一种聚合物微孔发泡材料的注塑成型装置和工艺及其应用的制作方法

本发明属于聚合物泡沫材料领域，尤其涉及一种泡孔密度高、泡孔结构均匀的聚合物微孔发泡注塑成型装置和工艺及其应用。

背景技术：

本发明背景技术公开的信息仅仅旨在增加对本发明总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

聚合物微孔发泡注塑是一种以热塑性塑料为基体、以超临界流体(一般为超临界n2或超临界co2)为物理发泡剂，生产内部含有大量泡孔结构制件的微孔塑料成型工艺，具有节省材料、降低能耗、提高产品尺寸精度和缩短成型周期等特点，在产品轻量化、工艺绿色化方面呈现出显著优势，近年来得到了国内外的广泛关注。然而，目前微孔发泡注塑聚合物产品仍存在内部泡孔密度较低、泡孔结构不均匀等问题，限制了微孔发泡注塑技术及其产品的进一步推广和应用。

为解决上述问题，人们先后利用精确开模技术、气体反压技术以及注射后压缩技术等方法，实现了微孔发泡注塑产品内部泡孔密度和泡孔结构的改善，但改善效果仍不理想。微孔发泡注塑成型过程中存在“填充过程中发泡”和“填充结束后发泡”两个发泡过程。前者受填充过程中流动前锋处熔体压力降及其流动行为的影响显著，导致产品末端泡孔出现破裂和变形；后者受填充结束后熔体压力降分布的影响明显，而射胶结束时熔体各处的压力降通常是不均匀的，由此导致产品内部泡孔结构也相应出现变化；同时由于微孔发泡注塑熔体在填充结束后的发泡空间和发泡能力有限，上述因素共同造成了微孔发泡注塑产品泡孔密度低和泡孔结构不均匀等问题。

中国专利文献201110003791.x公开了“一种微孔聚合物材料的可控制备方法及其装置，提供了一种通过调节装置型腔的体积和温度、获得微孔聚合物材料的方法。然而，本发明人认为：该方法主要针对传统化学发泡方法进行改进，未考虑物理发泡方法的适用性。

中国专利文献201610654452.0公开了一种具有均匀微孔的注塑级增强聚丙烯母料，用该母料可以制备泡孔均匀的发泡成形体。然而，本发明人认为：该方法仅针对发泡聚丙烯母料的改性设计，难以拓展到其他塑料原料的微孔发泡注塑工艺。

中国专利文献201610270600.9公开了一种发泡倍率高、表面无泡痕的微孔发泡注塑工艺，其将发泡过程分为两个阶段，首先采用高型腔压力、高注射压力和高保压压力，通过注塑成型的方式制备由塑料和发泡剂组成的未发泡预制坯，然后将未发泡预制坯放入另外一个具有更大空间的模具型腔中加热进而诱导发泡，以获得具有高孔隙率、高外观品质的发泡塑件。然而，本发明人认为：这种方法需要两套成型模具，且工序多，效率低。

中国专利文献201810820266.9提供了一种采用物理化学混合发泡剂的微孔发泡及模内装饰复合成型的开模方法，以达到改善产品的表面质量，提高泡孔的成核效率和改善泡孔的分布的目的。然而，本发明人认为：物理、化学发泡剂两者的形核机理不同，该方法并未对此进行区分，也尚未就开模方法相关的开模距离控制、模温控制等进行详细的描述。

技术实现要素：

针对上述的现有技术中存在的一些问题，本发明认为：消除填充过程中发泡过程的影响并给予填充结束后熔体均匀的压力降和充分的发泡空间以及发泡能力是有效提升微孔发泡注塑产品泡孔密度和泡孔结构的关键。为此，本发明旨在提供一种能够良好调控微孔发泡注塑填充过程中发泡过程和填充结束后发泡过程的影响因素，有效提升微孔发泡注塑材料的泡孔密度和泡孔结构的微孔发泡注塑成型工艺及应用。

本发明的第一目的，是提供一种聚合物微孔发泡材料的注塑成型装置。

本发明的第二目的，是提供一种聚合物微孔发泡材料的注塑成型工艺。

本发明的第三目的，是提供所述聚合物微孔发泡材料的注塑成型装置及工艺的应用

为实现上述发明目的，本发明公开了下述技术方案：

首先，本发明公开一种聚合物微孔发泡材料的注塑成型装置，包括：微孔发泡注塑模具、变模温控制系统、微孔发泡注塑机、超临界流体发生与计量控制系统和超临界流体气源；其中，所述变模温控制系统与微孔发泡注塑模具中的冷却装置、加热装置均连接，且所述变模温控制系统与微孔发泡注塑机的控制系统连接；所述超临界流体气源通过气体管路与超临界氮气发生与计量控制系统连接，并经超临界氮气发生与计量控制系统与微孔发泡注塑机中的料筒连接，所述料筒通过气动喷嘴与微孔发泡注塑模具连通。

作为进一步的技术方案，所述变模温控制系统通过阀门管路与微孔发泡注塑模具中的冷却装置连接。

作为进一步的技术方案，所述变模温控制系统通过控制电路和微孔发泡注塑模具中的加热装置连接。

作为进一步的技术方案，所述变模温控制系统通过电子线路与微孔发泡注塑机的控制系统连接。

作为进一步的技术方案，所述冷却装置为设置在模具中的循环冷却水管，所述加热装置为设置在模具中的电热棒。

作为进一步的技术方案，所述变模温控制系统对所述微孔发泡注塑模具的温度控制范围为30～220℃。

作为进一步的技术方案，所述微孔发泡注塑机优选为电动注塑机，可以实现精确的二次开模控制。

作为进一步的技术方案，所述超临界流体气源包括氮气、二氧化碳等。

其次，本发明公开一种聚合物微孔发泡材料的注塑成型工艺，包括如下步骤：

(1)塑化工艺：将超临界流体与塑化的聚合物熔体混合形成均一的单相溶液，塑化过程中保持塑化环境为高压状态，防止塑化的熔体提前发泡；

(2)模具加热与微孔发泡熔体填充：启动对模具的加热，当模具温度达到预设的温度值时，将单相溶液注入到模具型腔中，直至填满型腔；

(3)模具高温保持与保压：填满型腔后，保持温度在设定的温度值，注塑工艺进入保压阶段，利用保压过程提供的压力和时间条件推动熔体继续填充模具型腔，使填充过程中发泡形成的泡孔重新溶入到熔体中，熔体恢复到未发泡状态，使溶体获得均匀的高保压压力状态；

(4)保压卸除与第一次开模：继续保持模具温度在设定的温度值，保压卸除的同时进行第一次开模，使熔体经历均匀分布的高保压压力降，并给予熔体充足的发泡空间进行填充结束后发泡；

(5)模具冷却与第二次开模取件：待熔体发泡完全，停止对加热模具，冷却模具至产品定型，开模取件，即得。

作为进一步的技术方案，步骤(2)中，所述的模具加热过程中的温度预设值为塑料原料的玻璃化转变温度或结晶温度范围，以防止熔体填充过程中的过早冷却和冷凝层的形成。

作为进一步的技术方案，步骤(3)中，所述保压工艺的压力范围为10～30mpa，保压时间范围为5～30s，以保证填充过程中发泡形成的泡孔重新溶入到熔体中。

作为进一步的技术方案，步骤(4)中，所述第一次开模距离范围为2～10mm。

本发明工艺的特点之一是：步骤(4)中，保压卸除的同时进行第一次开模，即所述保压工艺结束与一次开模动作为同一时刻，以确保熔体保压结束后压力降均匀和发泡空间的充足。

本发明工艺的特点之二是：步骤(2)～(4)中，所述模具保温过程从熔体填充开始，一直持续到保压工艺结束，以保证熔体在该过程中始终不冷凝。

最后，本发明公开所述聚合物微孔发泡材料的注塑成型装置和注塑成型工艺在包装材料、飞机和汽车零部件、运动器材以及生物医学材料等的制备中的应用。

与现有技术相比，本发明取得了以下有益效果：

(1)本发明将保压工艺、二次开模工艺、变模温控制技术与传统微孔发泡注塑工艺相结合，利用保压工艺中较高的保压压力和较长的保压时间使填充过程中发泡形成的泡孔重新溶入填充模具后的熔体中，令熔体恢复未发泡状态并获得一个均匀的高保压压力状态；利用二次开模工艺中的第一次开模使熔体经历均匀分布的高保压压力降，并给予熔体充足的发泡空间进行发泡，同时利用变模温控制技术在熔体填充和保压工艺作用过程中保持较高的模具温度，延缓熔体冷却，以保证保压结束一次开模时熔体仍有较高的温度可以进行发泡。

(2)本发明设计的工艺可有效消除传统微孔发泡注塑熔体填充过程中发泡的影响，使熔体恢复未发泡状态并完全转变为填充结束后发泡过程，同时还通过控制熔体发泡空间、压力降以及模具温度，实现产品泡孔密度和泡孔结构的良好调控。

(3)与常规微孔发泡注塑产品相比，本发明成型的微孔发泡注塑产品发泡倍率更高，泡孔结构更规整、更均匀。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明实施例1中聚合物微孔发泡注塑成型装置的结构示意图。

图2为本发明实施例1中微孔发泡注塑模具的结构示意图。

图3为本发明实施例3中聚合物微孔发泡材料的制备工艺流程图。

图4-6分别为本发明实施例3中方案1-3制备的微孔发泡注塑产品的内部泡孔结构。

图7为本发明对比例制备的微孔发泡注塑产品的内部泡孔结构。

图中标记代表：1-微孔发泡注塑模具、2-变模温控制系统、3-微孔发泡注塑机、4-超临界流体发生与计量控制系统、5-超临界流体气源、6-料筒、7-冷却装置、8-加热装置、9-气动喷嘴。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所述，消除填充过程中发泡过程的影响并给予填充结束后熔体均匀的压力降和充分的发泡空间以及发泡能力是有效提升微孔发泡注塑产品泡孔密度和泡孔结构的关键。因此，本发明提出一种聚合物微孔发泡材料的注塑成型装置和工艺；现结合附图和具体实施方式对本发明进一步进行说明。

实施例1

一种聚合物微孔发泡材料的制备装置，参考图1和2，包括：微孔发泡注塑模具1、变模温控制系统2、微孔发泡注塑机3、超临界流体发生与计量控制系统4和超临界流体气源5；其中，所述变模温控制系统2与微孔发泡注塑模具1中的冷却装置7、加热装置8均连接，且所述变模温控制系统2与微孔发泡注塑机3的控制系统连接；所述超临界流体气源5通过气体管路与超临界氮气发生与计量控制系统4连接，并经超临界氮气发生与计量控制系统4与微孔发泡注塑机3中的料筒6连接，所述料筒6通过气动喷嘴9与微孔发泡注塑模具1连通。

实施例2

一种聚合物微孔发泡材料的制备装置，同实施例1，区别在于：所述变模温控制系统2通过阀门管路与微孔发泡注塑模具1中的冷却装置7连接；所述变模温控制系统2通过控制电路和微孔发泡注塑模具1中的加热装置8连接；所述变模温控制系统2通过电子线路与微孔发泡注塑机3的控制系统连接；所述冷却装置7为设置在模具中的循环冷却水管，所述加热装置8为设置在模具中的电热棒；对所述微孔发泡注塑模具1的温度控制范围为30～220℃；所述微孔发泡注塑机为电动注塑机。

实施例3

利用实施例2所述的装置制备聚合物微孔发泡材料的方法，包括如下步骤：

(1)塑化工艺：所述聚合物微孔发泡注塑工艺开始时，微孔发泡注塑机3进行聚合物固体粒料的熔融塑化，在塑化过程中，通过超临界流体发生与计量控制系统4将超临界流体被注射到微孔发泡注塑机3的料筒6中与熔融的聚合物熔体混合形成均一的单相溶液，并在料筒6中保持高压状态(15～20mpa)，防止熔体提前发泡；变模温控制系统2与微孔发泡注塑机3和微孔发泡注塑模具1连接，并保持待机状态。

(2)模具合模、加热与微孔发泡熔体填充：微孔发泡注塑模具1合模后，变模温控制系统2发出指令，接通电热棒所在电路，对微孔发泡注塑模具1进行加热；当模具温度上升到预设值时，微孔发泡注塑模具1进入预设温度保温状态，同时，变模温控制系统2给微孔发泡注塑机3发出信号，微孔发泡注塑机3收到信号后通过气动喷嘴9将熔体注射到微孔发泡注塑模具1型腔中，当射胶量达到设定的数值时，关闭气动喷嘴9，射胶完成。

(3)模具高温保持与保压：射胶完成后，转为保压模式，以设定的保压压力和保压时间对注射进入微孔发泡注塑模具1内部的熔体进行保压，该过程中，变模温控制系统2保持模具温度在设定的温度值。

(4)保压卸除与第一次开模：保压时间达到，微孔发泡注塑机3同时发出信号关闭气动喷嘴9和对微孔发泡注塑模具1进行一次开模，使熔体经历均匀分布的高保压压力降，并给予熔体充足的发泡空间进行填充结束后发泡。

(5)模具冷却与第二次开模取件：微孔发泡注塑机3进行一次开模的同时，变模温控制系统2停止加热模具，并向微孔发泡注塑模具1的循环冷却水管中通入冷却介质，快速冷却模具，直至产品定型，开模取件，即得。

本实施例示例性地进行3组参数下的聚合物微孔发泡材料的制备，其中：聚合物原料为聚丙烯(pp)，其重量为55g，原始厚度为3mm，超临界流体(氮气)注射量为0.8％，塑化时螺杆融胶转速145rpm，融胶背压为18mpa；熔体注射速度为55mm/s，模具温度预设值为90℃，模具循环冷却水温度为30℃，冷却时间为30s，保压工艺和第一次开模工艺参数设定如表1所示。

表1

对比例

利用传统工艺制备聚合物微孔发泡注塑产品的方法，包括如下步骤：

(1)塑化：微孔发泡注塑机3进行聚合物固体粒料的熔融塑化，在塑化过程中，通过超临界流体发生与计量控制系统4将超临界流体注射到微孔发泡注塑机3的料筒6中与熔融的聚合物熔体混合形成均一的单相溶液，并在料筒6中保持高压状态(15～20mpa)，防止单相溶液提前发泡。

(2)注射：微孔发泡注塑模具1合模后，微孔发泡注塑机3将单相溶液注射到微孔发泡注塑模具1型腔中，直至填满模具型腔，射胶完成。

(3)冷却与开模取件：冷却模具，直至产品定型，开模取件，即得。

本对比例的聚合物原料为聚丙烯(pp)，产品重量为55g，原始厚度为3mm，超临界流体(氮气)注射量为0.8％，塑化时螺杆融胶转速145rpm，融胶背压为18mpa；熔体注射速度为55mm/s，模具循环冷却水温度为30℃，冷却时间为30s。

对实施例3中方案1-3和对比例中得到聚合物微孔发泡材料的内部泡孔结构进行观测，结果如图4-6以及图7所示，从图中可以看出：传统工艺制备的微孔发泡注塑产品发泡倍率小，内部泡孔尺寸大且沿流动方向产生变形，泡孔分布也不均匀；而采用本发明提供的微孔发泡注塑成型工艺制备的产品发泡倍率大，内部泡孔尺寸小且均匀，泡孔形状规整，特别是方案3制备的微孔发泡注塑产品内部泡孔十分致密，泡孔直径在20～60微米，密度达1.3×10⁸个/cm³。

以上所述仅为本申请的优选实施例，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。