结构发泡与包覆成型新技术 - 文章

结构发泡与包覆成型新技术

作者：Mikell Knights 来源：PT《现代塑料》

在由SPI塑料加工联合会（APP）举办的2006塑料制品创新会议上，用于高质量结构发泡制品成型和包覆成型的新方法获奖。这些创新技术能够进一步优化成型工艺，并提高制品质量。

APP成员将最佳论文奖颁给了多伦多大学的Chul Park教授，以表彰他在将连续增塑方法应用到结构发泡成型中的研究；将第二名颁给了Battelle高级材料应用小组的Barry McGraw，以表彰他对不同材料在超声波焊接方面的研究。

“分离”结构发泡

Chul Park教授认为，用于结构发泡的传统设备仍然具有一定的缺陷，不容易保证制品的质量和一致性。

传统的结构发泡系统分为两步：固定的塑化挤出设备用于熔融树脂并将其混合，排出通过机筒上的孔注射进入的气体；注塞做往复运动，通过关断阀、喷嘴与挤出设备、模具相隔离。

该系统的缺点是，第一个关断阀不能完全分开或“减弱”塑化和注射的功能。显然，当注塞运行时，挤出设备和注塞之间的关断阀关闭，由于熔体无法向前运动，所以塑化挤出设备必须停止运行。直到注射和冷却过程完成，螺杆重新启动，然后关断阀开启。

这种不连续的塑化过程很容易引起机筒中压力的剧烈波动，直接影响到熔体流中的气体注射量。机筒中的压力波动还会引起聚合物/气体混合不均，气体不能完全溶解到聚合物中，导致气体/聚合物不能形成单相。制品中由于气体溶解不充分而容易形成很多气泡，特别是在沿着熔接线的位置。在结构发泡过程中，气泡失去控制最终导致密度不能有效降低，机械性能下降，产生表面缺陷，如表面漩涡、可见的熔接线以及形成穿过熔接线的颜色变化。发泡孔径比预期的大，泡孔密度比最佳情况低，泡孔分布不均匀。

多伦多大学的研究人员设计出一种新型结构发泡设备，它可以消除挤出机的间歇式操作，并将塑化/注气与注射阶段分离。这一尚未获批的专利技术开创了均匀的单相聚合物/气体解决方案，从而改善结构发泡制品的泡孔结构、空隙组分和表面质量。

通过正排量齿轮泵和熔体储料装置，该新设备实现了挤出机的连续操作。安装在挤出机之后的齿轮泵用于控制熔体压力，保持聚合物/气体比例一致。转速恒定的螺杆保持气体在聚合物中稳定溶解。齿轮泵的下游是液压控制的储料装置，接着是用于注塞的关断式喷嘴。当注塞上的阀关闭时，储料装置蓄积了一定量的聚合物/气体混合物。

第二种新型设备去掉了齿轮泵与阀之间的附加储料装置，而增加了一套新的注塞和关断式喷嘴。熔体分别进入到两个注塞中：当一个注塞筒进行填充时，另一个进行注射。

连接不同的树脂

根据Barry McGraw的研究，相对于粘合剂而言，利用超声波能量和粘接层将不相容的树脂焊接起来是一个新选择。更重要的是，在模具中，将两种不同材料焊接起来成为一种超声波的一种全新应用。

以前，用传统方法直接对PE和尼龙进行包覆成型基本是不可能。而现在用超声波能量可以实现这一目的。利用超声波能量可增加局部热量以提高模具中熔体的流动性，改善不相容材料间的界面键。

然而，单独使用超声波还是不够的，在非极性PE与极性尼龙之间增加一个粘接层是必要的。Battelle研究了MDPE在预成型尼龙66和尼龙12嵌件上的注塑成型过程。粘接层是一种乙烯-丙烯酸（6.5％）共聚物挤出薄膜，厚度为0.51～0.76mm。

每种聚合物成型为“狗骨”型测试样品，接着样品被切成两半。其中一半被用作包覆成型嵌件。一片粘接层薄膜包裹在模具中的嵌件上，在模具里产生固体/熔体界面。接着第二种材料被注射进粘接层。

Battelle的研究人员开发了一种特殊的模具。在该模具中，超声波焊头被置入到焊接界面附近的模腔中。当注射材料经过一定程度的冷却后，超声波焊头通过机械振动提供焊接能量。一台40kHz的换能器与一个铝焊头相连，焊头尖嵌入到模腔内表面。一些制品使用超声波成型而不使用粘接层，另一些正相反。

在进行包覆成型后，通过拉伸测试设备分别对样品进行拉伸以测试粘合效果。拉伸屈服强度和最终的伸长率用于评定粘合强度。三种材料样品的平均强度值为：MDPE为1986psi（1psi=6.89kPa），尼龙66为9091psi，尼龙12为5031psi。

未采用粘接层和超声波焊接时，两种材料连无法连接。当MDPE被注射到尼龙66或尼龙12嵌件上时，PE的熔融温度为450oF。尼龙66的粘接强度为536psi，尼龙12的粘接强度为609psi，仅为PE的1/3。

更理想的方法是用粘接层将尼龙注射到PE嵌件上，熔体温度分别是540oF和390oF。尼龙66的拉伸屈服强度为1769psi，尼龙12的拉伸屈服强度为1203psi，分别为PE的92％和63％。研究人员认为，尼龙66的高熔融温度能够提供更多的粘合热能。同时，尼龙的熔体粘度低于PE，特别是在超声振动的影响下，与在注射PE时渗透到尼龙中的材料量相比较，在注射尼龙时有更多的材料渗透到PE表面。

在伸长率的数据中也会看到相似的结果。在单一材料的测试中，MDPE的屈服在最终伸长率的23.5%时断裂，而尼龙66为16.4%，尼龙12为7.8%。当PE被注射到尼龙66或尼龙12嵌件上时，平均伸长率分别为1.5%和1.9%。但是当尼龙66或尼龙12被注射到PE嵌件上时，平均伸长率分别为8.7% 和3.2%。(end)

(投稿) (2008-1-8，阅读529次)

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