專利名稱：一種熱塑性樹脂制品的氣體輔助注射成型工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種熱塑性樹脂制品的氣體輔助注射成型工藝，特別涉及一種用壓縮氮氣在熔融樹脂料進入模具內(nèi)的型腔之前加入到熔融樹脂中，在形成均勻的熔融樹脂/氣體混合物之后注入到已經(jīng)用壓縮氣體建立了一個充分穩(wěn)定的氣體反壓的成型模具的型腔中成型工藝。
背景技術(shù)：
近年來，隨著注塑制品在各種領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，例如家用電器(如電視，電話等)和移動式電子設(shè)備(如，手提電腦，手機等)工業(yè)、商用設(shè)備、汽車零部件制造、以及日用工業(yè)領(lǐng)域等，出于制品的成本和功能等方面考慮，越來越要求制品薄壁化和輕量化。與此同時，出于組合裝配的需要，對制品的尺寸精度以及其穩(wěn)定性提出更高的要求；對外部殼體制品還要求制品具有優(yōu)質(zhì)表面質(zhì)量(例如可直接噴涂或印刷)。
用傳統(tǒng)的注塑工藝在生產(chǎn)這類薄殼類制品時，需要采用高的注射壓力和保壓壓力來實現(xiàn)，有時達到200MPa以上。所帶來的后果是，制品定向程度大、制品較重、成型周期長，還有翹曲變形，尺寸不穩(wěn)定等缺陷。采用這種方法的另一方面缺點是注塑設(shè)備的投資大。為提高充型能力，有時采用較高的注塑溫度，然而一方面對熱敏性樹脂不適用，另一方面冷卻時間相應(yīng)增長，制品的熱收縮應(yīng)力增大，同樣會導(dǎo)致制品表面縮痕、翹曲變形和尺寸精度差等缺陷。為消除翹曲變形、局部塌陷、縮痕等缺陷，有建議使用外部氣體成型工藝。其中一種是在樹脂熔融料注入到型腔內(nèi)之后再將高壓氮氣(壓力在20MPa左右，甚至更高)注入到樹脂料和型腔表面之間部分區(qū)域，從而將樹脂料壓向另一方向的型腔表面以使制品的該表面獲得飽滿無縮痕的表面，這種工藝的主要目的是補償冷卻時的熱收縮，對僅需要一個裝飾表面的制品是有效果的，但是在生產(chǎn)流長比大的薄壁制品時，依然需要采用其他工藝措施來實現(xiàn)料流充滿型腔，例如采用高的注射壓力等。因此這種工藝在生產(chǎn)流長比大的尺寸精度高的制品時具有局限性。
如上所述，采用實體注塑很難完全解決問題，特別是制品重量問題，而發(fā)泡后的塑料制品由于包括眾多的泡孔，生產(chǎn)相同的體積的制品肯定比密實的材料要少，同時泡孔尺寸越小，密度越高，發(fā)泡制品的性能越好，相對于密實制品的性能改變也越小，這是因為塑料基體起到了主導(dǎo)作用，然而傳統(tǒng)的低壓結(jié)構(gòu)發(fā)泡工藝很難有效控制泡孔的尺寸和分布，為解決這些問題，現(xiàn)在有許多公開的專利文獻描述了形成細密泡孔(包擴微孔材料)的方法和工藝。例如美國專利第4473665號(MARTINI-Vvedensky等人；1984年9月25日)描述用來制作具有直徑小于大約100微米的泡孔的發(fā)泡聚合物的過程。在這項技術(shù)中，材料的母體處于發(fā)泡劑飽和狀態(tài)，該材料被置于高壓之下，而且壓力快速下降，以使發(fā)泡劑成核并且為泡孔的形成創(chuàng)造條件，然后，材料被迅速凍結(jié)以維持預(yù)持的微孔分布。
美國專利第5158986號(Cha等人)描述了使用超臨界流體作為發(fā)泡劑形成微孔聚合物材料，通過快速壓降或快速加熱來實現(xiàn)。
美國專利第5866053號(Park等人)描述用來形成微孔微孔泡沫塑料的連續(xù)加工過程，在發(fā)泡劑和聚合物的單相溶液上的壓力被迅速降低，以使材料形成足夠高密度的泡核，以致在最終產(chǎn)品上形成微孔結(jié)構(gòu)。
在中國專利文獻中，CN1174845C和CN1325337A中揭示了注入超臨界流體的方法和一些成型工藝，聲稱可以生產(chǎn)微孔發(fā)泡的注塑制品，特別在生產(chǎn)薄壁制品時能夠減小或消除翹曲和變形，并能減輕制品的重量。通過在超臨界狀態(tài)下加入按重量計小于0.08％發(fā)泡劑或1％到25％之間的發(fā)泡劑(氮氣/或二氧化碳)進入到塑化單元中的熔融樹脂中，形成均勻混合物或單相溶液，然后在成核路徑中通過快速壓降成核，最后注入到型腔中，由于二氧化碳/或氮氣在與熔融樹脂充分混合后，混合物的黏度顯著降低，而這種混合物在注射充型過程中極易發(fā)生噴射流，因而制品表面上存在噴射斑和表面發(fā)泡等缺陷；同時由于樹脂流在型內(nèi)流動過程中泡核會長大，泡孔在流峰破裂，因而不可避免地出現(xiàn)旋紋，八字紋等傳統(tǒng)發(fā)泡工藝所出現(xiàn)的缺陷外觀現(xiàn)象。另一方面隨著流長比增大，泡孔在流動過程中長大，導(dǎo)致出現(xiàn)內(nèi)泡、縮窩、爆裂以及短射等嚴(yán)重缺陷，這些缺陷的存在，限制了這種技術(shù)的應(yīng)用，特別是對較大面積的制品。在專利公開CN1325337A中揭示了一些類似于共注的方法來試圖解決這些表面缺陷，然而很難控制表皮層的樹脂量和防止表皮層被發(fā)泡層充破。
在中國專利文獻CN1104316C中揭示了一種方法試圖解決表面質(zhì)量等方面的問題，采用超臨界二氧化碳和/或氮氣按在0.1-30之間的重量份加入到連續(xù)塑化器中形成相互溶解狀態(tài)，然后注入到高于超臨界狀態(tài)壓力預(yù)壓的模具型腔中，在型腔內(nèi)控制成核發(fā)泡，但在其實施中發(fā)現(xiàn)，預(yù)壓型腔的氣體壓力需要超過8MPa以抑制充型過程中發(fā)泡，然而其結(jié)果是需要很高的注射壓力才能克服這樣高的氣體反壓實現(xiàn)充型，并且限制了減重，故成型的制品殘存很大的應(yīng)力，同時要消耗大量氣體來進行型腔預(yù)壓，增加生產(chǎn)成本。
在中國專利文獻CN01821564.5中揭示的一種發(fā)泡工藝方法，聲稱發(fā)泡劑(二氧化碳或氮氣)含量在0.05％到10％之間，但同樣采用7MPa或更高壓力的二氧化碳預(yù)壓模具型腔，用于控制型腔流峰發(fā)泡；同時采用溢料井工藝來卸除發(fā)泡壓力，縮短成型周期和實現(xiàn)減重效果，然而在薄壁制品或流長比大的制品中很難實現(xiàn)溢料井的功能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是致力于找到一種經(jīng)濟有效的方法來生產(chǎn)薄殼類制品，使制品的尺寸精度高且穩(wěn)定，而且表面質(zhì)量優(yōu)異，重量明顯低于傳統(tǒng)實體注塑成型的制品。本發(fā)明的工藝通過利用在超臨界氮氣和/或二氧化碳與熔融樹脂形成混合物后的低黏度和能易形成均勻的微小泡孔的特性，然后利用較低壓力的氣體反壓控制充型過程，經(jīng)濟有效地生產(chǎn)具有各種優(yōu)質(zhì)的薄殼類制品。
本發(fā)明目的實現(xiàn)由以下技術(shù)方案完成本發(fā)明所述的工藝包括以下步驟1)在樹脂被塑化并被注入到成型模具的型腔之前，向熔融樹脂中注入和混合超臨界氮氣和/或二氧化碳，超臨界氣體注入量按重量百分比計算為熔融樹脂量的0.08％到5％之間，形成均勻的熔融樹脂/氣體混合物，包括均勻的單相溶液；2)在將熔融樹脂/氣體混合物注入到成型模具的型腔中之前，向模具型腔內(nèi)注入壓縮氣體建立在0.6MPa到5MPa之間一個穩(wěn)定的反壓壓力；3)用高于型腔中氣體壓力的一個穩(wěn)定的注射壓力將體積為85-100％的成型制品型腔容積的熔融樹脂/氮氣混合物注射充填到成型模具的型腔中，并控制2)中所述氣體壓力充分穩(wěn)定直到樹脂混合物注射完成；4)快速卸除型腔中的氣體反壓，并冷卻形成制品。
其中，步驟1)注入的氮氣量按重量百分比為0.1％～2％范圍；步驟1)中熔融樹脂具有一個在5MPa到30MPa之間的一個穩(wěn)定的壓力，注入到熔融樹脂中的氮氣和/或二氧化碳的壓力是超過熔融樹脂的壓力0.50MPa到0.65MPa之間的一個穩(wěn)定壓力，氮氣和/或二氧化碳的溫度為20℃以上200℃以下的一個穩(wěn)定的溫度；步驟1)中熔融樹脂具有一個優(yōu)選在10-20MPa之間的一個穩(wěn)定的壓力；步驟2)使型腔內(nèi)建立一個穩(wěn)定的反壓壓力，該氣體反壓壓力優(yōu)選在0.8MPa到3.5MPa之間；步驟2)使型腔內(nèi)建立一個穩(wěn)定的反壓壓力，該氣體反壓壓力更優(yōu)選在1MPa到2MPa之間；所述步驟2)中向型腔內(nèi)注入的氣體是氮氣和/或二氧化碳；所述的成型模具包括成型制品的型腔，在分型面上安裝的密封系統(tǒng)，在型腔離澆口最遠的部位或最后充型的部位設(shè)置有狹縫；所述的成型模具包括成型制品的型腔，在分型面上安裝的密封系統(tǒng)，在型腔離澆口最遠的部位或最后充型的部位設(shè)置有一個或多個多孔材料制成的型腔表面。
本發(fā)明優(yōu)點是一方面實現(xiàn)熔融樹脂/氣體混合物能夠在均勻壓力狀態(tài)下平穩(wěn)充填型腔和控制充型速度，另一方面保持在熔融樹脂中的氣體在充型過程中狀態(tài)穩(wěn)定，不能逸出。由于充型過程中和充型完畢后，與溫度較低的型腔表面的接觸的熔融樹脂/氣體混合物會先行凝固，氣體無法析出，因而表面沒有發(fā)泡成型所見的缺陷。而在改變壓力狀態(tài)后(即快速卸除氣體反壓后)，熔融樹脂/氣體混合物中氣體會逸出，聚集形成均勻細小的泡，分布在聚合物的基體中，補充冷卻時產(chǎn)生的收縮，和消除制品中的應(yīng)力。


圖1為一種氣體輔助注塑成型系統(tǒng)示例圖；圖2a顯示的是合模后，向模具內(nèi)注背壓氣體；圖2b顯示向型腔內(nèi)注射熔融塑料混合物；圖2c顯示熔融塑料混合物充滿型腔，而后卸除型腔內(nèi)氣壓；圖2d顯示冷卻后，制品脫模。
圖3a到圖3c顯示氣輔成型中三種壓力-時間曲線示例具體實施方式
以下結(jié)合附圖通過實施例對本發(fā)明特征及其相關(guān)特征作進一步說明，以便技術(shù)人員的理解實施例1如附圖示，其中1-17的標(biāo)號分別表示1-高壓氣源、2-氣體壓力控制器、3-氣體注射器或注氣段、4-熔料壓力傳感器、5-混合器、6-注射噴嘴、7-型腔內(nèi)氣體壓力傳感器、8-注氣和排氣通道、9-塑化/注射單元驅(qū)動系統(tǒng)、10-塑化螺桿、11-機筒、12a-定模板、12b-動模板、13a-半模(定)、13b-半模(動)、14-高壓氣體管道、15-成型后制品、16-型腔、17-密封系統(tǒng)圖3a中曲線31為熔融樹脂或熔融塑料在機筒/螺桿的計量段或注氣段內(nèi)的壓力變化曲線循環(huán)。t1到t2時間段為塑化單元預(yù)塑和計量行程時間，t2到t3為塑化單元從計量轉(zhuǎn)換到注射并預(yù)壓縮行程時間，t3到t4為注射行程時間，t4到t1為截流注嘴關(guān)閉塑化單元轉(zhuǎn)為預(yù)塑和計量的時間。
圖3b中曲線32是壓縮惰性氣體注入到熔融塑料中的壓力-時間曲線，t5-t6段為氣體注入到熔融樹脂體中的時間，該時間段一般安排在塑化單元預(yù)塑計量行程，時間長度可以設(shè)定，在此期間內(nèi)，注氣壓力最好保持充分穩(wěn)定；t6-t5段停止注氣或降低供氣壓力使注氣停止。
圖3c中曲線33為在模具型腔16中反壓氣體的壓力-時間曲線。t8-t9段為合模后熔融樹脂體被注入到型腔之前向型腔中注入反壓氣體，并建立起壓力；t9-t10段為熔融樹脂被注入到型腔中時被控制的氣體反壓壓力；t10-t11段為快速卸除氣體反壓階段。
這里所描述的氣體壓力-時間均由氣體壓力控制器2所控制；熔融樹脂壓力由注塑機控制。同時氣體壓力控制器2可接收處理熔料壓力傳感器4和型腔內(nèi)氣體壓力傳感器8實測的壓力，處理后可供注塑機的控制系統(tǒng)進一步處理和進行相應(yīng)控制。氣體壓力控制器2和注塑機的控制系統(tǒng)能夠相互連接，實現(xiàn)工藝循環(huán)控制。
本發(fā)明的成型工藝適合所有的可注射成型的熱塑性樹脂，包括聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、丙烯酸樹脂、苯乙烯樹脂、聚對苯二甲酸乙二醇脂、聚對苯二甲酸丁二醇脂、聚丙烯酸酯、聚苯醚樹脂、改性聚苯醚樹脂、全芳族聚酯、聚縮醛樹脂、聚碳酸脂、聚醚酰亞胺、聚醚砜、聚酰胺系樹脂、聚砜、聚醚酮等熱塑性塑料材料，以及將其一種或兩種以上進行混合的混合物。
為很好地體現(xiàn)本發(fā)明，設(shè)計一副成型模具，內(nèi)有一個型腔尺寸為500mm長、125mm寬、2.3mm厚的板類零件，在長度方向的兩端為折彎結(jié)構(gòu)，如圖2中制品15所示形狀，澆口位于制品的中心。在型腔的外部開設(shè)密封槽，用于安裝O形密封圈。在長度方向兩端開設(shè)進氣/排氣通道8，并在模具連接在一起，并與氣體壓力控制器2連接。在氣體通道8中安裝氣體壓力傳感器7用于測量型腔中的氣體反壓壓力并反饋給氣體壓力控制器2。氣體壓力控制器2與注塑成型機的控制系統(tǒng)連接，用于相互交換參數(shù)和信號。
注塑機為東華機器公司的F2系列機器，鎖模力250噸，螺桿長徑比為22∶1。經(jīng)過改造，在預(yù)塑計量段安裝注氣裝置3，并在注氣裝置3的下游方向安裝熔融料壓力傳感器4，并安裝靜態(tài)混料器5和液壓截流式噴嘴6。該注氣裝置3、壓力傳感器4及液壓截流式噴嘴6與氣體壓力控制器2連接。而氣體壓力控制器2與高壓氣源1連接，用于向注氣裝置3和型腔供氣和進行控制。
實施該工藝所用的塑料原材料為HIPS(Starex)。
1)在樹脂被塑化并被注入到成型模具的型腔之前，向熔融樹脂中注入和混合超臨界氮氣，超臨界氣體注入量按重量百分比計算為熔融樹脂量的0.08％，形成均勻的熔融樹脂/氣體混合物；2)在將熔融樹脂/氣體混合物注入到成型模具的型腔中之前，向模具型腔內(nèi)注入壓縮氣體建立在0.6MPa的反壓壓力；3)用高于型腔中氣體壓力的一個穩(wěn)定的注射壓力將體積為85％的成型制品型腔容積的熔融樹脂和氮氣混合物注射充填到成型模具的型腔中，并控制2)中所述氣體壓力充分穩(wěn)定直到樹脂混合物注射完成；4)快速卸除型腔中的氣體反壓，并冷卻形成制品。
其中，步驟1)注入的氮氣量按重量百分比為0.1％～2％范圍；步驟1)中熔融樹脂具有一個在15MPa的一個穩(wěn)定的壓力，注入到熔融樹脂中的氮氣的壓力是超過熔融樹脂的壓力0.50MPa的一個穩(wěn)定壓力，氮氣的溫度為20℃；步驟2)使型腔內(nèi)建立一個穩(wěn)定的反壓壓力，該氣體反壓壓力優(yōu)選在3MPa；所述的成型模具包括成型制品的型腔，在分型面上安裝的密封系統(tǒng)，在型腔離澆口最遠的部位或最后充型的部位設(shè)置有狹縫。
實施例2采用與實施例1同樣的方法、模具以及材料，只是在預(yù)塑計量時將注入到熔融樹脂料中的氣體改為按重量計為1％的超臨界氮氣(溫度為40℃)。這時用3MPa的氮氣充入型腔預(yù)壓，用90MPa的注射壓力注射。而且制品的表面飽滿光潔，無發(fā)泡缺陷。經(jīng)稱量，制品重約為161克。降低型腔中的氣體反壓到1MPa，用85MPa的注射壓力注塑，也能獲得表面質(zhì)量良好的制品，制品的重量同時降到約152克。進一步將型腔內(nèi)的氮氣壓力降低到約0.7MPa，將注射壓力降低到80MPa也能實現(xiàn)完全充型，制品重量能夠被進一步降低；但表面易出現(xiàn)放射紋等現(xiàn)象。
實施例3采用與實施例1同樣的方法、模具以及材料，只是在預(yù)塑計量時將注入到熔融樹脂料中的氣體改為按重量計為0.2％的超臨界氮氣(溫度為40℃)。這時用0.8MPa的氮氣充入型腔預(yù)壓，用80MPa的注射壓力就能完成充型。而且制品的表面飽滿光潔，無發(fā)泡現(xiàn)象。經(jīng)稱量，制品重約為152克。
但如果撤除型腔中氣體反壓，可以實現(xiàn)用80MPa的壓力充型，但表面有明顯的結(jié)構(gòu)發(fā)泡的缺陷。
權(quán)利要求
1.一種熱塑性樹脂制品的氣體輔助注射成型工藝，其特征是，所述的工藝包括以下步驟1)在樹脂被塑化并被注入到成型模具的型腔之前，向熔融樹脂中注入和混合超臨界氮氣和/或二氧化碳，超臨界氣體注入量按重量百分比計算為熔融樹脂量的0.08％到5％之間，形成均勻的熔融樹脂/氣體混合物，包括均勻的單相溶液；2)在將熔融樹脂/氣體混合物注入到成型模具的型腔中之前，向模具型腔內(nèi)注入壓縮氣體建立在0.6MPa到5MPa之間一個穩(wěn)定的反壓壓力；3)用高于型腔中氣體壓力的一個穩(wěn)定的注射壓力將體積為85-100％的成型制品型腔容積的熔融樹脂/氮氣混合物注射充填到成型模具的型腔中，并控制2)中所述氣體壓力充分穩(wěn)定直到樹脂混合物注射完成；4)快速卸除型腔中的氣體反壓，并冷卻形成制品。
2.如權(quán)利要求1所述的一種熱塑性樹脂制品的氣體輔助注射成型工藝，其特征是，步驟1)注入的氮氣量按重量百分比為0.1％～2％范圍。
3.如權(quán)利要求1所述的一種熱塑性樹脂制品的氣體輔助注射成型工藝，其特征是，步驟1)中熔融樹脂具有一個在5MPa到30MPa之間的一個穩(wěn)定的壓力，注入到熔融樹脂中的氮氣和/或二氧化碳的壓力是超過熔融樹脂的壓力0.50MPa到0.65MPa之間的一個穩(wěn)定壓力，氮氣和/或二氧化碳的溫度為20℃以上200℃以下的一個穩(wěn)定的溫度。
4.如權(quán)利要求1所述的一種熱塑性樹脂制品的氣體輔助注射成型工藝，其特征是，步驟1)中熔融樹脂具有一個優(yōu)選在10-20MPa之間的一個穩(wěn)定的壓力。
5.如權(quán)利要求1所述的一種熱塑性樹脂制品的氣體輔助注射成型工藝，其特征是，步驟2)使型腔內(nèi)建立一個穩(wěn)定的反壓壓力，該氣體反壓壓力優(yōu)選在0.8MPa到3.5MPa之間。
6.如權(quán)利要求1所述的一種熱塑性樹脂制品的氣體輔助注射成型工藝，其特征是，步驟2)使型腔內(nèi)建立一個穩(wěn)定的反壓壓力，該氣體反壓壓力更優(yōu)選在1MPa到2MPa之間。
7.如權(quán)利要求1所述的一種熱塑性樹脂制品的氣體輔助注射成型工藝，其特征是，所述步驟2)中向型腔內(nèi)注入的氣體是氮氣和/或二氧化碳。
8.如權(quán)利要求1所述的一種熱塑性樹脂制品的氣體輔助注射成型工藝，其特征是，所述的成型模具包括成型制品的型腔，在分型面上安裝的密封系統(tǒng)，在型腔離澆口最遠的部位或最后充型的部位設(shè)置有狹縫。
全文摘要
本發(fā)明的工藝是將超臨界狀態(tài)的氮氣和/或二氧化碳在熔融樹脂料被注射到模具型腔之前加入到熔融樹脂料中，并使之與熔融樹脂充分混合/勻化；然后注入預(yù)先由壓縮氣體充填的模具的型腔中，并在熔融樹脂/氣體混合物充型過程中，控制型腔中氣體壓力直至熔融樹脂/氣體混合物與模具內(nèi)的型腔表面完全接觸；冷卻后成型的制品具有尺寸精度高且穩(wěn)定，質(zhì)量輕，優(yōu)異的表面質(zhì)量。
文檔編號B29C45/26GK101028739SQ20061002416
公開日2007年9月5日 申請日期2006年2月27日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月27日
發(fā)明者唐慶華, 劉鴻飛, 桓鎖成 申請人:北京中拓機械有限責(zé)任公司