微发泡注塑成型技术

MuCell微发泡注塑成型技术
MuCell微发泡注塑成型技术的使用日趋普及，其制品主要集中在品质要求较高、材料较贵的产品上。

近年来，选用微发泡注塑成型技术的中国企业数目快速增长，其应用领域也正在扩大。

MuCell的发展概况及原理
目前，MuCell微发泡技术已成为一种非常成熟的注塑成型革新技术，在全世界
被广泛使用。

其使用先从美国、欧洲开始，再延伸到日本及东南亚等地区；尽管在中国刚刚起步，但经过一年多的发展用户正迅速增长。

该技术的专利持有者Trexel在中国已建立了完善的技术支援服务体系和备件库。

经过多年来全球不
同用户在商业设备、汽车部件、电子电器等各种产品中大批量生产使用，很多全球著名的OEM厂商已指定在他们的产品上应用MuCell。

同时Trexel也和全世界许多著名的注塑机品牌建立了紧密的合作关系，如Nissei、Arburg、Engel、Milacron、Husky、Krauss Maffei、Sumitomo、Demag、JSW、Toshiba等。

微发泡成型过程可分成三个阶段：首先是将超临界流体（二氧化碳或氮气）溶解到热融胶中形成单相溶体并保持在高压力下；然后，通过开关式射嘴射入温度和压力较低的模具型腔，由于温度和压力降低引发分子的不稳定性从而在制品中形成大量的气泡核，最后这些气泡核逐渐长大生成微小的孔洞。

我们从制品截面可以明显看到表层还是未发泡的实体层，这是由于在填充过程中模具温度较低，表面的树脂冷却迅速，细胞核没有成长的时间所以还未发泡。

基本原理
使用MuCell必须在注塑机上装上特别的螺杆和机筒：
1. 螺杆具有特殊的螺纹设计——超临界流体被射入搅拌区后需要特别的螺纹来
切碎超临界流体使之与热熔胶充分溶解从而形成单相融体。

2. 单相融体必须保持在一定的高压下才不会离析，Trexel的机筒有单向止逆阀和开关式射嘴设计从而在机筒前端的射出段形成一个密闭高压的区间。

当注射时，开关式射嘴打开，单相融体瞬间注入模具型腔开始发泡。

MuCell硬件系统简图
用户可以在现有注塑机上进行升级，更换Trexel特制的设备如螺杆、机筒，加
装注射器和射入界面系统，外接一个超临界流体控制器来实现。

另外也可以在购买部分品牌的新注塑机时直接在注塑机制造厂整合这些特制部件。

MuCell的螺杆和机筒是定制件，一般选用和注塑机规格相应的螺杆直径，长径比通常是22:1或24:1，比普通的稍长。

加装了MuCell的注塑机可以方便地切换回传统注塑，使用户可以灵活安排生产。

常见应用领域和案例分享
几乎目前所有的热塑性材料都可以采用微发泡注塑成型技术。

但考虑到经济性和产品品质要求，MuCell微发泡制品主要集中在品质要求较高、材料较贵的产品上。

上表列举了一些常用的产品，当然在其他行业的不同领域也有很多用户成功应用了这种技术。

MuCell微发泡成型主要是靠细胞的成长来填充产品，所以是在较低而平均的压力下进行的，不像传统注塑成型要靠机台的不断保压，因此产品内应力大大减小，不同位置的收缩也变得非常平均。

形成单相融体使树脂粘度降低。

因为树脂粘度降低使得流体的流动速度更快，可以降低熔胶温度、模温和射胶压力，使塑件稳定，成型视窗变大。

MuCell微发泡技术能解决以下传统注塑常见的问题：部件收缩不均导致尺寸不稳定和内应力问题、缩水痕、平直度不好、同心度或圆度不够、动平衡性不高、难填充等等，采用MuCell注塑技术则可以提高部件质量，以下是部分应用实例。

MuCell微发泡技术典型应用领域
电子插座
由于均匀的收缩令产品的尺寸异常稳定。

在模具开发的前阶段，尺寸的稳定和一致性减少了模具的设计和制作的反覆修改，在生产中C※※值非常好，大大减少了不良率。

左图是Ｔricon的一种电子插座，材料PA66加33%的玻纤，可以达到8%的减重和48%的减周期，锁模力减少40%。

生产中的C※※值可以达到1.66，模温度减少28℃。

汽车仪表板
因为射胶压力和熔胶温度较低，MuCell被广泛应用到模内装饰（IMD）的产品上，有效地解决了传统注塑易出现的“冲膜”和“渗边”的现象，同时也解决了缩水造成的外观问题，提高了尺寸的稳定性和平直度，从而大大减少了不良率，锁模
力也大大减少。

汽车冷却箱
传统注塑解决部件翘扭曲通常会靠延长注塑和保压时间来达到，同时借助特制的夹具来定型，这样大大降低了生产效率。

MuCell使部件不仅在生产时非常平整，而且在热处理后也能保持。

许多应用表现出了这一优点，比如汽车冷却箱，打印机过纸架等。

MuCell微发泡注塑的新技术发展
MuCell并不适合直接用于外观要求高的产品，但可以和表面喷涂结合起来，也可以和IMD（模内注塑装饰技术）结合，做出来的产品没有缩水痕、更平直、外表更美观。

为了满足一些用户想直接把MuCell应用于外观产品的需求，Trexel和Rhodia 合作专门开发了适用MuCell微发泡技术的尼龙材料TECHNYL XCell 6.6和6，还可以针对客户的要求进行加纤或矿物质等的改性处理。

这种材料已经获得了WEEE和RoHS的认证，用它在MuCell制程下加工的产品在保证产品机械性能等特性的情况下具有极佳的外观表现。

用Rhodia Technyl XCell MuCell 6.6制作的部件外观极佳
另外，Trexel也正在开发模具型腔热喷涂技术，用这种处理过的模具结合MuCell做出来的产品也有很不错的外观表现。

相信Trexel不断致力优化和改善的这些辅助技术能把MuCell微发泡带入更广阔的应用领域，让更多的用户享受到MuCell微发泡注塑带来的优势。

在将于5月底举办的2007中国国际橡塑展（Chinaplas 2007）上，Trexel将展出各种类型的样品，涉及商业设备、汽车业和电子类等各个领域。

此外，Trexel 于3月29日下午将在深圳的塑胶机械展上开展一个专题讲座。

微发泡注塑成型技术在基本保证制品性能不降低的基础上，可以明显减轻制件重量，并具有内应力小、不易产生表面缺陷、对壁厚差异较大的制品具有特殊成型优越性的特点。

其与常规注塑、结构发泡注塑、化学发泡注塑以及气辅注塑相比较在多个方面都独具优势，成为近年来注塑技术发展的一个重要方面。

微发泡聚合物材料是指以聚合物材料为基体，其中含有泡孔尺寸从小于一微米到几十微米的多孔聚合物材料。

常规的物理或化学发泡法制备的泡沫塑料由于其孔径较大，通常不属于这一范畴，与一般泡沫塑料毫米级的泡孔相比，微发泡聚合物的泡孔要小得多，而泡孔密度要大得多，因而称为微发泡聚合物。

对国外现有采用Trexel公司专利的微发泡注塑成型机进行分析及相关的数据比较可以看出，与常规的模塑制品相比，除去购买许可证和增加设备的投资以外，微发泡模塑制品的平均成本可降低16%-20%。

而这主要通过四个方面实现：
1. 微发泡注塑循环周期可减少50%，从而降低了加工成本。

同时注塑制品的下脚料比例降低，设备的能耗也更低。

2. 对于相同类型的制品，微发泡注塑工艺可以使用更小和更少的机器，模具成本更低，从而降低投资成本。

3. 由于微发泡注塑制品的密度降低，可以设计具有更薄壁结构的制品，降低制品的材料成本。

4. 由于减少或消除了常规模塑在合模和保压过程中产生的模内应力，因此微发泡注塑可以制备更平、更直和尺寸精度更高的制品，从而为制品的品质和价格提升提供了更大空间。

与其他注塑成型工艺的比较
许多其他的注塑成型工艺过程也使用或涉及气体或发泡剂，这些工艺主要有：结构发泡注塑、气体辅助注塑和化学发泡成型。

微发泡注塑与结构发泡注塑
结构发泡注塑通常用于成型较大的制品，最常见的是采用特殊的低压注塑机加工高密度聚乙烯（HDPE）原料。

其制品的重量减轻可以达到10%或更多。

微发泡注塑在某些方面比结构发泡注塑更有优势，如对于大多数材料包括常用的工程塑料来说，其材料的减少和注塑循环时间的降低更加显着。

微发泡注塑能够成型同时具有薄壁和厚壁的结构，制品设计方面的灵活性更大。

但微发泡注塑对于具有大长厚比的制品和厚壁（大于6毫米）制品方面则没有太多优势。

微发泡注塑与气体辅助注塑
气体辅助注塑可以成型表面质量非常高的制品，通过对模具和制品进行特殊
设计，在厚壁制品的内部设计空腔实现气体辅助注塑。

而微发泡对于厚壁制品的成型没有优势，而且其制品的表面质量也无法达到非常完善。

但气体辅助注塑通常只用于消除制品的收缩痕，因此从这方面来说，微发泡注塑可能是一个更好的选择，能够更多地降低制品重量，以更短的循环时间成型，并且制品翘曲较少，同时也能够消除收缩痕。

微发泡注塑与化学发泡成型
化学发泡剂在特定的温度下分解而产生气体发泡剂。

不同类型的发泡剂适用于不同温度下分解发泡。

其通常用于厚壁制品成型以消除收缩痕，同时也可以降低制品密度。

对于薄壁制品使用化学发泡剂会使表面质量劣化，同时会显着降低其力学性能。

而且，从经济性角度出发，化学发泡不能够大幅度降低密度。

而微发泡注塑的优势在于，许多吸热型的化学发泡剂会生成水（也产生CO2气体），因此需要添加吸水剂以防止由于水的存在而造成聚合物熔体的降解现象。

气体发泡剂生产批号的不同致使在生产过程中不得不随时调整生产工艺。

另外，由于化学发泡剂本质上的热稳定性不佳，因而很难用于加工高温型树脂。

化学发泡剂通常会在树脂中有所残留，或产生副产品。

带有副产品或未分解化学发泡剂的树脂通常会使制品耐老化性能降低，并可能导致模具排气孔堵塞。

而且，其加工过程中产生的下脚料很难就地回收使用。

当然，微发泡注塑成型技术也并非完美无缺，对于要求透明性强和表面质量非常高的制品，采用微发泡注塑成型技术需要更加慎重。

微发泡聚合物材料是指以聚合物材料为基体，其中含有泡孔尺寸从小于一微米到几十微米的多孔聚合物材料。

常规的物理或化学发泡法制备的泡沫塑料由于其孔径较大，通常不属于这一范畴，与一般泡沫塑料毫米级的泡孔相比，微发泡聚合物的泡孔要小得多，而泡孔密度要大得多，因而称为微发泡聚合物。

发展概述
上世纪80年代初，美国麻省理工学院（MIT）首先提出微发泡塑料的概念并发展了相应的成型技术。

提出该概念是希望在聚合物基体中引入大量比聚合物原已存在的缺陷尺度更小的空隙，从而在减少材料用量的同时提高其刚性，并避免对强度等性能造成明显的影响。

这种工艺制备的微发泡材料孔径一般小于10微
米，尤其突出的是泡孔密度非常高，达到109-1015个/cm3。

微发泡成型过程可分成三个阶段，首先是将超临界流体（主要是二氧化碳和氮气）溶解到聚合物中，并形成聚合物/气体的单相溶液；然后，通过温度或压力等条件引发体系的热力学不稳定性，使得气体在溶液中的溶解度下降；由于气体平衡浓度的降低，从而在聚合物基体中形成大量的气泡核，然后逐渐长大生成微小的孔洞。

许多人认为超临界流体应用于聚合物加工只是处于实验室的研究，实际上，这种方法的商业应用早就开始了。

20世纪50年代始，超临界乙烯就已用于大规模制造低密度聚乙烯。

进入21世纪，Trexel公司与MIT合作，首先利用这种技术实现了微发泡注塑的商业化应用。

据报道，Reedy国际公司也开发了类似的挤出微发泡装置。

关于聚合物微发泡成型技术已有大量的文献报道，研究以无定型和半结晶型聚合物微发泡材料的成型过程为主，如聚氯乙烯（PVC）、聚苯乙烯（PS）、聚碳酸酯（PC）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）和聚碸（Polysulfone）等。

加工技术方面的研究主要涉及微发泡挤出、微发泡注塑、微发泡吹塑及旋转模塑等。

从事微发泡技术研究并取得较显着研究成果的单位主要有美国的麻省理工学院、威斯康辛—迈迪逊大学、佐治亚理工大学、加拿大的多伦多大学、德国的GKSS 研究中心、荷兰的特文特大学等。

发展现状
1997年，在与MIT合作的基础上，Trexel公司率先开始了微发泡注塑成型技术的产业化研究。

其第一台用于研究的注塑机是Engel的150吨螺杆和活塞式注塑机，后来采用了往复螺杆式注塑机。

直到2000年，Trexel公司在芝加哥的国际塑料博览会上首次推出其微发泡注塑成型机的商业产品。

与此同时，许多日本、欧洲和韩国等国家的公司也一直致力于微发泡注塑成型工艺的开发。

目前以Trexel公司的Mucell®为代表的超临界流体制备聚合物微发泡材料技术已经得到了广泛的认可，许多世界知名的设备和原料厂商都购买了这种技术的专利使用权，包括Arbug、Demag、Engel、Milacron、Husky、Krauss Maffei、Battenfeld、Dupont、JSW、Toshiba等知名公司和企业。

可以说，微发泡注塑成型技术正在由单纯的理论和实验研究转向成熟的商品化开发。

尽管这个阶段经历了将近20年的时间，但这种商业化开发的模式及其成功经验预示着新的加工技术在今后要
实现产业化将变得越来越容易。

正如微发泡技术的创始人MIT的Nam P. Suh教授所说，这种技术绝非仅仅是能够节约材料那么简单，其所带来的各种益处将在今后各种应用中逐步体现出来。

这种技术的成功开发，可以说是高校和产业界携手合作的典范。

实践证明，只要在一个经过严格论证的框架下进行合作，研究单位和产业界都能够从类似这样的合作中获益。

微发泡注塑成型制品的主要特点是在基本保持制品原有力学性能的基础上减轻重量。

同时，由于制品内部几乎没有任何残馀应力，因此制品的翘曲和变形可以得到很好的抑制。

而且，由于能有效地防止收缩痕，因此对制品壁厚均匀度的要求大大降低，从而为制品设计提供了更大的空间。

从理论上说，几乎目前所有的非结构性塑料制品和一部分结构性塑料制品都可以采用微发泡注塑成型工艺制备。

但考虑到市场需求及经济性等因素，目前美国、日本等国家所开发的微发泡注塑制品主要集中在汽车及内部装饰材料、电子电器产品、医用产品等领域，如汽车进气歧管、保险盒、发动机罩、电器开关、电器控制模块、薄壁容器、医用注射器等。

实现年均增长12% 塑机“十二五”主攻核心技术
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中国塑料机械产业“十二五”发展规划将把精密铸造装备、节能塑料成型加工装备等六大领域列为发展重点。

中国塑料机械工业协会副会长钱耀恩近日在接受记者采访时透露，塑料机械行业“十二五”发展规划已经制定。

钱耀恩是近日在北京出席一次与中国塑料工业协会部分专家的座谈会期间向本报记者透露上述内容的。

他说，“十二五”期间，是世界经济走向复苏、经济结构和发展模式进行大变革大调整的重要时期，也是我国塑料机械行业加快调整和振兴步伐、努力实现绿色发展和可持续发展的重要机遇期。

“到2015年，我国塑料机械行业掌握一批拥有自主知识产权的核心技术，开发一批技术水平国内领先国际先进的重点产品，提升一批具有特色和知名品牌的产业集群，培育一批具有行业带动力和国际竞争力的大企业，努力实现塑料机械行业由大变强的转变。

”钱耀恩说道。

采访期间，钱耀恩几次向记者强调塑料机械工业的重要性，并称该产业发展前景十分看好。

他举例说，随着老龄化人口的增加，心脏起搏器、人工膝关节等生物材料和植入体的需求不断增加，使得医用塑料具有市场需求大、发展潜力大和利润高等特点。

“塑料这种高分子材料，是继木材、水泥、金属之后的第四大结构材料。

由于所有塑料均需经过塑料机械这个工作母机的加工，才能成型为各种塑料制品，因此，塑料机械产业具有广阔的市场前景。

”
发展目标：要实现年均增长12%
据钱耀恩介绍，“十一五”期间，我国塑机行业保持了迅猛发展的势头，截至2009年，塑机工业总产值已上升到258.48亿元，约为2001年的3.2倍。

“十二五”期间，要使行业经济运行平均每年增长12%以上，实现全行业工业总产值和销售总额均达到500亿元以上的产业规模目标。

在科技水平方面，“十二五”期间，我国将形成30个以上具有自主设计和自主制造能力的国家级、省级企业研发机构（国家级、省级技术中心），重点骨干企业的研发投入占营业收入的比重达到3%以上，专业技术人员占从业人员的比例达到20%以上，新产品产值率力争达到40%，主导产品升级换代，具有自主知识产权的高新技术和创新产品大幅增加，自主创新能力在若干领域取得标志性突破，达到国际先进水平。

同时大力提升市场份额。

钱耀恩介绍，我国将努力提高国产塑机质量水平，着力扩大国内市场，使国产塑机国内市场占有率稳定在80%左右。

同时，大力提升出口产品的竞争优势，着力开拓出口市场，力争到2015年使我国塑机出口达到100亿元以上。

在产业结构方面，我国将大力推进自主创新，形成若干家具有国际竞争力的大型企业，形成一批参与国际分工的“专、精、特”专业化的生产企业，至2015年，基本形成以高新技术为先导、高效节能产品为重点、高附加值加工制造为亮点、高中低档协调发展的先进塑机制造基地。

在发展方式方面。

生产组织方式和重要生产工艺得到新的改进，现代制造服务业得到新发展，单位工业增加值能耗、物耗和污染物排放显著降低，劳动生产率显著提高，大型企业集团的现代制造服务收入占销售收入比重达到20%以上。

在未来五年的发展重点上，钱耀恩表示将确定精密制造装备等六大领域。

一是精密制造装备。

重点研发精密注塑成型装备和精密挤出成型装备。

瞄准欧洲先进企业的相关产品，开发达到国内领先、国际先进水平的精密注塑成型和精密挤出成型装备。

二是节能型塑料成型和加工装备。

研发节能型塑料注塑成型机、微发泡注塑机、超高速注塑机：鼓励采用基于拉伸流变的无螺杆塑化技术，低温、低压注塑成型技术，伺服驱动技术、智能化控制技术等有助于降低加工能耗的技术手段。

研发节能型塑料挤出装备：鼓励采用基于拉伸流变的无螺杆塑化技术，低温、低压挤出加工及成型技术，智能化控制技术等有助于降低加工能耗的技术手段。

三是大型塑料加工和成型装备。

面向国家重大工程项目、支柱产业的重大需求，开发系列大型塑料加工和成型装备。

重点研发：（1）与石化大型乙烯装置配套的20万t/年以上生产能力的挤压造粒机组：重点对大型叶片式挤压造粒装备、同向平行双螺杆挤压装备、双转子连续混炼装备、大型熔体泵、水下造粒装置、上加料系统、集散控制系统等关键技术进行攻关，替代进口；（2）大型精密注塑机（3）大型中空吹塑装备（4）大型电缆生产线技术：研发用于500kV及以上高压和超高压塑料电力电缆、海底光电缆、以及35kV橡胶核电特缆等加工的重大专用装备。

（5）工程装备放大设计技术：研究用于高分子成型加工装备系列化设计和制造的工程装备放大设计理论和技术，将研发成果用于石化行业的大型挤压造粒机组、大型注塑成型机的研发。

（6）大型精密塑料压延机组（7）滚塑设备（8）高速节能塑料挤出机组。

四是国家大型工程（高铁、高速公路、大飞机等）配套专用设备（1）大型塑料土工格栅生产技术装备：宽度≧5m，拉伸屈服强度≧45kN/m；（2）TPEE发泡减震垫片生产技术装备；（3）往复式双轴取向拉伸数控经纬网生产技术装备；（4）相关配套用专用设备研制。

五是高分子材料高端制品制造装备（1）微纳复合和微纳制造装备。

围绕先进材料、微机电系统、微电子系统、航空航天等领域的重大需求，研发微纳复合和微纳制造装备。

重点研发微纳复合装备、微注塑成型装备、微挤出成型装备。

（2）生物医学材料成型制造装备。

（3）新材料制造装备。

碳纤维预浸胶生产线；对位芳纶反应挤出生产线。

六是环境友好型加工装备。

围绕绿色高分子及其复合材料的成型加工，开发系列聚合物绿色制备技术及装备。

重点研发：（1）环保型高分子及其复合材料专用成型加工技术及装备，包括可降解高分子材料、塑料、生物质复合材料、高抑烟无卤阻燃材料、无重金属盐PVC
等材料的成型加工技术及成套装备，为相关环保型绿色高分子材料的应用提供装备。

（2）高分子材料成型加工过程的绿色技术及装备，重点研发基于（CO2、水等）环保发泡剂的成型加工技术装备、非溶剂复合成型加工等成套技术和装备。

（3）循环再利用及无害化处理设备。

基本原则：五个“相结合”
钱耀恩表示，“十二五”期间，我国塑机行业发展将坚持五个“相结合”的基本原则。

坚持市场导向与政策推动相结合。

突出企业主体地位，充分发挥市场在优化配置资源中的基础性作用，积极争取政府的宏观指导和政策扶持，进一步规范企业和行业的竞争秩序，形成有利于科学发展、和谐发展、绿色发展，有利于企业运行、行业协调的机制和格局。

坚持自主创新与技术引进相结合。

坚持以转方式、调结构为主线，把增强自主创新能力作为中心环节，鼓励企业着眼于前沿领域，加强原始创新、集成创新和引进消化吸收再创新，大力实施品牌战略、知识产权战略和标准化战略，努力抢占世界塑机行业的制高点。

坚持国家产业导向与发挥特色优势相结合。

按照国家产业导向的总体要求，加强与政府部门的沟通衔接，坚持有所为有所不为的原则，立足我国塑料机械的产业基础，进一步形成新的特色和优势，着力培育新的经济增长点。

坚持重点突破与整体提升相结合。

引导企业着力开发一批高效节能型重点产品，着力培育一批重点企业和重点产业集群，大规模开展重大技术装备自主化工作，大幅度提高基础配套件和基础工艺水平，全面提升我国塑料机械行业的国际竞争力。

坚持绿色发展与可持续发展相结合。

坚持走符合时代潮流、具有中国特色的绿色发展和可持续发展之路，坚持行业发展与节能环保、企业经济效益与社会效益相统一的原则，大力开发低碳技术，推广高效节能技术，推动节能降耗和清洁生产，合理利用资源，严格控制高耗能、高污染的产品，坚决淘汰落后生产能力、工艺和设备，着力建设以低碳排放为特征的产业体系。

文章来源：中国建材网。