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熱塑性發(fā)泡注塑可持續(xù)“變身”

2021-08-31 10:11:34 來源：ENGEL恩格爾 閱讀量：20153 評論
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導讀：ENGEL 以 foammelt 為名提供的熱塑性發(fā)泡注塑 (TSG) 是注塑中最傳統(tǒng)的特殊技術之一。

　　【塑料機械網(wǎng) 技術學堂】 輕量化組件、節(jié)能加工或多個工藝步驟的融合可以納入一個全新的關鍵詞：可持續(xù)發(fā)展。在這方面大有可為的一項技術是熱塑性發(fā)泡注塑。雖然已使用幾十年，但憑借持續(xù)的開發(fā)工作，該工藝仍然具有很大的潛力。林茨約翰尼斯·開普勒大學聚合物注塑技術和過程自動化研究所與 ENGEL 奧地利及 CHAES 能力中心一起，努力利用這一潛力。
 
　　ENGEL 以 foammelt 為名提供的熱塑性發(fā)泡注塑 (TSG) 是注塑中最傳統(tǒng)的特殊技術之一。TSG 工藝的商業(yè)化始于 1950 年代，最初主要是化學工藝。少量發(fā)酵粉被混合到熔體中，以避免組件上的縮孔 [1]。化學發(fā)泡劑的重要性有所增強，并產(chǎn)生了 1970 年代泡沫組件的首次量產(chǎn)[2]。
 
　　今天，在物理 TSG 工藝(例如 Trexel 的 MuCell)中使用超臨界流體(主要是氮和二氧化碳)可以實現(xiàn)微孔泡沫的生產(chǎn)（如下圖）。憑借特殊工藝技術，可以實現(xiàn)小于 100 µm 的泡孔直徑或超過 109 泡孔/cm3 的泡孔密度。這種泡沫形態(tài)特別在沖壓應用中具有優(yōu)勢，因為細小的泡孔起著止裂器的作用 [3]。雖然注塑過程中聚烯烴的發(fā)泡經(jīng)歷了多年的發(fā)展，但仍有許多問題未得到解決。目前的發(fā)展涉及氣體引入的替代方案、塑化單元中的狀態(tài)以及工業(yè) 4.0 技術的使用等。

　　進行物理發(fā)泡注塑時，在塑化過程中將發(fā)泡氣體注入塑料熔體中。(圖片來源：ENGEL)
  
以高經(jīng)濟效益充分利用潛力
 
　　發(fā)泡組件具有三層結(jié)構(gòu)。多孔核心由兩個緊湊的覆蓋層包圍。這種結(jié)構(gòu)已經(jīng)具有優(yōu)勢，因為材料和資源需求減少，可以實現(xiàn)較低的密度。TSG 工藝中典型的密度降低約為 10%，模具和工藝技術的新發(fā)展使(局部)密度降低可達到 50% [4]，這凸顯了該技術的輕量化結(jié)構(gòu)潛力。可持續(xù)發(fā)展的另一個優(yōu)勢是輕質(zhì)結(jié)構(gòu)組件具有非常好的可回收性，因為夾層結(jié)構(gòu)由單一材料構(gòu)成。
 
　　關于發(fā)泡組件的機械性能，突出的是與未發(fā)泡組件相比面積慣性矩增加，因此由于緊湊的中性纖維邊緣層的距離較大而增加了特定彎曲剛度。止裂特性改善了發(fā)泡組件的沖擊行為 [5]。除了機械改進外，這些組件還具有固有的功能，例如隔音或隔熱等，無需其他加工步驟。
 
　　在工藝技術方面，組件成型過程中的均勻氣壓可最大限度地減少變形，從而提高形狀精確性。此外，氣體在加工過程中起著軟化劑的作用。根據(jù)氣體和濃度，材料粘度可降低達 50%，因此在某些情況下可以使用較小的機器。首先，正是這種生態(tài)效益使泡沫注塑更加流行，特別是在當前能源政策發(fā)展的背景下。
 
　　另一方面仍然存在著挑戰(zhàn)，有待 TSG 工藝作為分布廣泛的技術突破來應對。一方面，由于氣體引入聚合物熔體、組件成型過程中的模具運動(負壓印)或配料時對更復雜的壓力調(diào)節(jié)等，機械和工藝技術成本增加。另一方面涉及發(fā)泡組件的表面。由于向熔融前沿的壓力降，該區(qū)域在注塑過程中已形成第一個氣泡。排代流導致氣泡被輸送到冷模具壁并在那里被剪切，這可能形成銀條紋。避免表面缺陷的方法，例如變溫模具溫控或氣體背壓工藝，又與更高的成本和技術工作量相關。
 
　　為了在具有較高經(jīng)濟效益的情況下充分利用泡沫注塑的潛力，需要更好地了解該技術的基本原理(特別是具體應用)，并開發(fā)和測試新的工藝技術。這正是奧地利林茨約翰尼斯·開普勒大學聚合物注塑技術和過程自動化研究所 (IPIM)、總部位于奧地利 Schwertberg 的 ENGEL AUSTRIA GmbH 以及同樣位于林茨的 CHAES GmbH 能力中心正在進行的工作。
 
確定溶解度極限的新方法
 
　　例如，聯(lián)合開發(fā)工作的重點之一是將氣體引入聚合物熔體中。氣體溶液是每個發(fā)泡過程固有的。用作發(fā)泡劑的氣體要么以純物理形式添加，要么作為母料熱分解的分解產(chǎn)物以化學方式直接在塑料熔體中產(chǎn)生。為了獲得均勻的單相溶液，氣體必須在很短的時間內(nèi)混合到熔體中。因此，ENGEL 提供一種專為物理泡沫注塑開發(fā)的塑化螺桿（圖1）。PFS(物理發(fā)泡螺桿)有一個螺旋剪切部分，在氣體引入前，塑料熔體已在這里得到非常好的均勻化處理，這對氣體的均勻分布有積極的影響。此外，螺桿幾何形狀使其可以取消第二個止回閥。結(jié)合可改善耐磨性和耐腐蝕性的新的材料設計，特殊的幾何形狀提高了螺桿的生產(chǎn)率和使用壽命。

　　圖1：PFS 的幾何形狀確保施加氣體的熔體得到更好的均勻化處理。(圖片來源：ENGEL)
 
　　聚合物熔體在某些工藝條件下可吸收的氣體量用溶解度來描述。有許多方法可以描述靜態(tài)形式的溶解度。主要的方法是使用所謂的磁懸浮天平，它具有一個用于進氣的壓力室，與一個置于壓力室外的磁耦合天平相結(jié)合。
 
　　這種靜態(tài)測定的數(shù)據(jù)對于高動態(tài)泡沫注塑過程的相關性可能受到質(zhì)疑，因為任何形式的運動，特別是剪切過程，都被忽略了。此外，靜態(tài)溶解度測量的測量時間持續(xù)數(shù)小時，而注塑過程只允許幾秒鐘至最多幾分鐘讓氣體進入聚合物熔體。科學文獻在談到剪切對氣體溶解度的影響時，描繪了不一致的畫面。一些作者認為剪切不會影響溶解度 [6]，而另一些作者則報告溶解度增加達到 40% [7]。這種差異使 IPIM 開發(fā)了一種新的測量方法，該方法能夠描述動態(tài)條件下(注塑過程中內(nèi)聯(lián))的氣體溶解度。
 
　　理論準備工作的起點是 Sanchez-Lacombe 狀態(tài)方程式 (1)，用于描述 pvT 行為 [8] 并作為聚合物氣體混合物壓縮模量 K (2) 的進一步結(jié)果。
 

 

　　隨著聚合物熔體中的氣體含量增加，混合物的壓縮模量減少（圖 2）。但是，無法描述可能的溶解度極限——聚丙烯中氮的靜態(tài)溶解度約為 2% 至 4%，具體取決于壓力和溫度 [9]。

　　圖2：理論準備工作的結(jié)果：隨著聚合物熔體中的氣體含量增加，混合物的壓縮模量減少。無法描述可能的溶解度極限(連續(xù)線：230 °C，虛線：260 °C)。(圖：JKU)
 
　　因此在注塑機上進行了試驗。壓縮模量表示壓力增加引起的體積變化。這種狀態(tài)也可以在螺桿前室產(chǎn)生，即注塑過程開始時將安裝在塑化單元上的截流噴嘴保持短時間關閉，以壓縮材料。壓力增加和體積收縮可以通過機器內(nèi)部的傳感裝置檢測和評估。這里簡要概述以下思考步驟：氣體的壓縮模量比聚合物熔體低約 10 倍。只要氣體可以溶解在熔體中，就會適度降低混合物的壓縮模量。如果超過溶解度極限，氣體將作為單獨的、壓縮量更大的相存在，這將大幅降低混合物的壓縮模量。因此，當達到溶解度極限時，預計壓縮模量曲線將出現(xiàn)彎折。機器上的測量確認了這種特性（圖 3）。驗證：高氣體含量時的超聲波信號中斷表示有氣泡未溶解。一種以過程為導向的新的測量方法誕生了，它用于根據(jù)壓縮特性確定溶解度極限。

　　圖3：壓縮模量測量示例：曲線中的彎折(左圖)表示已達到溶解度極限。右圖：用于驗證的注射期間的超聲波測量。(圖：JKU)
 
　　基于這種測量方法的最新認識消除了廣泛的誤解。在注塑機上用氮和二氧化碳測量溶解度極限的過程中，可以證明氣體并未完全溶解在塑料熔體中，而只是相當一部分精細分布。因此，這是由于在上述熔體和氣體之間非常短的相互作用時間內(nèi)引入了強烈剪切力以產(chǎn)生盡可能均勻的塑料氣體混合物 [10]。
 
　　借助壓縮模量方法，不僅可以進行材料特性表達，還可以進行過程優(yōu)化。特別具有經(jīng)濟優(yōu)勢的是背壓自動降低到技術上必要的最小值，從而顯著減少了磨損和能耗，并改善了輸送特性。這一發(fā)展基于這樣一種情況，即氣體在壓力過低的情況下不會溶解在材料中，因此是作為單獨的相存在。因此，在具有恒定氣體負荷的壓縮模量施加背壓時，預計曲線會再次急劇下降，這實際上可以在實驗中看到。超聲波測量也證實了這種方法（圖 4）。因此，壓縮模量被證明是過程優(yōu)化和改進發(fā)泡技術中工藝理念的重要工具。
 

 

　　圖4：使用 0.6% 氮時降低背壓的壓縮模量方法應用：在左圖中可以看到過低背壓時壓縮模量的下降。右圖：用于驗證的注射期間的超聲波測量。(圖：JKU)
 
　　將來，注塑機將能夠自動確定和設置所需的最小背壓。今天，智能輔助已經(jīng)是熱塑性泡沫注塑的一個重要主題。iQ weight control 已成功應用于許多化學與物理 foammelt 和 MuCell 泡沫注塑過程。這實現(xiàn)了更高的過程穩(wěn)定性和恒定的組件重量。ENGEL 的 inject 4.0 程序軟件在泡沫注塑中根據(jù)當前條件在逐次注射中調(diào)整注射輪廓和轉(zhuǎn)換點，從而全自動且實時地補償批次波動和環(huán)境條件變化等外部影響。
 
　　借助人工智能發(fā)泡
 
　　人工智能 (AI) 為優(yōu)化發(fā)泡工藝開拓了更大的潛力。具體而言，三個開發(fā)合作伙伴致力于利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡優(yōu)化 TSG 工藝中的組件表面。目的是為未知過程找到經(jīng)過優(yōu)化的過程設置，而無需執(zhí)行復雜的系列試驗。
 
　　在 IPIM 開發(fā)和訓練的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡 (CNN) 如圖 5 所示。以目前的形式，可以將組件分配到其過程設置，從而就參數(shù)調(diào)整提出建議。組件影印的自動化應導致未來的自主優(yōu)化機制。與設置參數(shù)關聯(lián)的情況下，將來系統(tǒng)能夠自動抵消與目標過程的偏差。
 
　　工藝、軟件和機器方面各種各樣的開發(fā)在實現(xiàn)充分利用可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Φ默F(xiàn)代發(fā)泡技術的道路上邁出了重要的一步。這樣，TSG 工藝作為特殊技術聲譽日隆。

 圖5：人工智能正在進入發(fā)泡注塑：卷積神經(jīng)網(wǎng)絡及其參數(shù)調(diào)整輸出圖示。(圖：JKU)
 

 
1914年以來的熱塑性發(fā)泡注塑
 
　　熱塑性發(fā)泡注塑基于最初遠離注塑所開發(fā)的方法。最初基于聚合物的發(fā)泡產(chǎn)品早在 1914 年就已進入市場 [11]，由天然橡膠制成。經(jīng)常使用的是碳酸銨，在添加酸的情況下它釋放出氣體，以實現(xiàn)發(fā)泡過程。在此基礎上，在隨后的二十年開發(fā)了今天仍在使用的兩種工藝：Dunlop 和 Talalay。Dunlop 的原理是空氣與膠凝劑(通常為六氟硅酸鈉)結(jié)合，物理混合到塑料熔體中。Talalay 使用氧作為過氧化氫的分解產(chǎn)物 [12]，因此在發(fā)泡機制和不連續(xù)過程管理方面可以與現(xiàn)代化學發(fā)泡注塑工藝相媲美。
 
　　一個重要的里程碑是發(fā)泡聚苯乙烯。Carl Georg Munters 和 John Gudbrand Tandberg 在這方面的第一項專利源自1932年 [13]。1947 年，Dow Chemical Company(陶氏化學公司)隨即采用了擠壓工藝。聚苯乙烯、成核劑和揮發(fā)性液體發(fā)泡劑的混合物實現(xiàn)了更大發(fā)泡部件的生產(chǎn)。該材料如今以名稱 Styrofoam(聚苯乙烯泡沫塑料)受到保護。僅四年后，BASF 開發(fā)了一種生產(chǎn)可膨脹聚苯乙烯顆粒 (EPS) 的工藝，其發(fā)泡劑在聚合過程中就已添加，隨后在高溫下發(fā)揮其發(fā)泡作用。
 
　　聚烯烴發(fā)泡直到十多年后才出現(xiàn)。在這種工藝中，也是從一開始就在熔體中添加氣體。Frederick L. Johnston 在 1941 年申請了兩種不同的工藝專利 [14]。在第一種工藝中，氮溶解在壓力室溶解在聚乙烯熔體中，而第二種工藝通過發(fā)泡劑的熱分解工作。這兩種工藝已經(jīng)非常類似于今天注塑過程中的物理和化學發(fā)泡工藝，盡管在應用二氧化碳以前又過了四年 [15]。
 

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