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注塑技术的新突破“光泡”系统

多数结构性泡沫注塑技术应用了物理性发泡剂，需要专为此目的而制造的专用机器。此原因常常是因为需要为注塑机使用加长的塑化装置，以及修正的液压系统或控制系统。改造一台现有的机器是不可能的，或者就是太复杂和费钱的。

图1：注嘴和静态混合器是光泡系统的重要组成

Sulzer化学技术公司提供一种具有“光泡（Optifoam）”技术的新方法。该技术的核心是装在传统注射装置末端的注嘴。依靠这个注嘴，在注射时发泡剂被引入到聚合物熔体中。两种成分在静态混合器内经历剧烈的混合。通常，注塑过程中的混合时间极短，但引入了气体的新方法能实现可靠的混合。

光泡的原理
传统技术应用一个或更多的注射器，它引入适当量的发泡剂，但只是以局部的方式这样做的。这就需要利用专用的特长型螺杆，达10D长，具有显著的混合区段。但是即使是这样的办法也只能在有限的程度上对轴向向心偏差进行补偿。

Sulzer的光泡系统以德国亚琛大学塑料加工研究所（IKV）进行的研发为基础，造就了将物理发泡剂注入聚合物熔体的新概念。其注嘴的概念的首次提出是在2000年，属Sulzer化学技术公司独家使用，已经在Sulzer与IKV的合作下得到进一步的发展。

为了能用上现有的机器，短小紧凑的设计是必不可少的。通过将注射时气体与熔体之间的接触表面最大化，光泡系统能实现这个目的：鱼雷芯(图1)将注嘴内熔体形成为环状流体。这产生出与螺纹相比有着明显增长的表面积/体积之比率。素烧金属从内外都对环状流体进行限制。注射过程中，通过注嘴壁和鱼雷来引入发泡剂。因为是从两侧来装熔体，环状流道的高度小，所以已经在这个位置获得了狭窄的向心分布。

熔体质量提高
在静态混合器中，聚合发泡剂系统被弄均匀。这种混合器包含了许多相互间位置垂直的元件（图2）。每个元件具有熔体被分隔和改变方向的交叉筋条。形成大的接触面的原理也是在连续的方式下实现的。这种安排促进了互混。

图2：混合性能首先受到混合元件数量的影响

除了物理性均匀化以外，静态混合器在熔体温度分布方面形成不错的效果。元件数量增多，这种分布变得更窄，而剪切要比在螺杆中碰到的剪切小得多。一致的熔体温度对于后面的发泡是特别重要的，因为它直接影响着成核和微孔的发展。为此，对于具有统一结构的高品质泡沫的形成来说，物理上和温度上的均匀是重要的必要条件。

以对注塑中可发现的片状流体进行试验的数据和模拟计算为基础，可以预先确定同等化过程（图3）。以这种方式，针对每种特定用途均可设计出静态混合器。这种设计的重要限制条件包括了筋条与元件的数量，以及混合器的口径。

图3：为设计出以用途为基础的静态混合器，Sulzer应用了计算性动态流体方法

注嘴与混合器紧密配合
光泡系统主要由以下组成：
◆ 将发泡剂引入熔体中的注嘴
◆ 使熔体均匀的静态混合器

这两种部件是互相紧密配合的。三种基本规格涵盖了注射量从几克到超过一公斤的宽幅系列。图4显示的是中等规格的光泡系统，具有加热圈和压力感应器等周边元件。一个针式截断注嘴把此系统保持在压力之下。如果有需要，此注嘴可以装备上限位开关，并联接到注塑机的安全系统之中。

图4：带周边元件的光泡系统

装有比例阀和流体感应器的计量工位在高压下供应精确数量的发泡剂(图5)。Sulzer公司通过与Maximator公司和IKV的密切合作，开发出了专用于光泡系统的工位。必要的操作控制也被融合到此工位中。这些控制提供了与注塑循环的同步，如有要求，还可激活针式截断注嘴，并把多余的加热电路结合起来。

材料、工艺和模具的相互作用
如果为传统注塑而设计的塑件被发泡塑件所直接替代，就经常会有物理性能的损失。在一定条件下，有必要修改塑件和模具式样。在一些情况里，整个生产过程的持久优化代表着获得满意结果的唯一可能性。靠着每种发泡成型技术，在模具内进行发泡。相应地，模具的设计对于结果有着决定性的重要性。材料的流动性能、塑件的式样（壁厚、增强筋等），以及浇口大小和位置决定着所产生泡沫的性能。模内温度的均匀分布比传统注塑时还要重要，目的是确保微孔的快速稳定，防止塑件从模内取出后的发泡。

图5：所有必要的附属件都被集合到气体计量工作台中。
二氧化碳和氮气都能被加工。计量周期与注塑机同步

原则上，每种聚合物都能被加工成发泡件。但是所需努力可能差别巨大。基础聚合物的粘度和表面张力不仅影响着装载和混合过程，也影响着随后的泡沫形成和稳定。纤维和成核剂等颗粒填充物会大大降低优化程度。

在瑞士日内瓦杜邦欧洲技术中心进行的试验显示出这样的材料优化的效果（图6为塑件截面和显微图）。不用任何添加剂对PBT进行处理。因为这种材料极为适合于发泡，有可能利用氮气作为发泡剂，以很少的功夫而获得很统一的结构。为了使物理性能损失量保持在限度之内，密度降低被控制在10％以内。

图6：微孔泡沫结构

通过工艺与合适材料的选择，必要的措施已被采取。但是模具起着重要的作用，因为它决定着塑件的最终性能。原则上，成型发泡件能取代现有的传统塑件。然而这样的取代可能不只是产生物理性能的降低。在很多情况下，发泡成型形成表面质量降低的塑件，所以必须采取额外的措施。

除了上述的步骤以外，调整模具也能起到作用。图7显示了一个成功案例分析结果，通过对浇口形状和类型的系统修正，影响聚合/发泡剂系统的发泡。以前述的良好试验结果为基础，箱式模具被制出用于低压工艺中，也就是部分填充和随后的泡沫自由膨胀。在这里，重量减轻也被控制到10％以内。浇口的优化能成型出具有独特表面质量的塑件。

图7：模具与材料优化的修正能使发泡成型实现高品质的表面

花最少功夫的改造
合适的设备能决定性地改善每种应用了发泡的最终产品。光泡系统不只是提供最大的灵活性，还有常与结构性泡沫注塑有关的所有优点。可以针对现有注塑机对系统进行改造，所以只要做一点点调整，加工者就能在传统成型与发泡成型之间进行转换。

光泡技术虽然给加工商们带来益处，但仍只是刚刚起步。根据塑件要满足的要求，加工商必须考虑整个生产过程，从树脂与添加剂的选择开始，接着是塑件与模具的设计，最后是工艺优化。忽视工艺过程的任何方面，都可能导致不如人意的后果。（转自佳工机电）

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