一种提高聚合物微发泡注射制品表面质量的方法与流程

本发明涉及一种提高聚合物微发泡注射制品表面质量的方法，属于聚合物材料的制备技术领域。

背景技术：

近年来，塑料注射制品被广泛应用，通过发泡则可以节约原料、降低注射压力及缩短成型周期，达到隔热、减震、隔音、提高冲击性能及尺寸稳定性等效果，同时，由于能够连续生产以及制品形状可以很复杂，这些使发泡注射或微发泡注射制品在包装、建筑、汽车工业、航天航空以及运动器材等行业中得到广泛的应用。但发泡注射或微发泡注射制品通常均会存在明显的外观缺陷，比如银纹、漩涡纹、表面起泡和气体破裂等表面缺陷，故应用于对制品外观要求较高的场合时就受到了限制。

一般认为，载气熔体在注入模具型腔时流动前沿在与型腔表面接触发生气体破裂是发泡注射制品表面质量差的主要原因。目前，国内外研究学者已经提出了一些通过改进模具和加工技术来提高发泡或微发泡注射制品表面质量的方法，较典型的有气体反压法、变模温技术、共注射成型以及其它一些辅助的工艺参数或成核速率调节技术等。这些技术可明显改善微发泡注射制品的表面质量，但在应用中均存在着不同的限制，而且一般均以牺牲材料的微发泡效果为代价，同时，除共注射成型技术以外，所述其它方法所得制品的表面质量仍然可能会比同等条件下常规注射制品差。

共注射成型机通常有两个或两个以上的塑化注射单元同时或相继工作以实现不同分层结构制品的加工生产，利用它可以实现制件表层和常规注射制品的表层一致而内部发泡，因而，其制件表面质量和常规注射制品表面质量可以一致。但欲实现共注射成型，需要共注射成型机等设备的投入，同时，共注射过程因为涉及两个注射单元的交替或相继工作，导致注射过程不连贯、两个注射单元存有差异等缺点，也限制了该技术的广泛应用。如何在没有共注射成型机的条件下，通过普通注射成型机中达到类似共注射成型发泡制件表面质量的效果目前仍然十分困难。

技术实现要素：

发明目的：本发明所要解决的技术问题是提供一种聚合物微发泡注射制品，该聚合物微发泡注射制品具有皮芯结构，其皮层与未发泡的注射制品完全相同，不具备外观缺陷，表面质量良好，同时其芯层的发泡质量也很好。

本发明还要解决的技术问题是提供一种提高上述聚合物微发泡注射制品表面质量的方法，该方法能够有效提高聚合物微发泡注射制品的表面质量，得到的微发泡注射制品的表面质量与未发泡注射制品完全相同。

技术实现要素：
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：

一种提高聚合物微发泡注射制品表面质量的方法，具体包括以下步骤：

步骤1，准备实心料和可发泡料；

步骤2，确定注射模具型腔的总体积，并确定实心料注满型腔时的总质量m1，可发泡料在注满型腔时的总质量m2；

步骤3，在注射生产开始阶段，确定注射机料筒前部可贮存残留物料的重量j1以及注射机完全采用实心料时每一个塑化行程(单一塑化行程)所需的实心物料量m1；从而计算得到实心料和可发泡料的首次添加量以及在添加发泡材料时单一塑化行程所需加入的实心料和可发泡料的质量；注射机料筒前部可贮存残留物料的重量j1可通过加不同料后对空注射称量后得出。

其中，实心料的首次添加量c＝w+a1；其中，w＝m1*n，a1＝m1*β+m1*(0.1～0.2)；n＝(j1/m1)+1；其中，j1为确定的注射机料筒前部可贮存残留物料的重量；m1为注射机完全采用实心料时每一个塑化行程所需的实心物料量；n为对空注射的次数；β为商品化软件模拟所得制品注射充填结束时的材料冷凝层因子；

其中，可发泡料的首次添加量d＝(m1-a1-a2)*(m1/m2)；a2＝m1*β；

其中，在添加发泡材料时单一塑化行程所需加入的实心料的质量a为皮层所需实心物料量a1加上末端所需实心物料量a2；a1＝m1*β+m1*(0.1～0.2)；a2＝m1*β；m1为注射机完全采用实心料时每一个塑化行程所需的实心物料量m1，β为商品化软件模拟所得制品注射充填结束时的材料冷凝层因子；

其中，在添加发泡材料时单一塑化行程所需加入的可发泡料的质量b＝d；

步骤4，按顺序往注射机中依次加入实心料的首次添加量c和可发泡料的首次添加量d，将注射机对空注射n次，对空注射的次数通过注射机料筒前部可贮存残留物料的重量j1以及注射机完全采用实心料时每一个塑化行程所需要的实心物料量m1计算得到，n＝(j1/m1)+1；

步骤5，在注射机对空注射n次后往注射机中加入单一塑化行程所需的实心料的质量a，开始第一次塑化；

步骤6，交替往注射机同一料斗中加入单一塑化行程所需的可发泡料的质量b和单一塑化行程所需的实心料的质量a，依次循环交替，制得具有皮芯结构的聚合物微发泡注射制品。

其中，步骤1中，所述实心料为聚合物树脂或其共混物，可发泡料由聚合物树脂或其共混物、载气改性母料以及发泡母料共混组成，可发泡料中，载气改性母料的加入量为可发泡料质量的1～10％，发泡母料的加入量为可发泡料质量的1～5％。

其中，实心料中的聚合物树脂或其共混物与可发泡料中的聚合物树脂或其共混物为同种或异种材料。

其中，所述发泡母料由如下质量份数的组分组成：载体树脂50～70份，发泡剂5～15份，发泡助剂的加入量为发泡剂加入质量的10％，填料5～20份，偶联剂的加入量为填料加入质量的1～5％以及分散剂5～20份。

其中，所述载气改性母料由如下质量份数的组分组成：载体树脂50～60份，相容性调节剂10～20份，熔体强度改性剂40～50份以及极性改性物0～21份。

载体树脂一般与待加工塑料的相容性较好，但不完全相容；弹性体、载体树脂等均相容性较好，且为能够提高待加工塑料气体溶解能力的物质，相容性调节剂选择与待加工塑料及载体树脂均相容性较好的物质，熔体强度改性剂为与待加工塑料相互匹配的弹性体，极性改性物为待加工塑料的极性接枝物。对待加工塑料为聚丙烯来说，其极性改性物料为聚丙烯接枝马来酸酐与聚丙烯接枝丙烯酸丁酯共聚物按质量比为2∶1的共混物。

其中，制得的具有皮芯结构的聚合物微发泡注射制品，所述聚合物微发泡注射制品的皮层与未发泡的注射制品完全相同，所述聚合物微发泡注射制品的芯层呈发泡结构。本发明聚合物微发泡注射制品在普通注射机中由实心料与可发泡料交替加入同一料斗中生产得来。

其中，根据商品化软件模拟所得制品注射充填结束时冷凝层比例乘以制品所需熔体总体积，再转算为物料质量，确定为皮层部分的实心料最小加入质量，实际皮层所需物料的a1为得到的实心料最小加入质量(m1*β)加上放宽的10～20％的比例，m1*(10～20％)，因此a1＝m1*β+m1*(0.1～0.2)。

根据商业化软件进行数值模拟所得注射充填结束时的冷凝层比例乘以制件所需熔体总体积，再根据制件厚度不同放大10％～20％之后，转算为皮层所用物料的质量，而芯部所用物料的质量则根据总质量与皮层所用物料质量的情况确定。

有益效果：本发明的在常规注射机中加工高表面质量微发泡制品的方法，具有以下优点：本发明制备方法无需任何专用设备，在普通注射成型机中即可实现生产，获得表面质量和常规注射制品一致而内部发泡的产品，且工艺简单，操作方便；因制品内部发泡更利于材料尺寸的稳定性以及防止表层收缩的效果，从而所制备产品的表面质量达到甚至超越普通注射制件；因制品内部大量微孔的存在，导致制品密度降低，重量减轻，节省了相应原料，提高了制品在隔音、隔热、防震等方面的性能，兼具了微发泡注射制品的一系列相应优点；可发泡料前后部均有实心料的阻隔，可发泡料在注射机料筒内受热产生气体后被前后阻挡，使得可发泡料所分解出来的气体可以得到更高效率的利用，发泡效果更明显；相比于现有发泡料，本发明所使用的可发泡料的载气能力(具有载气改性母料)有所提升，从而避免了可发泡料中的气体向前后部实心料大规模渗透的风险，保证了两种料(实心料和可发泡料)的共注射效果；最后，与常规注射发泡所得制品皮层中存在的少量泡孔具有和缺陷类似的破坏作用，本发明所得制品的皮芯层分布更明确，芯层的泡孔尺寸更小，泡孔密度更高，从而能够更有利于发挥皮芯层结构的各自力学性能优势，形成优势互补。

附图说明

图1为本发明的原料在注射机料筒及模具内分布状态示意图；

图2为本发明方法得到的聚合物微发泡制品与现有技术的常规注射发泡制品的外观效果对比；

图3为本发明方法得到的聚丙烯微发泡制品内部皮芯层结构扫描电镜结果；

图4为现有技术的常规注射聚丙烯微发泡制品内部皮芯层结构扫描电镜结果；

图1中，1为料筒内塑化的实心料，2为料筒内塑化好的可发泡料，3为螺杆，4为模具的定模，5为型腔内充填的实心料与可发泡料的分布情况，6为模具的动模；

图2中，a为使用本发明方法所得的微发泡注射制品，b为常规注射发泡所得制品。

具体实施方式

设备方面，需要一台普通的注射机和挤出机，注射机可以是液压传动、全电动或电液联合，该注射机无需加装自锁式喷嘴，模具温度采用循环热油加热的模温机进行控制，用于原料混合的挤出机可以是单螺杆或双螺杆式的，本发明所涉及原料均为市售。

实施例1

本实施例通过在普通注射机中生产高表面质量的聚丙烯微发泡制品，该工艺过程如图1所示，由图1可知，本发明所使用的实心料与可发泡料为交替加入、塑化和充填，最终形成表面实心、芯部发泡的微发泡制品。

具体的，主要实施步骤如下：

步骤1，制备发泡母粒：按照下面的质量称取原料：ldpe(低密度聚乙烯)：50kg，ac树脂(聚甲基丙烯酸甲酯)：5kg，zno：0.5kg，高熔点pe蜡：5kg，纳米二氧化钛：5kg，偶联剂kh550：0.25kg；将原料分别干燥后，在混炼机中混合均匀并通过双螺杆挤出机制得发泡母料，在挤出过程中熔体温度为120℃；

步骤2，制备载气改性母料：按照下面的质量称取原料：ldpe：50kg，eva弹性体(乙烯-醋酸乙烯共聚物)：5kg，abs(abs塑料是丙烯腈-丁二烯-苯乙烯的三元共聚物)：50kg，聚丙烯接枝马来酸酐：14kg，聚丙烯接枝丙烯酸丁酯共聚物：7kg；将原料分别干燥后，在混炼机中混合均匀并通过双螺杆挤出机制得载气能力改性母料，在挤出过程中熔体温度为190℃；

步骤3，准备实心料和可发泡料：其中，实心料为添加了颜料的聚丙烯，可发泡料为聚丙烯85kg、载气改性母料10kg和发泡母料5kg的混合物料；

步骤4，确定注射模具型腔的总体积，并确定实心料注满型腔时的总质量m1为30g，可发泡料在注满型腔时的总质量m2为26g；注射模具型腔的总体积可通过型腔尺寸计算出，分别用实心料和可发泡料注满型腔后形成制品后称量可得总质量；

步骤5，在数值模拟软件autodeskmoldflow中对制件的外形及其使用的模具进行建模，在对应的工艺条件下运行模拟，得出注射充填结束时的材料冷凝层因子为0.1，确定注射皮层所需要的实心料的总质量不低于30g*0.1，放宽总质量的10％后，计为6g；

步骤6，确定注射机料筒前部可贮存残留物料的重量j1为190g，调整注射机每一个塑化行程所塑化的物料量为m1，即为30g，确定实心料的首次添加量为：210g+6g，确定末端材料也为总质量的10％后，首次可发泡料对应的质量为(30-6-3)*26/30＝18.2g；

步骤7，往注射机中添加216g实心料后，再添加18.2g可发泡料，将注射机对空注射7次，对空注射7次后再加入实心料9g后塑化，进行第一次注射；

步骤8，交替往注射机同一料斗中加入18.2g可发泡料后再加入实心料9g，进行正常的循环工艺；

步骤9，得到表面质量与未发泡注射制品完全相同而内部发泡质量优异的微发泡注射制品，所制得的聚丙烯微发泡注射制品的外观形貌如图2中的a所示。在图2中，a和b图分别为使用本发明方法所得的微发泡注射制品和常规注射发泡所得制品，从图2可知，本发明所得制品的表面质量明显优于常规注射发泡制品。

另外，将实施例1所得到的聚丙烯微发泡制品和常规注射发泡所得聚丙烯制品分别脆断后在扫描电镜下观察截面形貌，并将其结果显示于图3和图4之中，通过对比可知，实施例1所得制品的皮芯层分布更明确，芯层的泡孔尺寸更小，泡孔密度更高，这更有利于发挥皮芯分层结构的各自力学性能优势，而常规注射发泡所得聚丙烯制品在皮层中存在少量泡孔(图4中的箭头指示的泡孔)，皮层中的泡孔会对制品的力学性能有类似缺陷一样的破坏作用。

实施例2

本实施例通过在普通注射机中生产高表面质量是聚丙烯微发泡注射制品，其具体的实施步骤如下：

步骤1，制备发泡母粒：按照下面的质量称取原料：ldpe：70kg，ac树脂：15kg，zno：1.5kg，高熔点pe蜡：20kg，纳米二氧化硅：20kg，偶联剂kh550：0.2kg；将原料分别干燥后，在混炼机中混合均匀并通过双螺杆挤出机制得发泡母料，在挤出过程中熔体温度为125℃；

步骤2，制备载气改性母料：按照下面的质量称取原料：ldpe：60kg，eva弹性体：20kg，abs：40kg，聚丙烯接枝马来酸酐：10kg，聚丙烯接枝丙烯酸丁酯共聚物：5kg；将原料分别干燥后，在混炼机中混合均匀并通过双螺杆挤出机制得载气能力改性母料，在挤出过程中熔体温度为190℃；

步骤3，准备实心料和可发泡料：其中，实心料为添加了颜料的聚丙烯，可发泡料为聚丙烯98kg、载气能力改性母料1kg和发泡母料1kg的混合物料；

步骤4，确定注射模具型腔的总体积，并确定实心料注满型腔时的总质量m1为50g，可发泡料在注满型腔时的总质量m2为45g；

步骤5，在数值模拟软件autodeskmoldflow中对制件的外形及其使用的模具进行建模，在对应的工艺条件下运行模拟，得出注射充填结束时的材料冷凝层因子为0.12，确定注射皮层所需要的实心材料总质量不低于50g*0.12，放宽总质量的20％后，计为16g；

步骤6，确定注射机料筒前部可贮存残留物料的重量j1为190g，调整注射机每一个塑化行程所塑化的物料量为m1，即为50g，确定实心料的首次添加量为：200g+16g，确定末端材料为总质量的10％后，首次可发泡料对应的质量为(50-16-5)*45/50＝26.1g；添加216g实心料后，再添加26.1g可发泡料；

步骤7，往注射机中添加216g实心料后，再添加26.1g可发泡料，将注射机对空注射4次，注射机对空注射4次后再加入实心料21g后塑化，进行第一次注射；

步骤8，交替往注射机同一料斗中加入26.1g可发泡料后再加实心料21g，进行正常的循环工艺；

步骤9，得到表面质量与未发泡注射制品完全相同而内部发泡质量优异的微发泡注射制品。

实施例3

本实施例通过在普通注射机中生产高表面质量的聚碳酸酯微发泡注射制品，该工艺具体的实施步骤如下：

步骤1，制备发泡母粒：按照下面的质量称取原料：abs：60kg，三嗪基二苯：10kg，氧化钡：1kg，高熔点pe蜡：10kg，纳米二氧化硅：20kg，偶联剂kh550：0.2kg；将原料分别干燥后，在混炼机中混合均匀并通过双螺杆挤出机制得发泡母料，在挤出过程中熔体温度为190℃；

步骤2，制备载气改性母料：按照下面的质量称取原料：abs：60kg，sebs弹性体(氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物)：15kg，pen(聚萘二甲酸乙二醇酯)：50kg；将原料分别干燥后，在混炼机中混合均匀并通过双螺杆挤出机制得载气能力改性母料，在挤出过程中熔体温度为260℃；

步骤3，准备实心料和可发泡料：其中，实心料为聚碳酸酯，可发泡料为聚碳酸酯90kg、载气能力改性母料5kg和发泡母料5kg的混合物料；

步骤4，确定注射模具型腔的总体积，并确定实心料注满型腔时的总质量m1为50g，可发泡料在注满型腔时的总质量m2为40g；

步骤5，在数值模拟软件autodeskmoldflow中对制件的外形及其使用的模具进行建模，在对应的工艺条件下运行模拟，得出注射充填结束时的材料冷凝层因子为0.10，确定注射皮层所需要的材料总质量不低于50g*0.10，放宽总质量的12％后，计为11g；

步骤6，确定注射机料筒前部可贮存残留物料的重量j1为190g，调整注射机每一个塑化行程所塑化的物料量为m1，即为50g，确定实心料的首次添加量为：200g+11g，确定末端材料也为总质量的10％后，首次可发泡料对应的质量为(50-11-5)*40/50＝27.2g；添加211g实心料后，再添加27.2g可发泡料；

步骤7，往注射机中添加211g实心料后，再添加27.2g可发泡料；将注射机对空注射4次，注射机对空注射4次后，再加入实心料16g后塑化，进行第一次注射；

步骤8，交替往注射机同一料斗中加入27.2g可发泡料后再加实心料16g，进行正常的循环工艺；

步骤9，得到表面质量与未发泡制品完全相同而内部发泡质量优异的微发泡注射制品。

本发明方法加工得到的微发泡注射制品表面质量与未发泡塑料制品完全相同，其具有明显的皮芯层结构，其皮层的质量和普通注射制品完全一致，而芯层的发泡质量好。