，造成氣涌的成因及影響可歸結(jié)為試驗設(shè)備管路的硬件條件。目前并無氣涌量測試的成熟理論和方法。傳統(tǒng)排水法測初始氣涌量只能用于摸索氣涌量與控制參數(shù)間的關(guān)系。本文提出，氣涌量大致為氣體注氣閥與限流原件間氣路間隙中氣量（即積分段Ⅱ?qū)?yīng)值）。考慮到實驗設(shè)備大小、固有誤差及測試精度，可通過虛擬儀器的流量積分運算精確得出積分段Ⅱ代表的氣量值，大膽做出假設(shè)：初始氣涌量值大致為積分段Ⅱ所代表的氣體量值，即平穩(wěn)注氣結(jié)束后用補充管路間隙的氣體量值。

因此，作者提出一種對SCF微孔發(fā)泡注塑過程中初始氣涌量的較為合理、準(zhǔn)確的測量方法：傳感器采集流量計信號，LabVIEW軟件作兩段積分函數(shù)運算（第一段為注氣閥開啟時開始積分，關(guān)閉時停止積分；第二段為注氣閥關(guān)閉時開始積分，流量計示數(shù)為零時停止積分），并將實時數(shù)據(jù)記錄保存，得出積分段Ⅱ值對應(yīng)的SCF體積流量（即穩(wěn)定狀態(tài)下，每次平緩注氣結(jié)束后補充管路間隙的氣量），進而得出下次注氣時的初始氣涌量。

為驗證上述理論，進行放大實驗：利用上述排水集氣裝置，選定4根不同長度管路（分別為9、14、15、17cm）連接于限流元件與氣體注氣閥之間，每根管路實驗中控制其他因素，只改變注氣壓力（2、6、10MPa）對空排水集氣，同時通過LabVIEW軟件記錄兩段積分值。實際試驗中，注氣閥開啟時間集中于5s左右，因此每組實驗分別記錄不同情況下0．5s排水量，5s排水量和5s排水Ⅰ、Ⅱ段積分值。實驗數(shù)據(jù)如圖6、圖7和表1所示。

圖6所示，不同情況下5s排水Ⅰ、Ⅱ段積分值之和，與5s排水量趨勢相同。證明在排除實驗設(shè)備微小漏氣與讀數(shù)誤差情況下，用Ⅰ、Ⅱ段積分和可以測出當(dāng)前條件下的總排氣量。

圖6 不同條件下5s排水量與積分量對比曲線Fig．6 Comparison of 5s'displacement and integration in different conditions

圖7所示，不同管路長度下Ⅱ段積分值，與0．5s排水量整體相同。表1列出同等條件下，Ⅱ段積分值與實際0．5s排水值之間的誤差，從而證明在排除實驗設(shè)備微小漏氣與讀數(shù)誤差情況下，Ⅱ段積分值為當(dāng)前條件下的初始氣涌量。另外圖7曲線顯示，初始氣涌量的大小與壓差量及管路間隙長度均成正向線性相關(guān)，由此證明初始氣涌產(chǎn)生于限流元件與氣體注氣閥間管路間隙。

圖7 不同條件下0．5s排水量與Ⅱ段積分量對比曲線Fig．7 Comparison of 0．5s'displacement and sectionⅡ's integration in different conditions

表1 Ⅱ段積分量值對應(yīng)0．5s排水量值間誤差 %Tab．1 Error between the integral value of sectionⅡand 0．5s'displacement %

5 結(jié)論

（1）SCF微孔發(fā)泡注塑過程中，由于設(shè)備系統(tǒng)硬件的固有缺陷，氣涌現(xiàn)象不可避免；

（2）通過對氣涌關(guān)鍵影響因素分析及對氣涌量的大致測控，可以盡可能地控制氣涌量，并改進加工工藝，控制氣涌量的合理方案為：改進微孔發(fā)泡注塑系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，盡可能減少將限流元件到氣體注氣閥的管路間隙，同時加工過程中盡量減小注氣壓差，從而減小初始氣涌對SCF微孔發(fā)泡注塑制品的影響。

［1］Martini J E，Ellen J，Suh N P．The Production and Analysis of Microcellular Foam［D］．Cambridge MA：Dept Mech Eng MIT，1981．

［2］Martini J E，Waldman F A，Suh N P．The Production and Analysis of Microcellular Thermoplastic Foams［J］．Society of Plastic Engineering Technical Papers，1982，28：674－676．

［3］Waldman F A．The Processing of Microcellular Foam［D］．Cambridge MA：Dept Mech Eng MIT，1982．

［4］Reverchon E，Cardea S．Production of Controlled Poly－meric Foams by Supercritical CO2［J］．The Journal of Supercritical Fluids，2007，40（1）：144－152．

［5］P N Suh．Impact of Microcellular Plastics on Industrial Practice and Academic Research［J］．Macromolecular Symposia，2003，201（1）：187－192．

［6］徐敬一 ．微孔塑料注塑成型技術(shù)［M］．北京：機械工業(yè)出版社，2013：175．

［7］賴進枝 ．超臨界流體發(fā)泡注塑注氣系統(tǒng)研究［D］．北京：北京化工大學(xué)機電工程學(xué)院，2012．

［8］孫忠博，信春玲，閆寶瑞，等 ．微孔發(fā)泡注塑注氣量控制的理論和實驗［J］．塑料，2013，42（5）：80－83． Sun Zhongbo，Xin Chunlin，Yan Baorui，et al．Theoretical and Experimental Study on Injection Molding Control of Microcellular Foam Injection［J］．Plastics，2013，42（5）：80－83．

［9］李忠鵬，閆寶瑞，信春玲，等 ． 微孔發(fā)泡注塑系統(tǒng)氣體計量過程中影響初始氣涌的關(guān)鍵因素［J］．塑料，2015，44（5）：97－100．Li Zhongpeng，Yan Baorui，Xin Chunling，et al．Studying of Initial Gas Surging in SCF Metering of Microcellular Foam Injection Molding［J］．Plastics，2015，44（5）：97－100．

2017年第11屆成都橡塑及包裝工業(yè)展覽會邀請函

第11屆成都橡塑及包裝工業(yè)展覽會將于2017年10月12－14日在成都世紀(jì)城新國際會展中心舉行，此次展會規(guī)模設(shè)定展位800余個，預(yù)計展出規(guī)模約30000m2，參展企業(yè)突破400家，專業(yè)觀眾20000人次以上。為了助推四川塑膠產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，更好地推動展會成為西部地區(qū)涉塑產(chǎn)業(yè)新技術(shù)、新產(chǎn)品、新工藝的重要交流平臺，成都立嘉會議展覽公司將一如既往地與各地方行業(yè)協(xié)會及全國各大知名企業(yè)強強聯(lián)手，為打造西部第一橡塑及包裝工業(yè)展覽會而不懈努力。

成都——國家“一帶一路”戰(zhàn)略及長江經(jīng)濟帶戰(zhàn)略的重要節(jié)點城市，西部大開發(fā)的引擎城市和“成渝經(jīng)濟區(qū)”核心城市，在中國經(jīng)濟發(fā)展版圖中具有獨特優(yōu)勢和戰(zhàn)略地位。獲批設(shè)立自貿(mào)區(qū)、《成渝城市群發(fā)展規(guī)劃》獲批、內(nèi)陸鐵路樞紐口岸等；成都是中國西部最具競爭力的IT產(chǎn)業(yè)聚集地，是國內(nèi)重要的集成電路產(chǎn)業(yè)基地，全國五大國家級軟件產(chǎn)業(yè)基地之一。

近年來，成都按照打造成都“大車都”的規(guī)劃布局，以成都經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)為核心區(qū)域，聚集了大眾、豐田、沃爾沃、東風(fēng)神龍等11家國內(nèi)外知名整車企業(yè)，300余家關(guān)鍵零部件企業(yè)，搭建了年生產(chǎn)能力170萬輛的整車生產(chǎn)平臺。同時，成都將堅持把汽車產(chǎn)業(yè)作為推進先進制造業(yè)發(fā)展的主攻方向，將2025年整車制造能力超過300萬輛設(shè)為目標(biāo)。最終成為世界知名、中國一流的成都國際汽車城和成渝經(jīng)濟區(qū)的重要增長極。

成都生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)較強，“十二·五”期間，生物醫(yī)學(xué)材料及醫(yī)療器械是其發(fā)展重點領(lǐng)域，將重點發(fā)展醫(yī)用聚氨酯、醫(yī)用聚乳酸、醫(yī)用塑料、醫(yī)用膠原等醫(yī)用基礎(chǔ)原材料及耗材等。中國包裝印刷產(chǎn)業(yè)整體西移，西部市場原材料富庶，人力資源豐富。西部包裝印刷行業(yè)未來發(fā)展之路走勢走勢看漲。成都市包裝產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)由2010年的500余家增至2015年的1200余家，年平均遞增20%，年生產(chǎn)總值平均遞增10%左右。產(chǎn)業(yè)布局（主要分布）按照西向發(fā)展戰(zhàn)略布局，到2020年形成西向溫江、崇州、邛崍、大邑，西南新津、蒲江，西北新都、彭州的環(huán)形西向成都市包裝產(chǎn)業(yè)圈。

選擇成都，其實是選擇西部。成都是西部地區(qū)的科技中心、商貿(mào)中心、金融中心和交通通信樞紐，是西部經(jīng)濟的大動脈。2016年1－7月，成都投資促進繼續(xù)保持平穩(wěn)增長態(tài)勢，新簽約引進重大項目（含增資）176個，總投資1934．65億元。在電子信息、汽車、生物醫(yī)藥、航空航天等先進制造業(yè)重點產(chǎn)業(yè)，成都引進中植新能源汽車項目、科倫藥業(yè)生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)基地、格力電器西南產(chǎn)業(yè)園項目等，為增強全市工業(yè)投資后勁奠定了堅實基礎(chǔ)。巨大的綜合效益和優(yōu)越的地理位置將西部開發(fā)引擎城市——成都推向了更高的位置，受到來自全球的矚目，綜合實力得到了巨大增長，國際化進程速度加快。

屆時主辦方將邀請西部區(qū)域即四川、重慶、貴州、云南、陜西等西部主要省市省區(qū)市觀眾為主；同時由各省市行業(yè)協(xié)會組團參觀采購，并免費給國內(nèi)外專業(yè)VIP買家提供住宿酒店。參觀企業(yè)以家用電器、電子產(chǎn)品、汽車零配件、塑料包裝及容器、包裝印刷、醫(yī)療為主，另邀請食品、飲料、日用品、體育用品、玩具、禮品、服飾、工程配件、建筑材料、模具及零部件加工等行業(yè)，還邀請各大專院校、化工科研單位、相關(guān)行業(yè)協(xié)會、新聞媒體、投資貿(mào)易機構(gòu)人士參觀。

11年專業(yè)展會舉辦經(jīng)驗，20000家準(zhǔn)確的行業(yè)內(nèi)客戶資料，20人的專業(yè)觀眾邀請團隊一對一邀請，確保高質(zhì)客戶前來參觀；與各地汽車制造產(chǎn)業(yè)基地、IT產(chǎn)業(yè)園、家電工業(yè)園等合作，專車接送參觀團，洽談協(xié)助展商尋找采購及合作伙伴；覆蓋四川省內(nèi)各大汽車產(chǎn)業(yè)基地、汽配城、IT產(chǎn)業(yè)園以及高速路段及各大工業(yè)園區(qū)。展示產(chǎn)品包括各種注塑機、擠出機及生產(chǎn)線、吹塑機、吹瓶機、熱成型機、吸塑機、裁斷機、橡膠機械等橡塑裝備；機械手及自動化設(shè)備、測試儀器、模具及加工設(shè)備等輔助設(shè)備；各種塑料包裝機械、各種印刷機械、薄膜技術(shù)、各種打包機纏繞設(shè)備，各種包裝機械及自動化生產(chǎn)線、食品及藥品包裝及制盒機械、標(biāo)簽、噴碼及條碼、其他相關(guān)產(chǎn)品及技術(shù)；各種工程塑料、改性塑料、顏料及色母粒、各種復(fù)合及特種材料、化工助劑及原材料、生物塑料、添加劑、半制成品等。

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Investigation and Quantitative Measurement of Gas Surge in Supercritical Fluid Microcellular Foam Injection Molding

DUAN Tao1，YAN Baorui1，XIN Chunling1，HE Yadong1，2
（1．College of Mechanical and Electrical Engineering，Beijing University of Chemical Technology，Beijing 100029，China；2．Polymer Processing Equipment Engineering Research Center，Ministry of Education，Beijing 100029，China）

There are often some uneven mixing cells with uneven sizes in supercritical fluid（SCF）microcellular foam injection molding products．This fault was named as“gas surge”phenomenon，and it influenced the quality of foam products，significantly．In this paper，the procedure of gas injection was deduced through the observation and analysis of the experimental phenomena．It was found that the occurrence of gas surge in SCF micro－foam injection molding was due to the clearance for hardware devices．Influencing factors of gas surge were confirmed by the experiment designed in this work and then studied quantitatively．A measurement method of initial gas surge was also proposed as a reference for precise injection of microcellular foam injection．

microcellular foam；injection molding；supercritical fluid；gas surge；gas measurement

TQ320．66＋2

B

1001－9278（2017）07－0082－05

10．19491／j．issn．1001－9278．2017．07．014

2017－01－06

聯(lián)系人，dtisgod＠foxmail．com