微孔塑料的注射工艺和模具设计

1.注射工艺

微孔塑料注射工艺与传统的不发泡塑料的工艺过程有许多不同之处。这里从熔体黏度、超临界流体注入控制和改善注塑件表面质量三个方面进行讨论。

图13-38 二氧化碳对ABS熔体的影响

◆—没有气体 ■—3%CO₂ ▲—8%CO₂ ●—12%CO2

（1）熔体黏度 超临界流体降低了熔体的黏度。图13-38所示为188℃时，二氧化碳对ABS熔体在流动剪切速率下的黏度的影响。在较低的剪切速率下，黏度下降更为明显。含氮气或二氧化碳的大多数聚合物熔体黏度都有下降。但是，含有填料的塑料熔体黏度变化不明显，这是因为填料不溶解超临界流体。

低黏度物料的流动充模给注射工艺带来重大影响：注射压力可以降低；型腔压力大致在25MPa以下，是常规压力的一半，因此锁模力可大幅度下降，以致成型注塑件的残余应力下降，减少了制品的翘曲变形；注塑件的壁厚可以减薄；模具中流道截面可以减小；模具温度一般比不发泡注射还低些。

（2）超临界流体注入控制 超临界流体的用量、注射器的开启时间和工艺压力控制，是微孔塑料注射的新工艺，需多次测试，确保注塑件的质量。

通常气体能溶于聚合物的超临界流体的最大量：氮气为1.5%～2.0%，二氧化碳为5%～7%。随着发泡剂浓度的提高，需要增加工艺压力保持气体溶解在聚合物熔体中。氮气所产生的泡孔尺寸比二氧化碳小，而且更均匀。各种塑料的氮气用量见表13-3。二氧化碳用量是氮气用量的3倍左右。

表13-3 各种塑料的氮气用量

注射器开启时间在螺杆旋转塑化，即计量后退过程的20%～70%之间。至少在塑化开始的1s之后。注射器打开的时间段t很重要。该时间应能保证超临界发泡剂能充分混合并溶入聚合物熔体。

发泡剂的流率q乘上注射器注入的时间t，就是超临界流体的用量M_SCF（g）。

M_SCF=0.278qt （13-7）

式中 q——SCF的流量（kg/h）；

t——注射SCF的时间（s）。

超临界流体（SCF）注入熔体的压力在塑化的注入时间段（t），与料筒内熔体压力相等。合适的压力为14～24.5MPa。SCF注射器开启后，SCF的压力波动不应超过1.4MPa。

（3）外观质量的优化 微孔塑料注塑件没有凹陷的缺陷，制件的尺寸稳定。但不能期望有上好的表面质量。微孔塑料注塑件一般不用做外露的装饰件，而用于内置的结构件。为优化微孔塑料注塑件的表面质量，可换用氮气作为发泡剂，也可降低超临界流体的用量，注射速率先慢后快，提高熔体和模具的温度，还可以在塑料中添加填料，更有在模具型腔表面刻蚀纹饰，采用白色或浅灰着色。超临界流体的用量和注射速率是影响外观质量的主要因素。熔体温度和模具温度的影响程度较小。

气体发泡剂的逸出，在模腔壁面冷却作用下，注塑件上会有发白的银纹和流动痕迹。气体在注塑件表层内外夹气，形成大小气泡。下述的内泡气囊、表面气泡和爆胀问题必须克服。

1）内泡气囊。出现在注塑件上的内泡气囊直径为6～10mm，有时更大，也有爆裂的可能。气囊的内壁光滑，也有较厚的泡壁。其成因是气体发泡剂没有溶于聚合物熔体。它具有较大的气压使泡壁膨胀。延长冷却时间不能消除内泡。

不含填料的结晶型塑料（如聚烯烃和聚甲醛）的注塑件中，经常会出现内泡气囊，也可见于ABS注塑件。提高微孔塑料注射工艺压力和熔体温度会有一定效果。调节超临界流体的用量达到最佳值是最有效的途径。

2）表面气泡。在注塑件的表面产生1mm以下的小气泡。它的表皮很薄，一般出现在浇口附近，常见于不含填料的聚烯烃、聚甲醛和聚碳酸酯注塑件中。

产生表面气泡原因是物料流经浇口时剪切速率过高。降低注射速度和改进浇口设计，可避免产生气泡。

注塑件上产生内泡气囊和表面气泡都有可能是由于发泡剂与聚合物的不相溶。如果在用氮气做发泡剂产生表面气泡，可考虑换用二氧化碳。

3）爆胀。当模具不能及时有效地冷却微孔塑料注塑件时，在开模瞬时的局部位置温度过高，微孔中的内压不被塑料刚性约束，以致注塑件上的这些位置上出现爆胀。爆胀在开模后仍有发生。

产生爆胀的原因是成型的注塑件上有热区。因此，改进注塑件和模具冷却系统设计是最根本的措施。在注射生产中可降低模具调节温度，延长冷却时间。

2.微孔塑料注塑件和注射模设计

微孔塑料注塑件和注射模设计以传统设计为基础，又要注意区别。

（1）注塑件设计

1）减轻质量。微孔塑料制品的减轻质量幅度是用流程比考虑的。如图13-39所示，一般流程比为100∶1的注塑件，减轻质量不超过15%。一般流程比为150∶1的注塑件，减轻质量不超过10%。流程比是流程长度L与流程厚度t之比。在考虑流程比时，应该把注塑件从浇口算起，并将主流道算起的浇注系统的流程比累加在一起。

图13-39 微孔塑料制品的减轻质量与流程比的关系

□—上限 ●—下限

2）壁厚。微孔注塑件没有壁厚的限制，可以生产无凹陷的厚壁注塑件。常见的壁厚在4mm以下。大于壁厚4mm的注塑件要延长冷却时间。微孔塑料注射的优势在于能生产薄得多的制件。在注射0.3mm壁厚的注塑件时，仍能减轻质量4%～8%。尽管壁厚的确定有较大的范围，要更多地减轻质量，充模流程必须缩短或者增加壁厚。

3）肋和凸台。微孔注塑件上的肋和凸台，有良好外观，没有凹痕。肋的高度不应超过公称壁厚的3倍。过高的塑料肋会夹气。肋的每侧斜度为1°，肋的根部半径为1mm。

凸台的根部和转角处应有1mm的圆角半径。小于2.5mm壁厚的凸台高度方向应有斜度。台顶的壁厚为根部的0.8壁厚，不能过大。凸台孔的型芯应该用传热效率高的金属。型芯要有足够的刚性，安装稳固。凸台部位的排气要畅通。(https://www.xing528.com)

（2）注射模设计 微孔塑料的注射模设计应遵循以下的原则。其中流动平衡和模具冷却最为重要。

1）热流道技术的应用。微孔塑料的注射模采用热流道技术，必须用针阀式可控制的喷嘴，以保证热流道内的饱和超临界流体的聚合物熔体，能承受10～17MPa的压力，防止熔料在热流道中发泡。热流道的阀式喷嘴在24MPa下不泄漏。另一个要求是一模多腔的热流道系统，必须实现完全的流变平衡设计，使所有型腔能被均衡注射充填。非均衡充模会使各型腔成型的注塑件的料量有差异。

2）成型收缩率。微孔注塑件依靠泡孔内压补缩。注塑件的收缩率比较均匀。未充填的微孔塑料的成型收缩率与减轻质量的幅度关系很小。与传统的塑料注射成型收缩率相同。玻璃纤维充填的微孔塑料也同样一致。充填颗粒填料如滑石粉的塑料，其微孔塑料成型收缩率随减轻质量增大，有轻微减小。而PC/ABS和PPO/HIPS等混合塑料，其微孔塑料成型收缩率随减轻质量增加，有稍微提高。

3）冷流道和浇口。主流道、分流道和浇口的设计，要考虑如下因素。

①溶有超临界流体的聚合物熔体黏度较低。微孔塑料的注射不依靠保压补缩，不需要传递保压压力。因此，与传统的冷流道截面相比，尺寸要小。

②微孔使塑料的导热性更差。如果流道中物料截面过大会增加冷却时间，以致增长注射周期。

③流道中塑料承受泡孔的内压，冷却固化后与流道壁面有较大的粘附力。在浇注系统的设计中要考虑流程比。因为流道截面越大，流程比越小，得到的注塑件减轻质量越大。并与注塑件的流程比累加在一起，受图13-39上减轻质量的限制。

图13-40 微孔塑料注射模的主流道

1—定模板 2—梯形分流道 3—转角处加扩锥面 4—高导热材料制造的冷却杆 5—推顶套 6—冷却水管 7—主流道杯

④微孔塑料的注射模上的主流道如图13-40所示，与传统的模具相比，其区别如下：

Ⅰ主流道长度小于50mm。

Ⅱ主流道入口直径稍微大于注射机喷嘴的口径。

Ⅲ主流道用2°～6°的斜度。

Ⅳ主流道与分流道的转角处采用2～3mm半径的大圆角；或者如图13-40所示，在分流道上方高5mm，加扩锥面的半径2～3mm。

Ⅴ对主流道杯要加强冷却，增设冷却管道。

Ⅵ在主流道的末端，伸入导热材料制造的冷却杆（图13-40）可减少转角处的物料，有利冷却固化；添置推顶套，在定模中拉下主流道凝料后，将流道凝料从动模上推出。

所有的浇口类型在注射微孔塑料制品时都能采用，但潜伏式弯曲进料的小浇口很难采用。同流道截面设计一样，因物料黏度较低，浇口的截面比传统注射模可以小些。但过小浇口截面，会造成注射熔体的剪切速率过高，使制件材料烧伤变质。

对于应用点浇口的双分型注射模，点浇口引导圆锥的长度应小于10mm，有较大的斜度角。这样可便于脱模。在流道的转角或相交处应有较大圆角。而且此流道板必须设置独立的冷却水路，有效冷却流道中的塑料。

选择浇口的位置，应该考虑塑料熔体充填型腔时流动均匀舒展，让注塑件在最低的压力下发泡，得到更大的减轻质量。与传统注射模相反，如果注塑件的壁厚厚薄有差异，则应将浇口设置在薄壁位置。因为微孔塑料的注射，不需要物料在保压时传递压力。这样能得到较大减轻质量的注塑件。此外，微孔塑料制品上的浇口位置，一般不会考虑是否有碍外观。微孔塑料注射制品外观不佳，通常只安装在装备的内部。

4）排气。微孔塑料在低压下注射流动，依靠泡孔的内压充填型腔，很难将型腔中原有气体排除，容易在注塑件中夹气和生成气囊。模具排气不良，会增加注塑件中的内应力，也会使制品的减轻质量最小。更会使塑件的周边和边远部位欠注。纠正排气可使注塑件减轻质量从5%增加到10%左右。

排气主要利用分型面。微孔塑料注射成型时降低闭合的锁模力，也是促使排气的有效途径。在注射操作时降低锁模力，直到分型面产生溢料。模具设计和制造时，在分型面上开设排气槽，也可利用拉料杆和顶杆头与装配孔之间的间隙排气，并且在型芯或镶块的配合面上设置排气缝隙槽。

与传统的注射模相比，其排气设计有以下特征：

①分型面上排气槽的宽度可增加到5～12.5mm。

②排气槽的缝隙深度可取传统数值范围的最大值。

③在塑料熔体最后的充填部位，分型面上排气槽的宽度可增加50%～75%。

④排气槽的气流方向的长度，不超过0.5～1mm。

⑤拉料杆和顶杆的配合段留有0.04～0.05mm间隙或细槽，供排气。

⑥分流道的每个换向转角处要有排气设置。

⑦过高和过厚的凸台和肋，要设置排气口。

⑧侧滑块上也应该有排气缝隙通道。

5）冷却系统。微孔塑料注射模的冷却系统有更高的要求。有效均匀地冷却注塑件是注射成型的关键。注塑件的冷却不均匀，不但延长冷却周期，还会在过热位置的表面产生爆胀。因此有如下建议：

①采用导热性好的铍铜做型芯，或者做型芯中的镶嵌件。在不能设置冷却管道的热区，用铍铜制成导热销，用冷却水直接冷却长销的一端。

②双分型面的型腔板，还有侧向滑块都设置独立的冷却回路。

③保证充足的冷却水流量，使冷却水在管道中处于紊流状态。