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发泡注塑成型在薄壁包装领域不可不知的关键技术

来源:国际塑料商情 发布时间:2020-02-29 600
塑料橡胶材料处理、计量与检测模具及零件原料及混合物其他其他添加剂及母粒塑料加工设备 技术前沿
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由于物理发泡注塑成型能够降低熔体粘度,因此是薄壁部件生产的理想工艺。材料节省不是通过聚合物发泡而是通过较低的壁厚来实现的。本文通过选定的聚丙烯和典型的容器形状对充气工艺对粘度降低和部件质量的影响进行了研究。
热塑性发泡塑料注塑成型(FIM)作为一种特殊的注塑成型工艺被越来越多地应用于汽车行业和家电制造领域。制造商的目的通常是减轻零件的重量或降低零件的翘曲。除了能够减轻重量和节省周期时间,该工艺还能够为工艺和部件带来其他好处,例如,加入发泡剂能够降低熔体粘度,以便在较低的模腔压力下获得更长的流路,使加工商能够通过现有的机器生产出更大的注塑件并通过经济有效的工艺方案扩大其产品范围。
 
标题图小巧的盒形发泡部件说明了发泡注塑成型在低壁厚应用中的潜力(©IKV)
 
通过降低粘度实现的另一应用是利用FIM生产薄壁部件,如,注塑包装。由于包装领域是塑料行业的第二大领域(仅次于建筑业),而且材料成本最高,高达70%,因此在通过FIM减少原材料消耗并从中获得经济利益方面具有巨大的潜力。除了节省材料之外,具有较高粘度的抗冲改性塑料也可用于诸如冷冻产品的包装。
 
通过充填发泡剂降低粘度
 
作为当前研究项目的一部分,德国亚琛工业大学塑料加工研究所(IKV)对三种流动性各不相同的聚丙烯在发泡注塑成型过程中的熔体粘度降低情况(表1)进行了研究。该试验通过MuCell工艺(供应商:TrexelGmbH,德国古默斯巴赫)在Allrounder520A1500-400注塑机(制造商:ArburgGmbH+CoKG,德国洛斯堡)上进行。
 
表1这些聚丙烯通过MuCell工艺试验进行了加工(来源:IKV)
 
图1借助在线流变仪可确定含发泡剂的熔体的粘度,为此需要测量两个传感器位置之间的压力差(来源:IKV)
 
借助在线流变仪,代表性剪切粘度可以在接近实际操作环境的条件下确定(图1)。在线流变仪可以像机器上的注塑模具一样使用。在线流变仪的测量原理与高压毛细管流变仪的测量原理相似。在注射过程中,螺杆将熔体推过槽形毛细管。压力差通过沿流路放置的两个组合式压力和温度传感器4021A(制造商:KistlerInstrumenteAG,瑞士温特图尔)测定(图2)。
 
图2根据已知的尺寸和给定的体积流量,代表性粘度可通过测量两个传感器位置之间的压力差来计算(来源:IKV)
 
代表性粘度可根据已知的毛细管尺寸、压力传感器的位置、体积流量和压力差进行计算。此次试验选用了横截面为20mmx1mm的毛细管,以便能够在薄壁注塑成型中再现高剪切速率。
 
通过改变加料速度、动态压力和注射速度这三个因素即可测量并比较紧凑型熔体和充填发泡剂熔体的代表性粘度(图3)。相应的值由槽形毛细管中的两个传感器之间的压力差得出,并可根据哈根-泊肃叶定律用已知的流道横截面和指定的体积流量进行计算。每个测试点重复十次。
 
图3在三个熔体温度条件下测得的聚丙烯FPC45的代表性粘度是确定粘度降低可能性的基础(来源:IKV)
 
代表性粘度在所有试验温度条件下均发生了显著变化,但在200°C时,最高粘度从7.6Pa·s降至6.9Pa·s,降低了9.1%。由于标准偏差较小,因此可以假定发泡剂的注入可重复且在熔体中分布均匀。由于工艺要求高且涉及大批量,粘度的波动给包装应用加工商带来了极大的困难,因此低标准偏差的前景尤其光明。
 
充填发泡剂对部件质量的影响
 
为了评估发泡剂充填的均匀性,我们对盒形部件进行了更多测试。这些测试使用了具有两个型腔的模具。该模具可安装适用于壁厚为1mm或0.7mm的盒子的嵌件(图4)。所得到的流路/壁厚比无法匹配薄壁应用的工艺水平,但这种构型可用于评估发泡剂对特定部件所选塑料的影响。
 
图4 带阀式浇口热流道的盒形双模被用于研究充填发泡剂对部件质量的影响(来源:IKV)
 
我们对通过传统注塑工艺用选定塑料生产的盒子和发泡盒子进行了比较(图5)。直接比较的结果表明,充填发泡剂影响了注塑件的不透明度和部件壁的形变。在紧凑型部件中,无论何种塑料均可见到内部变形。由于外观的原因,侧壁向内弯曲清晰可见。
 
图5 与紧凑型部件相比,发泡部件表现出更低的翘曲和透明度差异(来源:IKV)
 
此外,发泡剂的添加不同程度地降低了这三种塑料的翘曲。PHC27和FPC45的侧壁弯曲最小,而MoplenEP600V的变形也略小于紧凑型部件。从部件上还可以看出不同的发泡成型适用性,例如,PHC27部件具有不透明的侧壁,表明熔体沿流路均匀发泡;而由FPC45制成的部件呈现不同透明度的交替表面,表明发泡不均匀。由于这些部件均为完全填充,可想而知,比PHC27更低的粘度将产生降低的发泡效果或者可能在注射工艺开始之前就已存在不均匀的气体熔体混合物。
 
除了浇口条纹,粘度最低的MoplenEP600V未见明显起泡。由于这种材料还被用于粘度降低的测量,因此可以认为该材料的低熔体强度不能使熔体发泡。但是,在部件本身上看不出任何肉眼可见差异。因此,应考虑对性能进行后续机械分析。
 
发泡注塑成型用于包装行业的限制
 
热塑性发泡塑料注塑成型在包装行业的应用潜力无可置疑。但是,为了使该方法更适合实际应用,我们还需要对其他因素进行研究,例如,发泡剂的注入是否会使光学和机械性能发生变化以及计量参数的变化会对计量时间产生哪些影响。由于周期时间在包装工艺中起着重要的作用,因此有必要将重心放在计量时间上。据称,TrexelGmbH已经能够为注塑机配备专为包装应用而设计的工厂技术来缩短周期时间。因此,发泡塑料注塑成型对于包装制造商而言更具吸引力。
 
为了确定该工艺是否适合实际应用,还需要对更高的流路/壁厚比进行进一步研究。由于发泡剂(例如,氮气)会从生产的部件中散发出来,因此还必须确定它对IML组合工艺(模内贴标)的影响以及影响程度,因为IML工艺也常被用于包装应用。
 
该项目在后续过程中将对不同的标签进行描述并使用含发泡剂的熔体进行后成型。随后,还将对复合强度和光学印模进行分析。除了试验研究之外,该项目还将对工艺进行模拟,帮助用户更轻松地进行产品后期设计,以便通过热塑性发泡塑料注塑成型进行薄壁应用。
 
发泡注塑成型的潜力与挑战
 
潜力:(1)熔体吹塑剂的加入降低了玻璃化温度和粘度;(2)由于粘度降低,可以填充较长的流动路径或调整加工参数,如,降低熔体温度或注塑压力;(3)得益于发泡剂压力充当保压压力,可用于生产低翘曲模塑件。
 
挑战:(1)只有组合的工艺才能帮助生产没有因为加工过程产生的表面瑕疵(如银色条纹、熔体喷发或冷移区域)的高表面质量发泡注塑组件;(2)只有采用合适的热塑性发泡注塑成型组件设计方案,该工艺才能充分发挥其优势;(3)只有在所有容积分支的基础上对流路相关的组件属性进行量化,才能实现满足要求的组件设计。
 

 

本文翻译自KUNSTSTOFFE INTERNATIONAL杂志

作者:Christian Hopmann,Yuxiao Zhang,Katrin Theissen

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