李樹松，閆寶瑞，安華亮

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

0 前言

微孔發(fā)泡制品能有效地減少塑料用量并保證制品力學(xué)性能，在成型過程中有效減小物料熔融黏度、降低成型壓力等減少能源消耗。近年來微孔發(fā)泡制品作為結(jié)構(gòu)件被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、汽車、航空航天等領(lǐng)域。超臨界流體N2作為一種綠色、無污染的物理發(fā)泡劑，被廣泛應(yīng)用于微孔發(fā)泡注塑行業(yè)中[1]。模具溫度控制在微孔發(fā)泡注塑過程中可以改善均相溶體填充過程中的流動(dòng)性，影響其氣泡成核析出長大過程，最終影響制品的泡孔結(jié)構(gòu)、表面質(zhì)量和力學(xué)性能[2-5]。

Moldex3D憑借其真實(shí)的三維模流分析技術(shù)被廣泛應(yīng)用于塑料注射成型加工，達(dá)到優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)、有效驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案和預(yù)測產(chǎn)品的可制造性[6-7]。其中通過微孔發(fā)泡注射模塊可視化模擬可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化填充過程中加工條件、通過模具加熱方式預(yù)測冷卻時(shí)間、優(yōu)化保壓條件以及分析澆口壓力變化、預(yù)測塑件成型內(nèi)部泡孔尺寸以及分布等功能。

本文主要研究通過改變模具溫度對制品的泡孔結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能、減重比以及表面質(zhì)量的影響，并通過Moldex3D軟件模擬分析驗(yàn)證模具溫度對制品減重比以及泡孔尺寸的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

超臨界N2,北京太平永順科貿(mào)有限公司；

聚丙烯(PP)，E02ES D901C，密度0.9 kg/m3，熱變形溫度79 ℃，熔點(diǎn)150 ℃，熔體流動(dòng)速率1.5 g/10 min(230 ℃/2.16 kg)，中石化鎮(zhèn)海煉化分公司。

1.2 主要設(shè)備及儀器

微孔發(fā)泡注塑機(jī)，SA900/260 (采用自主設(shè)計(jì)的超臨界N2輸送裝置)，寧波海天集團(tuán)股份有限公司；

溫控儀表，OMRON E5 DC-QX 2DSM-802，上海駿恒自動(dòng)化有限公司；

電子天平，YH-A3002，瑞安市樂祺貿(mào)易有限公司；

粗糙度儀，TR200，北京時(shí)代山峰科技有限公司；

萬能試驗(yàn)機(jī)，XWW-20，承德金建檢測儀器有限公司；

掃描電子顯微鏡(SEM)，S-4700，日本日立公司；

擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)，ZBC 1400-2,深圳市新三思材料檢測有限公司。

1.3 樣品制備

實(shí)驗(yàn)材料為無規(guī)共聚高熔體強(qiáng)度PP，熔點(diǎn)為150 ℃，加工成型溫度范圍為170～260 ℃，機(jī)筒加熱溫度設(shè)定為190 ℃，模具溫度范圍為30～80 ℃；如表1所示，僅改變模具溫度由30 ℃升到80 ℃，隨著溫度每升高10 ℃，冷卻時(shí)間增加5 s，共計(jì)6組，主要實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

表1 主要實(shí)驗(yàn)參數(shù)Tab.1 Main process parameters

1.4 性能測試與結(jié)構(gòu)表征

稱重測量：將每組實(shí)驗(yàn)合格制品選取5個(gè)，稱重并計(jì)算平均質(zhì)量；

SEM測試：將樣品置于液氮環(huán)境中脆斷，斷面進(jìn)行噴金處理后進(jìn)行SEM測試；

彎曲性能測試：根據(jù)彎曲測試標(biāo)準(zhǔn)ISO 178—2010 制得標(biāo)準(zhǔn)樣條長l=80 mm、寬b=10 mm、厚h=4 mm、跨距為64 mm，每組5個(gè)試樣，選擇傳感器量程為5 000 N,在測試速率為10 mm/min 條件下實(shí)驗(yàn)測試計(jì)算得到彎曲強(qiáng)度；

沖擊性能測試：根據(jù)簡支梁沖擊性能測試標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1043.1—2008制得標(biāo)準(zhǔn)樣條l=80 mm、b=10 mm、h=4 mm、跨距為64 mm、剩余寬度8 mm，使用缺口制樣機(jī)r=0.1 mm銑刀，制成“V”形缺口符合I型樣條A型缺口，每組5個(gè)，采用簡支梁4 J模式，擺錘速度為3.5 m/s條件下得出樣條沖擊斷裂的吸收功，計(jì)算得出沖擊強(qiáng)度；

表面粗糙度值測試：控制模具溫度為30～80 ℃，每組實(shí)驗(yàn)選取5個(gè)制品，在充模流動(dòng)的水平方向和徑向以相同取樣長度各測3組，測量得到表面粗糙度(Ra)值,實(shí)驗(yàn)取平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 稱重分析

由圖1所示，在相同工藝條件下，隨著模具溫度的升高，微孔發(fā)泡制品的減重比發(fā)生明顯變化，在30～50 ℃范圍呈減小的變化趨勢，在50～80 ℃范圍呈增加的趨勢，在80 ℃時(shí)減重比達(dá)到最大為21.77 %。對減重比隨模具溫度變化趨勢進(jìn)行曲線擬合，得到擬合曲線如圖1所示，回歸曲線模型具有高的R2值(0.961 13)和較小的殘差(0.481 14)：

■—減重比 ——擬合曲線圖1 制品減重比隨模具溫度的變化Fig.1 Product weight loss ratio as a function of mold temperature

溫度/℃：(a)30 (b)40 (c)50 (d)60 (e)70 (f)80圖2 PP斷面形態(tài)隨溫度變化的SEM照片F(xiàn)ig.2 Morphologies of PP as a function of mold temperature

2.2 SEM分析

如圖2所示，在實(shí)驗(yàn)工藝條件下，模具溫度為30 ℃時(shí)泡孔整體較小，在制品芯部泡孔較小且均勻呈為較規(guī)整的球形。制品接近表皮層泡孔生長受到剪切拉伸作用，形態(tài)呈現(xiàn)為沿流動(dòng)方向的橢球形。模具溫度升高為40 ℃時(shí)，泡孔整體尺寸明顯增大，在制品芯部泡孔出現(xiàn)不規(guī)則長大現(xiàn)象，泡孔較致密，接近表皮層的泡孔有破裂現(xiàn)象出現(xiàn)，在視場中泡孔數(shù)目較多。模具溫度升高為50 ℃時(shí)，泡孔整體尺寸增大不明顯，泡孔形態(tài)變化較大，主要呈現(xiàn)拉伸為橢球形，泡孔破裂嚴(yán)重，泡孔碎屑較多，泡孔數(shù)目減少。模具溫度升高為60 ℃時(shí)，泡孔重新排布芯部較均勻，但表皮層附近呈現(xiàn)更加致密的橢球形泡孔。模具溫度升高為70 ℃時(shí)，芯部泡孔有不規(guī)則橢球形，泡孔較致密。模具溫度升高為80 ℃時(shí)，泡孔平均尺寸較大，芯部泡孔較致密呈球形，表皮層呈拉伸后較致密的橢球形，泡孔合并較少，泡孔數(shù)目較多[2]。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，泡孔的平均直徑和泡孔密度如圖3所示。

■—泡孔平均直徑 ▲—泡孔密度 擬合曲線1 ——擬合曲線2圖3 泡孔密度和泡孔平均直徑隨模具溫度的變化Fig.3 The average cell diameter and cell density as functions of mold temperature

2.3 Moldex3D模擬分析與驗(yàn)證

首先用SolidWorks軟件進(jìn)行制品建模，將文件存為MDG格式,導(dǎo)入Moldex3D Designer中進(jìn)行網(wǎng)格前處理，建立流道、澆口、冷卻系統(tǒng)，設(shè)置好mesh文件導(dǎo)入到Moldex3D Project中創(chuàng)建任務(wù)進(jìn)行模塊化選擇、材料工藝過程等設(shè)定，最終分析填充保壓等結(jié)果。

模擬采用微孔注射發(fā)泡模塊，設(shè)置合理的材料特性，機(jī)臺參數(shù)以及工藝參數(shù)，預(yù)測制品在填充、保壓、冷卻成型過程中的行為，得到最終制品的質(zhì)量、泡孔尺寸、泡孔密度等結(jié)果進(jìn)行分析，如圖4所示[6-7]。

由圖5中可以看出，通過Moldex3D統(tǒng)計(jì)的泡孔平均直徑與泡孔密度隨溫度變化趨勢與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符合，在30～50 ℃ 時(shí)，泡孔大小有波動(dòng)，在50～80 ℃ 時(shí)，泡孔大小隨溫度升高而明顯增大；泡孔密度在隨模具溫度升高過程中逐漸在減少，其中在30～50 ℃ 范圍與60～80 ℃ 范圍變化較大。

圖4 Moldex3D模擬分析Fig.4 Moldex3D simulation analysis

●—泡孔平均直徑 ▲—泡孔密度 擬合曲線1 ——擬合曲線2(a)模擬結(jié)果 (b)實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖5 Moldex3D模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Comparison of simulation results of Moldex3D and experimental results

由圖6所示，隨著模具溫度的升高，泡孔尺寸標(biāo)準(zhǔn)差逐漸減小，說明泡孔尺寸隨著模具溫度的升高分布越來越集中，尺寸差異變小，泡孔更加均勻。

■—工藝條件一 ?—工藝條件二(a)統(tǒng)計(jì)圖 (b)尺寸分布圖圖6 泡孔標(biāo)準(zhǔn)差統(tǒng)計(jì)圖與尺寸分布圖 Fig.6 Standard deviation of cell size and size distribution

2.4 制品質(zhì)量模擬分析

如圖7所示，通過對比相同填充時(shí)間下的制品質(zhì)量圖，發(fā)現(xiàn)在相同時(shí)間下制品質(zhì)量隨著模具溫度的升高有明顯差異。模具溫度升高改善了熔體填充過程中的流動(dòng)性，減小了氣泡成核與長大過程中受到的阻力，氣泡生長狀態(tài)不同，影響最終制品質(zhì)量。

如圖8所示，根據(jù)模擬結(jié)果進(jìn)行減重比統(tǒng)計(jì)，隨著模具溫度的升高，制品減重比在30～50 ℃呈現(xiàn)降低的趨勢，在50～80 ℃呈現(xiàn)升高的趨勢并且與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符合。

圖7 制品質(zhì)量隨填充時(shí)間的變化 Fig.7 Product weight with filling time

■—注氣量1 % ●—注氣量1.2 % ▲—減重比1—擬合曲線1 2—擬合曲線2 3—擬合曲線(a)模擬結(jié)果 (b)實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖8 減重比隨模具溫度變化的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比圖Fig.8 Comparison of simulation results and experimental results of weight loss ratio with mold temperature

2.5 彎曲測試分析

■—彎曲強(qiáng)度 ——擬合曲線圖9 彎曲強(qiáng)度隨模具溫度的變化Fig.9 Bending strength as a function of mold temperature

如圖9所示，可以看出隨著模具溫度的升高，制品彎曲強(qiáng)度呈現(xiàn)出先增加后降低，再顯著增加的趨勢。對比未發(fā)泡制品彎曲強(qiáng)度為26.35 MPa，根據(jù)圖2分析，在溫度30 ℃時(shí)，泡孔較小分布比較均勻，但泡孔“孔壁”較厚，表現(xiàn)為彎曲強(qiáng)度接近未發(fā)泡制品強(qiáng)度；在溫度40 ℃時(shí)，泡孔尺寸增大，泡孔變致密，彎曲強(qiáng)度增加；在溫度40～60 ℃范圍，泡孔發(fā)生破裂，泡孔尺寸分布不集中，出現(xiàn)大泡孔，彎曲強(qiáng)度下降；在溫度70～80 ℃范圍，泡孔出現(xiàn)重新排布現(xiàn)象，泡孔更加致密，泡孔之間的間隙更小，彎曲強(qiáng)度得到顯著性增加，在溫度80 ℃條件下，彎曲強(qiáng)度為28.62 MPa，彎曲強(qiáng)度提升8.6 %[2-3]。

相同厚度、相同材料微孔發(fā)泡注塑制品彎曲強(qiáng)度受到泡孔密度、泡孔平均直徑、泡孔均勻程度的共同影響，其中，隨著模具溫度升高，由圖3所示，泡孔密度與泡孔平均直徑存在相反的變化趨勢，泡孔均勻程度也受到模具溫度影響，從統(tǒng)計(jì)結(jié)果中可以看出，在模具溫度70～80 ℃范圍，泡孔較致密，泡孔尺寸較小，泡孔密度較大，彎曲強(qiáng)度顯著性增加，即泡孔越小越均勻制品彎曲強(qiáng)度越大。

圖10 制品沖擊強(qiáng)度隨模具溫度的變化Fig.10 Curve of impact strength with temperature

2.6 沖擊測試分析

如圖10所示，對比未發(fā)泡制品的沖擊強(qiáng)度為7.6 kJ/m2，微孔發(fā)泡后制品的沖擊性能提升較大，且隨著模具溫度的升高，沖擊強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后降低再顯著增加的趨勢。模具溫度為80 ℃時(shí)，沖擊強(qiáng)度達(dá)到10.9 kJ/m2，沖擊強(qiáng)度提升43.4 %。根據(jù)圖2分析可以看出，發(fā)泡后制品具有典型的夾層結(jié)構(gòu)，表皮層附近的泡孔呈現(xiàn)被拉伸的橢球形，芯部泡孔呈現(xiàn)規(guī)整的球形，夾層結(jié)構(gòu)影響制品的沖擊強(qiáng)度[3]。

對比圖9與圖10可以看出，制品的彎曲強(qiáng)度與沖擊強(qiáng)度曲線隨溫度變化的趨勢幾乎保持一致，說明內(nèi)部泡孔結(jié)構(gòu)對彎曲強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度的影響相同，泡孔平均直徑越小，泡孔分布越均勻越致密，制品的彎曲強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度越大。

2.7 表面粗糙度測試分析

■—方向一 ●—方向二圖11 制品表面粗糙度隨模具溫度的變化Fig.11 Surface roughness versus temperature curve

如圖11所示，隨著模具溫度的升高，制品的表面粗糙度值整體呈減小趨勢，模具溫度30～50 ℃的范圍內(nèi)，制品表面還有明顯流痕和銀紋，但制品2個(gè)測量方向上的粗糙度值在減小，2個(gè)測量方向上的差異也在逐漸減少[8]；在溫度60 ℃時(shí)，制品表面幾乎沒有銀紋和流痕，在2個(gè)測量方向上，表面粗糙度值差異較大，在水平流動(dòng)方向上粗糙度值較小，在徑向方向上粗糙度值較大，制品表面的粗糙度值仍存在較大差異。溫度為70 ℃時(shí)，制品表面銀紋消失，在2個(gè)測量方向上的粗糙度值平均值最小為0.874 μm，且差異性為0.3 %。溫度80 ℃時(shí)，制品的2個(gè)測量方向上的粗糙度值較小，為0.895 μm，且差異性為1.9 %。為改善和減小制品表面粗糙度值，合適的模具溫度范圍為70～80 ℃。

模具溫度的升高，改善了溶解超臨界N2的單一均相溶體填充過程中，氣泡長大遇到冷模具而快速凝固成表皮層導(dǎo)致泡孔破裂氣體逸出的現(xiàn)象[4-5]。模具溫度的升高會促進(jìn)表皮層附近泡孔的長大，同時(shí)改善單一相溶體填充過程中的流動(dòng)性，最先接觸模具部分的溶體緩慢流動(dòng)和凝固，使部分破裂的泡孔進(jìn)行修復(fù)，改善表面質(zhì)量。

在溫度為50～60 ℃時(shí)，表皮層附近泡孔出現(xiàn)合并和破裂現(xiàn)象，導(dǎo)致表面質(zhì)量的差異性較大。在溫度70～80 ℃時(shí)，表皮層泡孔尺寸減小，泡孔更加致密和均勻，制品的表面質(zhì)量較好。

3 結(jié)論

(1)在一定范圍內(nèi)提高模具溫度，使制品泡孔增大、泡孔密度降低、泡孔的尺寸差異性降低分布更加集中、泡孔間隙減小、泡孔更加致密，間接導(dǎo)致制品減重比變化，直接影響制品的力學(xué)性能，直接影響制品的表面質(zhì)量；

(2)模具溫度為80 ℃時(shí)，制品彎曲強(qiáng)度提升8.6 %，沖擊強(qiáng)度提升43.4 %，對比彎曲強(qiáng)度與沖擊強(qiáng)度隨溫度變化趨勢圖，說明泡孔分布集中和致密有利于提升彎曲強(qiáng)度與沖擊強(qiáng)度；

(3)升高模具溫度，明顯改善制品表面流痕和銀紋的缺陷，其中在2個(gè)不同測試方向上制品表面粗糙度Ra值以及差異性隨溫度的升高而不斷降低，在70～80 ℃范圍，2個(gè)方向上的差異性僅為0.3 %～1.9 %，Ra值為0.874 μm；通過SEM圖觀察制品表皮層附近的泡孔結(jié)構(gòu)，隨著溫度的提升，制品表皮層附近的泡孔形態(tài)由過度拉伸的線條形變?yōu)轱枬M的橢球形，說明模具溫度升高，可以使表皮層泡孔形態(tài)修復(fù)，減小因?yàn)闅怏w逸出泡孔遇冷凝固造成的表面缺陷。