专利名称：微发泡注塑成型塑化装置及其生产工艺的制作方法
技术领域：
微发泡注塑成型塑化装置及其生产工艺，属于高分子材料加工领域。
背景技术：
一般发泡注塑成型工艺过程包括原料配混，熔融塑化，计量注射，膨胀充模，冷却定型，取出制品等阶段。
90年代末期，美国的Trexel公司推出了商业化的微孔发泡注塑成型机，其原理是将超临界流体注入到往复运动的螺杆注塑机内，采用了一套专用的超临界注气系统，实现超临界流体的流量计量和压力控制。在机筒上设置多个注气口，根据螺杆向后移动的位置而开启和关闭不同的注气口，实现向机筒内注气。螺杆设计的关键是在将物料输送至螺杆前部的区域时，应使超临界流体完全溶解到聚合物熔体中，形成完全均相的聚合物/气体溶液，该溶液在通过喷嘴时产生成核和发泡，从而形成微发泡制品。
以Trexel公司为代表的微发泡注塑成型技术，所拥有技术特征为螺杆在机筒内轴向移动时将发泡剂注入机筒内，然后将塑料与发泡剂相混合，并形成单相溶液，然后通过快速压力降，使泡孔生长，形成微发泡注塑制品。发泡剂通过质量流量计及发泡剂口注入到机筒内，发泡剂口位于机筒的上游端和下游端之间，通常为沿螺杆轴线方向布置两个，随着螺杆的移动而打开或关闭，注入口的另一端在发泡剂源上，发泡剂口具有众多小孔，然后在机筒内将发泡剂与塑料进行混合。
但通过大量研究发现，要实现微发泡注塑成型，聚合物熔体必须保持在一个较高的压力下，此时才能使物料中溶解较多的超临界流体，实现微发泡注塑。而对比美国Trexel公司现有的技术方案，发现要实现微发泡注塑成型，以下几个问题非常关键，1.机筒内的压力会将熔体压入安装在机筒上的注气嘴内，从而堵塞注气嘴，使超临界流体无法连续稳定地注入。
2.注入的超临界流体有可能流向螺杆的上游，从而自加料口冒出。
3.注射时螺杆前部的物料承受很高的压力，如果返流进入螺杆中部，会影响注气嘴，并使超临界流体向加料口流动。
螺杆塑化时将含有气体的塑料熔体推向螺杆前部，此时必须保持较高的压力，防止在螺杆前部产生预发泡，因此在机筒前端需要设置一个开关，使这部分熔体能够保持在一个较高的压力下，直至注射时，该开关打开，使物料进入模具。
发明内容
本发明的目的是采用往复螺杆式注塑机形式，将超临界流体连续稳定地注入到机筒中，通过螺杆旋转实现超临界流体与塑料的混合均化，并不断输送到螺杆前部，从而使整个塑化过程不存在超临界流体、或注射时螺杆前部的物料倒流以及在注塑前预发泡的现象。
本发明提供的一种微发泡注塑成型塑化装置，依次包括注射油缸1连接螺杆4，螺杆4位于在机筒2内，螺杆4前端的机筒内空间为储料区10，加料口3设置在机筒2上，注气系统8通过安装在机筒上的注气口6连接机筒2，在机筒2的最前端设计有喷嘴，其特征在于注气口6内设计一个单向止逆阀7；螺杆4的最前端设计一个头部止逆阀9；在螺杆4处于机筒2最前端时，在螺杆4上对应于注气口6的上游位置，设计一个中部止逆阀5；机筒2最前端的喷嘴为可控制开闭的喷嘴11。
所述的中部止逆阀5为反向螺纹形式、滑动环式、球单向阀式或弹簧转动式；所述的注气口6为烧结金属嵌套式结构；所述的单向止逆阀7为球式或锥形单向阀形式；所述的头部止逆阀9为滑动环式或球式；所述的可控制开闭的喷嘴11为机械控制喷嘴或电磁控制喷嘴，机械控制喷嘴中的驱动单元为液压、气动或机械结构。
本发明还提供了一种利用所述装置实现的微发泡注塑成型生产工艺，其特征在于，包括以下步骤1)塑料原料从安装在机筒2上的加料口3进入机筒2中，通过螺杆4的旋转，将塑料原料向螺杆下游输送，在此过程中塑料逐渐熔融；2)熔融的塑料流过中部止逆阀5，此时，注气系统8的气体流经安装在机筒2上的注气口6注入机筒2中熔融的塑料，气体与塑料熔体在机筒2中进行混合；
3)气体与塑料熔体的混合物流经头部止逆阀9后进入储料区10，在此过程中，机筒2前端的可控制开闭的喷嘴11处于关闭状态，注射油缸1保持油压，使处于螺杆前端储料区10中的物料保持7.5-40MPa的背压；4)当螺杆前端储料区10中所储存的气体与塑料熔体的混合物体积达到设定值(该设定值根据所注塑成型制品的体积来确定，这是本领域技术人员公知的常识)后，注气系统8停止注气，设置于注气口6中的单向止逆阀7关闭，此时，螺杆4停止旋转，其头部的头部止逆阀9关闭，而可控制开闭的喷嘴11打开，注射油缸1立刻推动螺杆4沿轴向移动，将储料区10中所储存的气体与塑料熔体的混合物通过打开的可控制开闭的喷嘴11注射进入模具中；5)注射完成后，通过注射油缸1使残存于螺杆前端的物料仍然保持6-20MPa的压力，直至模具中的制品冷却结束，这一段保压的时间取决于制品的形式(主要是壁厚)，模具的冷却效率，高分子材料类型以及操作工人的经验；6)打开模具，取出制品，完成合模后，螺杆4开始旋转并后退，进行下一次的工艺过程。
在所述的步骤4)中，当螺杆前端储料区10中所储存的气体与塑料熔体的混合物体积达到设定值后，注气系统8停止注气，设置于注气口6中的单向止逆阀7关闭，此时，螺杆4停止旋转，其头部的头部止逆阀9关闭，注射油缸1还可以继续保持油压一段时间(这段时间主要取决于模具中制品冷却、开模、制品顶出和合模过程所需的时间，该时间还取决于制品的形式(主要是壁厚)，模具的冷却效率，高分子材料类型以及操作工人的经验)，使螺杆前端储料区10中所储存的物料维持背压在7.5-40MPa，并一直保持至螺杆进行注射动作前，在此过程中，可控制开闭的喷嘴11处于关闭状态，进行注射时，可控制开闭的喷嘴11打开，注射油缸1推动螺杆4沿轴向移动，将储料区10中所储存的气体与塑料熔体的混合物通过打开的可控制开闭的喷嘴11注射进入模具中。
本发明的优点在于1.在注气口6的内部设计一个单向止逆阀7，该止逆阀的功能为使超临界流体能够在一定压力下通过注气口6进入机筒2内，但能够防止机筒2内的塑料熔体在任何压力条件下通过注气口6返流进入注气系统中。
2.当螺杆4处于注射完成的位置时(螺杆4处于机筒最前端)，在螺杆4上对应于机筒注气嘴位置的上游，设计一个中部止逆阀5，该中部止逆阀5的功能为使螺杆4在旋转时，上游熔融塑化的物料能够通过该止逆阀向螺杆下游输送，但能够防止从注气嘴11进入机筒2的超临界流体返流进入螺杆上游，并进一步从加料口3流出。该止逆阀也能够在螺杆4完成塑化处于停止时，及螺杆4在注射向前移动时，将螺杆下游及处于螺杆前端的含有超临界流体的塑料熔体封堵住，阻止其向螺杆上游返流。
3.在螺杆4的最前端，设计一个头部止逆阀9，该头部止逆阀9的功能为使螺杆4在旋转时，该阀打开，上游熔融塑化的物料能够通过该头部止逆阀9向螺杆4前部输送，该头部止逆阀9在螺杆9完成塑化处于停止时，及螺杆4在注射向前移动时处于关闭状态，将螺杆4前端塑料熔体封堵住，阻止其向螺杆4中部返流。
4.在机筒2的最前端，设计一个能够控制开闭的喷嘴11，只有在螺杆4沿轴向向前移动进行注射时，该喷嘴才打开，使含有超临界流体的塑料熔体通过该喷嘴进入模具，其他时刻该喷嘴都处于关闭状态，使机筒内部处于螺杆4前端储料区的熔体能够维持在一定的压力下而不泄漏。
以上四个结构在微发泡注塑成型过程中必须同时具备，否则无法实现连续稳定的微发泡注塑成型。
本发明的有益效果是利用本发明的装置和工艺制得的成品表面平整，没有收缩和翘曲痕迹，泡孔直径小，可达20微米以下，并且制品减重最高可超过30％，但刚性和强度都与实心制品一致。
图1本发明采用的往复螺杆式注塑机结构图；附图标记1.注射油缸，2.机筒，3.加料口，4.螺杆，5.中部止逆阀，6.注气口，7.单向止逆阀，8.注气系统，9.头部止逆阀，10.储料区，11.可控制开闭的喷嘴。
具体实施例方式
1.机械装置采用直径为40mm，长径比为28的往复螺杆式注塑机，塑料从加料口3进入机筒2，通过螺杆4的旋转将塑料向前输送，并使塑料熔融，塑料完全熔融后，流过一个设置在螺杆中部的中部止逆阀5，该止逆阀结构可为多种形式，如反向螺纹形式，滑动环式，球单向阀式及弹簧转动式等。
反螺纹式其螺纹旋向与螺杆上主螺纹的旋向相反，通过在反向螺纹的入口区域建立高压，防止下游的物料向螺杆上游返流。熔融塑料在经过中部止逆阀5后，就进入了注气区，在该区域，超临界流体通过注气口6进入到机筒2内的熔体中，注气口6位置设置一个止逆单向阀7，该单向阀在较高的气体压力下会打开，但如果熔体压力较高，则单向阀就在压力下关闭，使熔体无法进入注气系统。单向止逆阀7结构为球式，或锥形单向阀形式，注气口6也可设计为烧结金属嵌套式结构，有利于气体的分散进入和快速溶解，同时也能够在一定程度上防止注气口堵塞。
当熔体流过注气区后，通过一个螺杆头部止逆阀9，该止逆阀为滑动环式或球式。如果螺杆中部熔体压力较高，则滑动环与固定环脱离，或止逆球处于右侧，使熔体能够顺利通过，如果螺杆头部压力较高，则滑动环与固定环的侧面接触，或止逆球处于右侧，进行密封。
经过头部止逆阀9的熔体储存在螺杆前部，可控制开闭的喷嘴11此时处于关闭状态，所以螺杆前部的物料能够保持在较高的压力条件下而不发生流涎。可控制开闭的喷嘴11的开闭动作可通过机械结构或电磁来控制，机械控制喷嘴中的驱动单元可通过液压、气动或机械结构来实现。
2.成型工艺实施例1聚丙烯光盘盒的微发泡注塑成型用在机械装置的实施例中描述的注塑机成型聚丙烯微发泡光盘盒，聚丙烯为粒料(Basell的Meoplan，)，通过加料口3进入到注塑机的塑化系统中，注气口6将超临界二氧化碳注入到熔融的聚丙烯熔体中，通过螺杆4共混均匀后注射进入光盘盒模具中。采用的工艺是粒料在注射前进行预塑化，预塑化时保持熔体背压7.5-14MPa，预塑化完成后立刻进行注射，注射速度在100-160mm/s，注射后保持压力6-20MPa，直至下一次预塑化开始。
熔体温度165℃，模具温度45℃，螺杆塑化行程为70mm，注射压力为15MPa。
加工成型中，改变的工艺主要为注气压力，塑化时间，注气时间，螺杆转速，熔体背压和注射速度，通过改变这些工艺参数，得到了不同发泡倍率的制品，总体来说泡孔直径都非常小，通常在20微米以下，而制品减重最高超过20％。
工艺参数为
制品的统计数据
直接注塑成型的不发泡的聚丙烯光盘盒收缩率大，翘曲非常严重，上下两块很难合在一起，而微发泡的聚丙烯光盘盒几乎没有收缩，表面平整，光洁度高，很容易安装和使用，只是表面有银白色的流痕。
实施例2聚苯乙烯微发泡小盆的注塑成型用在机械装置的实施例中描述的注塑机成型聚苯乙烯微发泡小盆，聚苯乙烯为粒料(BASF的158K)，通过加料口3进入到注塑机的塑化系统中，注气口6将超临界二氧化碳注入到熔融的聚苯乙烯熔体中，通过螺杆共混均匀后注射进入小盆模具中。采用的工艺是粒料在预塑化完成后，通过注射油缸使螺杆仍然保持熔体背压7.5-30MPa，并直至注射前，注射完成后螺杆保持压力6-20MPa，直至下一次螺杆预塑化开始熔体温度160℃，模具温度35℃，螺杆塑化行程为65mm，注射压力为10MPa加工成型中，改变的工艺主要为注气压力，塑化时间，注气时间，螺杆转速，熔体背压和注射速度，通过改变这些工艺参数，得到了不同发泡倍率的制品，总体来说泡孔直径都非常小，通常在30微米以下，而制品减重最高超过30％。
工艺参数为
制品的统计数据
直接注塑成型的不发泡的聚苯乙烯小盆透明性好，由于是轴对称结构，所以收缩率及翘曲等问题均没有，但制品脆性很大，制品的浇口处在冷却后会产生银纹甚至大的裂纹，从1米高处摔下后会破裂或产生大的裂纹，在盆口边也容易产生裂纹。而微发泡的聚苯乙烯小盆显著改善了产品的脆性，各种摔、磕等均没有产生大的裂纹，只是局部产生凹痕，产品表面平整，光洁度高，表面带有银白色的流痕，沿充模方向。
实施例3丙烯酸-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)的共注塑微发泡成型喷墨打印机外壳将在机械装置的实施例中描述的注塑机成型装置的塑化系统安装在一台双色注塑机上，该塑化系统产生微发泡的芯层，而双色注塑机上的另一套塑化系统产生不发泡的制品皮层，这样制品就形成了微发泡结构的内部和致密皮层的外部结构。制品模具为喷墨打印机的外壳。原料为ABS粒料(镇江奇美的747)，通过加料口3进入到注塑机的塑化系统中，注气口6将超临界二氧化碳注入到熔融的ABS熔体中，通过螺杆4共混均匀后注射进入模具中。采用的微发泡注塑工艺是粒料在注射前进行预塑化，预塑化时保持熔体背压9-40MPa，预塑化完成后立刻进行注射，注射速度在160mm/s，注射后保持压力6-20MPa，直至下一次预塑化开始。不发泡皮层的注塑工艺与常规的ABS注塑工艺相同。
首先将ABS粒料在真空烘箱中80℃烘干6小时，注射时熔体温度180℃，模具温度65℃，微发泡螺杆塑化行程为150mm。
加工成型中，改变的工艺主要为注气压力，塑化时间，注气时间，螺杆转速，熔体背压和注射速度，通过改变这些工艺参数，得到了不同发泡倍率的制品，总体来说泡孔直径都非常小，通常在50微米以下，而制品减重最高超过30％。
工艺参数为
制品的统计数据
直接采用实心双色注塑成型的ABS不发泡的打印机外壳，内层为回收料，外层为新料，表面光洁度较高，但制品密度高，局部带加强筋和凸台的位置有收缩和翘曲痕迹。采用共注塑微发泡的ABS打印机外壳产品表面平整，光洁度高，没有流痕，与实心制品表面相同，制品重量减轻明显，但刚性和强度都与实心制品一致，并且任何位置都没有收缩和翘曲痕迹。
权利要求
1.一种微发泡注塑成型塑化装置，依次包括注射油缸(1)连接螺杆(4)，螺杆(4)位于在机筒(2)内，螺杆(4)前端的机筒内空间为储料区(10)，加料口(3)设置在机筒(2)上，注气系统(8)通过安装在机筒上的注气口(6)连接机筒(2)，在机筒(2)的最前端设计有喷嘴，其特征在于注气口(6)内设计一个单向止逆阀(7)；螺杆(4)的最前端设计一个头部止逆阀(9)；在螺杆(4)处于机筒(2)最前端时，在螺杆(4)上对应于注气口(6)的上游位置，设计一个中部止逆阀(5)；机筒(2)最前端的喷嘴为可控制开闭的喷嘴(11)。
2.根据权利要求1所述的一种微发泡注塑成型塑化装置，其特征在于所述的中部止逆阀(5)为反向螺纹形式、滑动环式、球单向阀式或弹簧转动式。
3.根据权利要求1所述的一种微发泡注塑成型塑化装置，其特征在于所述的注气口(6)为烧结金属嵌套式结构。
4.根据权利要求1所述的一种微发泡注塑成型塑化装置，其特征在于所述的单向止逆阀(7)为球式或锥形单向阀形式。
5.根据权利要求1所述的一种微发泡注塑成型塑化装置，其特征在于所述的头部止逆阀(9)为滑动环式或球式。
6.根据权利要求1所述的一种微发泡注塑成型塑化装置，其特征在于所述的可控制开闭的喷嘴(11)为机械控制喷嘴或电磁控制喷嘴，机械控制喷嘴中的驱动单元为液压、气动或机械结构。
7.一种利用权利要求1所述装置实现的微发泡注塑成型生产工艺，其特征在于，包括以下步骤1)塑料原料从安装在机筒(2)上的加料口(3)进入机筒(2)中，通过螺杆(4)的旋转，将塑料原料向螺杆下游输送，在此过程中塑料逐渐熔融；2)熔融的塑料流过中部止逆阀(5)后，注气系统(8)的气体流经安装在机筒(2)上的注气口(6)注入机筒(2)中熔融的塑料，气体与塑料熔体在机筒(2)中进行混合；3)气体与塑料熔体的混合物流经头部止逆阀(9)后进入储料区(10)，在此过程中，机筒(2)前端的可控制开闭的喷嘴(11)处于关闭状态，注射油缸(1)保持油压，使处于螺杆前端储料区(10)中的物料保持7.5-40MPa的背压；4)当螺杆前端储料区(10)中所储存的气体与塑料熔体的混合物体积达到设定值后，注气系统(8)停止注气，设置于注气口(6)中的单向止逆阀(7)关闭，此时，螺杆(4)停止旋转，其头部的头部止逆阀(9)关闭，而可控制开闭的喷嘴(11)打开，注射油缸(1)立刻推动螺杆(4)沿轴向移动，将储料区(10)中所储存的气体与塑料熔体的混合物通过打开的可控制开闭的喷嘴(11)注射进入模具中；5)注射完成后，通过注射油缸(1)使残存于螺杆前端的物料仍然保持6-20MPa的压力，直至模具中的制品冷却结束；6)打开模具，取出制品，完成合模后，螺杆(4)开始旋转并后退，进入下一次的工艺过程。
8.根据权利要求7所述的微发泡注塑成型生产工艺，其特征在于在所述的步骤4)中，当螺杆前端储料区(10)中所储存的气体与塑料熔体的混合物体积达到设定值后，注气系统(8)停止注气，设置于注气口(6)中的单向止逆阀(7)关闭，此时，螺杆(4)停止旋转，其头部的头部止逆阀(9)关闭，注射油缸(1)还可以继续保持油压一段时间，使螺杆前端储料区(10)中所储存的物料维持背压在7.5-40MPa，并一直保持至螺杆进行注射动作前，在此过程中，可控制开闭的喷嘴(11)处于关闭状态，进行注射时，可控制开闭的喷嘴(11)打开，注射油缸(1)推动螺杆(4)沿轴向移动，将储料区(10)中所储存的气体与塑料熔体的混合物通过打开的可控制开闭的喷嘴(11)注射进入模具中。
全文摘要
微发泡注塑成型塑化装置及其生产工艺，属于高分子材料加工领域。现有的发泡注塑成型设备中，注气口直接与发泡剂源相连，在注射时无法防止高压熔体进入到气体系统中或者气体沿着螺杆的螺槽向加料口流动而从机筒内部溢出的问题。本发明在注气口(6)内设计一个单向止逆阀(7)；在螺杆(4)的最前端设计一个头部止逆阀(9)；在螺杆(4)处于机筒(2)最前端时，在螺杆上对应于注气口(6)的上游位置，设计一个中部止逆阀(5)；机筒(2)的最前端为可控制开闭的喷嘴(11)。利用本发明的装置和工艺制得的成品表面平整，没有收缩和翘曲痕迹，泡孔直径小，可达20微米以下，并且制品减重最高超过30％，但刚性和强度都与实心制品一致。
文档编号B29C45/17GK1899800SQ200610088809
公开日2007年1月24日 申请日期2006年7月19日 优先权日2006年7月19日
发明者何亚东, 信春玲, 郭奕崇, 朱常委, 李庆春 申请人:北京化工大学