轿车仪表盘的微孔发泡注射成型工艺

第24卷第3期高分子材料科学与工程
Vol.24,No.3 2008年3月
POLYMER MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING
Mar.2008
轿车仪表盘的微孔发泡注射成型工艺
梁继才1,祁 伟1,李 义2,柳承德1
(1.吉林大学材料科学与工程学院; 2.吉林大学辊锻工艺研究所,吉林长春130025)
摘要:分析了轿车仪表盘的传统注射成型工艺和微孔发泡注射成型工艺,研究了熔体温度、注射时间、浇口位置对两种成型过程的影响以及熔体的预注射量、气体发泡剂含量对微孔发泡注射成型泡孔尺寸、密度和填充过程的影响。

研究结果表明:采用微孔发泡注射成型工艺可以节省原材料10%,注射压力降低了36.7%,锁模力降低了60.8%,冷却时间缩短了10%,收缩率减小了62.9%。

关键词:轿车仪表盘;微孔发泡注射成型;工艺
中图分类号:TQ320.66+2 文献标识码:A 文章编号:100027555(2008)0320113205
收稿日期:2006210204;修订日期:2007207211
基金项目:/十五0国家重大科技攻关项目(2004BA907A1922)联系人:李 义,主要从事聚合物现代成型技术研究,E 2mail:L 2yi@
微孔(泡沫)塑料是以塑料为基本组分,含有大量气体结构的复合材料。

微孔泡沫塑料的泡孔直径在100L m 以下,泡孔密度达1091/cm 3~10151/cm 3[1~3]。

微孔发泡注射成型工艺(简称Mucell)过程分为四个阶段[4,5]:(1)气体溶解:超临界状态下的气体在螺杆后退阶段通过机筒注射进入聚合物熔体形成气熔两相流体;(2)均匀成核:机筒内的熔体在高压下注射进入低压模腔,由于压差突然增大,气熔两相流体经历热力学不稳定状态,大量的成核点形成泡沫气室;(3)泡孔长大:气体扩散进入泡沫中,引起泡核膨胀;(4)成型:经模具成型和冷却,开模获得最终的微孔泡沫塑料制品。

MuCell 注射成型技术具有注射压力低、锁模力小、节约原材料、成型周期短、可生产更薄壁制品和其它发泡技术无法成型的制品等优点,因而该技术在航天、汽车注塑件等领域获得广泛应用[6~8]。

1 微孔注射成型数值模拟系统控制方程及边界条件
1.1 气泡核自由长大控制方程组的建立选用球形模型来描述气泡长大的物理模型,如Fig.1所示,并做如下假设:1)聚合物熔体不可压缩;2)气泡和球壳熔体在整个长大过程中是球心固定的同心球体;3)气泡内的气体
为理想气体;4)过程等温;5)忽略球形模型同周围环境的质量交换;6)泡核与泡核间的气体不互串、不扩散;7)
忽略惯性和重力的影响。

Fig.1 Phys ical model of bubble growth
R(t):bubble radius ;S(t):ball radius;r :radial radius
基于以上假设,可得到控制气泡核自由长大的方程组:
S rr +K [5S rr 5t +R 2ÛR r 25S rr 5r ]=-4G 0R 2Û
R r
3
(1)p g -2R
R -p f +3Q
S
0R S rr r
d r =0(2)p g R 3=p g0R 3
(3)
式中:p g )))气泡内气体压力;ÛR )))气泡半径
增长率;p g0)))气泡核的初始压力;R 0)))气泡的初始半径;R )))熔体的表面张力;p f )))周围熔体对球形模型的压力;S rr )))剪切应力张量;K )))松弛时间;G 0)))零剪切黏度,为温度和压力的函数。

1.2黏度模型
气体和聚合物熔体的均相混合物黏度,采用了修正的Cross2WLF方程:
G(ÛC,T,p,U)=G0(T,p)f(U)#
[1+(G0(T,p)ÛC
S*
)1-n]-1(4)
式中:n、S*)))模型参数;U)))气体的体积分数;f)))气体体积分数的函数。

零剪切黏度G0公式方程:
G0(T,p,U)=D1exp[-
C1(T-T0)
C2+(T-T0)
]
(5)
式中:T0=D2+D3p;D1,D2和D3)))模型参数。

1.3边界条件
r=R处,S rr=-p g+2R
R
(6) r=S处S rr=p f(7) C(R+D)=C0(8) C(R)=C w(9)
r=R+D处,5C
5r
=0(10)
1.4求解气泡长大控制方程
联立(1),(2),(3)方程组及边界条件,求得气泡半径长大控制方程:
ÛR=V+R3
4G V
[(p g-p f)R-2R]-
R
3
dln Q
d t
(11)
2轿车仪表盘微孔注射成型数值模拟研究2.1计算模型及模拟条件
在本文中,运用三维有限元迭代法来预测熔体的流动路线,模拟熔体的流动过程。

模拟过程主要包括:模型的建立、材料的选择与表征、流动过程分析、结果显示和输出等。

传统注射成型模拟条件:注射温度230e,注射时间6s,模拟材料PP;微孔注射成型模拟条件:注射温度230e,熔体注射时间4s,熔体的预注射量为90%,发泡剂CO2含量1%,泡孔密度10111/cm3,模拟材料PP。

2.2微孔注射成型工艺模拟分析
2.2.1传统注射成型模拟结果:模拟制件较大,因此采用两个浇口进浇,位置如Fig.2所示。

模拟结果表明:采用(a)浇口位置时熔接痕少且较短,所需的注射压力和锁模力较小;采用(
b)浇口位置时,会出现较长的熔接痕,容易形成应力集中区,所需注射压力和锁模力最大。

同时采用(a)的浇口位置比采用(b)所产生的气穴要少很多。

因此采用(a)的浇口位置成型效果较好。

Fig.2Gate location
2.2.2微孔注射成型模拟分析
(1)浇口位置的选择:微孔注射成型模拟研究结果表明:采用Fig.2(a)的浇口位置熔接痕较短,且产生的气穴少;采用(b)的浇口位置,则会产生较长的熔接痕,容易形成应力集中区,产生的气穴也较多。

此外达到相同效果时,前者的注射压力比后者要小20MPa,因此采用(a)所示的浇口位置进行微孔注塑效果较好。

(2)发泡剂含量:在微孔注射成型中,发泡剂含量是一个很重要的工艺参数。

尽量使气体在聚合物熔体中的含量达到其溶解度。

当发泡剂含量在一定范围时,随发泡剂含量增加,泡孔尺寸减小,密度增大。

发泡剂含量太低,成核时不能得到足够小和足够多的气泡核,不能生产出微孔尺寸级别的塑料制品;发泡剂含量过高,则导致一部分气体不能溶解到聚合物熔体中,成核时这部分气体会优先进入已存在的气相中,导致制品中产生大气泡,同样不能得到微孔塑料件。

模拟结果表明最佳发泡剂含量为1%。

(3)注射温度:注射温度太高,不仅会导致塑料降解,而且气泡容易破裂,致使泡内气体散逸,发泡数量减少;注射温度低,造成发泡剂扩散速度下降。

为此,必须严格控制注射温度至一个适当值。

实际生产中,在物料加工温度及外观质量允许范围内,宜尽量采用较高的温度加快熔体流动,缩短生产周期。

根据模拟结果,选定注射温度为230e。

114高分子材料科学与工程2008年
(4)注射时间:为了获得泡孔尺寸较小且分布均匀的微孔塑料制件,塑料熔体应在极短时间内以高速充填模具,使气熔均相溶液注入型腔的同时开始发泡长大。

根据模拟结果,注射时间为4s
时最佳。

2.3 模拟结果对比分析
2.3.1 注射压力:Fig.3为两种成型工艺注射压力p 的模拟结果比较。

传统注射成型的注射压力最大值为79MPa,而微孔注射成型只需50MPa,注射压力降低了36.7%。

这是由于超临界发泡剂CO 2与聚合物熔体混合后,熔体的玻璃化转变温度降低,因此降低了聚合物熔体的黏度,从而使注射压力明显降低。

2.3.2 锁模力:Fig.4为两种成型工艺锁模力F 的模拟结果比较。

采用传统注射成型,最大锁模力为32464kN,而微孔注射成型的最大锁模力仅为12712kN,降低了60.8%。

这是因为传统注射成型中为了减少制品的翘曲、消除缩痕,必须采用较高的保压压力,从而导致锁模力较大。

而微孔注射成型工艺中树脂黏度大幅度
下降,省略了压实和保压阶段,利用泡孔内气体
压力自身保压来防止熔体冷却收缩,因此锁模力较小。

2.3.3 冷却时间:采用微孔注射工艺时,塑料用量比传统注射少,总热量减少,熔体黏度降低,剪切热也较小,从而缩短了微孔注射成型的冷却时间。

传统注射的冷却时间为28.41s,微孔注射的冷却时间为25.60s,缩短了10%。

微孔注射冷却时间模拟结果如Fig.5所示。

2.3.4 收缩率:传统注射最大收缩率为9.467%,微孔注射最大收缩率为3.511%,减小了62.9%。

传统注射成型在注射和保压阶段,
型腔内部压力并不均匀,压力小的部位收缩率较大,反之压力大的部位收缩率较小,导致同一个制品各部分的收缩率大小不同。

而Mucell 工艺的优点是利用泡孔内的气压自身保压,且基本上均匀分布于整个注塑件内部,注塑件的收缩率较小。

微孔注射收缩率模拟结果如Fig.6所示。

2.3.5 泡孔尺寸和密度:制件中泡孔半径R
115
第3期梁继才等:轿车仪表盘的微孔发泡注射成型工艺
随正交化厚度变化的模拟结果如Fig.7所示。

正交化厚度是制件厚度的一种测量方法(无量纲),值在-1~1之间,其中0表示制件中心位置,-1和1表示制件表面位置。

用正交化厚度表示制件中泡孔半径随制件厚度的变化情况,泡孔半径从制件中心最大逐渐向表面过渡到最小。

根据本文模拟的工艺条件,得到的微孔塑料内部最大泡孔半径为34.6L m,表面最小泡孔半径为0.5L m,平均半径为17.6L m,泡孔密度为10111/cm 3。

2.3.6 材料用量:材料的节省与熔体的预注射量有关。

在微孔注射成型中,为了节省材料,将注射量减少合适的体积,然后增加发泡剂的用量,型腔剩余体积由发泡剂发泡长大来填满。

模拟结果表明,熔体注射量90%,发泡剂含量1%时较好,材料节省和保压补偿效果显著,泡
孔尺寸较小并且分布均匀。

Fig.8 HONGQI car instr ument panel by Mucell
3 轿车仪表盘微孔注射成型实验研究
以红旗轿车仪表盘为实验研究对象,选用PP 为原材料,采用工业级CO 2作为物理发泡
剂。

PP 材料性能及实验工艺条件设定如下:
熔体密度0.77475g/cm 3;弹性模量1340MPa;热传导率0.17W/m #C;玻璃化温度135e ;熔体温度230e ;模具表面温度50e ;熔体注射量90%;熔体注射时间4s;冷却时间26s;发泡剂含量1%;泡孔密度10111/cm 3。

实验装置主要由注射机、模具、发泡剂输送系统三大部分组成。

Fig.8为应用本文研究结果生产的红旗轿车仪表盘制件照片。

生产应用效果较好。

4 结论
采用微孔注射工艺成型轿车仪表盘,比传统注射成型工艺节省原材料10%,熔体的注射压力降低了36.7%,锁模力下降了60.8%,同时消除了厚壁部分的收缩,减少了薄壁部分的翘曲,提高了制品的强度,缩短了生产周期,充分体现了微孔注塑成型工艺的优越性。

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Microcellular Injection Molding Process for Car Instrument Panel
LIANG Ji 2cai 1,QI Wei 1,LI Yi 2,LIU Cheng 2de 1
(1.College o f Ma terials Scienc e and Engineer ing ; 2.Roll Forging
I nstitute,Jilin Univer sity ,Cha ngchun 130025,China )
ABSTRACT :The conventional injection molding and microcellular injection molding (Mucell )
processings for car instrument panel were analyzed.The influences of melt temperature,injection time and gate location were studied.In addition,the influences of injection shot and gas foaming agent content on cell size,concentration and filling processing were also observed in Mucell.Research results show that with application of Mucell,the 10%raw material can be saved,the injection pressure is decreased by 36.7%,the clamp force is decreased by 60.8%,the filling time is shortened by 10%and the shrinkage is decreased by 62.9%.
Keywor ds:car instrument panel;microcellular injection molding;process
(上接第112页。

continued from p.112)
Solution Property of Substitiuted Polyacrylates Containing
Nonlinear Optical Chromophore
XU Hong 2yao 1,2,FANG Min 2,WU Jin 2cui 2,GUANG Shan 2yi 1
(1.College o f Mater ial Scienc e and Engineer ing &State Ke y La boratory of Chemica l Fibers and Polymer ic Mater ials,Dong H ua University,Sha nghai 200051,China ; 2.School of Chemistry and Chemical Engine er ing and the Key La bor atory of Environment 2Friendly Polymer Mater ials of Anhui Province,Anhui
University,H e f ei 230039,China )
ABSTRACT:The study of Polymer solution and its chain structure is very important for the molecular design and application of materials.T he GPC/RI 2DV 2RALLS Multi 2detection technique was used to measure solution property of nonlinear optical polymer,substituted polyacrylates and carefully investigated the influence of the rigid conjugated side 2chain structure and the linked flexible chain structure between rigid conjugated group and major 2chain on the characteristic viscosity,unperturbed dimensions <r 2
>0/M and Flory .s characteristic ratio C ].T he results show that unperturbed dimensions <r 2>0/M and Flory .s characteristic ratio C ]will increase with the length of side 2chain conjugated structure and decrease when there is the linked flexible chain structure between rigid conjugated group and major 2chain.
Keywor ds:multi 2detection GPC;polyacrylates;solution property;characteristic viscidity;Flory .s characteristic ratio C ]
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