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低压发泡注塑工艺的应用

日期:2019-04-02 14:05 作者:admin 阅读:

    大型水处理设备塑料制品,如环保水箱重量大、壁厚厚。采用常规高压注塑工艺加工,由于注塑压力大、保压时间长,产量低、能耗高;产品内应力大,变形严重,产品易开裂,装配存在问题。国外经验,厚壁塑料产品应该采用低压发泡注塑技术加工。HDPE材质的大型厚壁水处理产品开发过程涉及模具开发、加工工艺确定、产品评估和验收等内容,为其他水处理塑料产品的开发提供思路。 


  高压注塑技术是国内常见的塑料制品加工技术,应用经验丰富,注塑机为普通高压注塑机。高压注塑技术即热塑性塑料经注塑机加热成热熔胶,被注塑机推料螺杆以较高压力注射进模具腔内,再经冷却、保压、成型的加工技术。高压注塑产品的开发过程包括产品造型、模具开发、试模、加工参数确定和量产。由于注胶、冷却和保压过程压力高,产品被模腔高压包裹,产品造型需要充分考虑拔模斜度,以便于拔模,影响产品功能;注塑材料存在收缩性,模具应根据材料收缩率放大来确保产品整体尺寸符合要求,但加强筋位置缩水不能改善。经验表明采用高压注塑技术加工薄壁小型产品是可行的。 


  但采用高压注塑技术加工壁厚大于6mm的HDPE环保水箱产品,由于材料收缩率大,产品变形严重;模具抽芯距离长,拔模斜度大,产品壁厚不均;产品内应力大,容易开裂,无法获得满意的产品。 寻求合适的注塑加工技术是厚壁HDPE水处理产品的关键。 


  国外采用发泡技术注塑加工厚壁塑料取得成功,产品尺寸和形状饱满、内应力小、缩水消除、变形小、重量降低、强度增加。 


  发泡技术有低压化学发泡注塑技术、多通道注塑发泡注塑技术和物理发泡注塑技术等。低压化学发泡注塑技术,即热塑性塑料中添加入化学发泡剂,低压注胶成型技术;为缩短注射距离,降低注塑机尺寸,开发多通道低压注塑机注塑加工发泡产品;物理发泡技术,注塑机采用专用螺杆,添加超临界气体,注塑加工发泡产品,该技术在国外得到迅速推广,逐渐取代化学发泡技术。 


  由于发泡注塑工业规模小,进口低压注塑机和多通道注塑机价格昂贵,物理发泡技术专利费用高昂,相关技术研发难度大,我国发泡注塑技术发展极为缓慢。国内采用普通单通道高压注塑机,塑料添加发泡剂,螺杆以低压力注胶,注胶结束及时回撤螺杆或安装针阀或锁闭式喷嘴,截断螺杆至模具腔内的压力传递,低背压注塑加工发泡产品。但发泡注塑案例很少,更没有建立完善的应用标准和指导。 


  根据国内注塑机类型和技术水平,大型厚壁HDPE水处理产品采用低压发泡注塑技术加工,其产品造型设计、模具设计、发泡剂选择,以及工艺控制是产品开发的重点。 


  开发过程:大型厚壁HDPE水处理产品开发的目的在于采用低压发泡注塑技术,降低产品收缩率,提高产品尺寸和形状规格,减小变形量,减轻产品重量,并加快产品加工效率。 


  模具设计和应用确保能够实现低压发泡注塑和产品快速成型的要求。 


  1 产品设计 
  产品的壁厚大于6.0mm,其造型应确保热熔胶在模腔内快速流动和各部位壁厚均匀。壁厚变化部位平滑过渡,热熔胶流动途径部位产品各R角半径最好大于产品的平均厚度;采用低压注塑,不考虑拔模斜度,整体产品壁厚均匀。 


  2 模具设计 
  2.1 收缩率 
  HDPE材料添加发泡剂,采用低压发泡注塑进行实验,结果显示产品收缩率小于0.5%,则模具设计放大0.5%或不放大。 


  2.2 模具安装针阀式热流道及胶口设计 
  厚壁HDPE环保水箱理论重量11.8Kg,平均壁厚大于6.0mm,产品设计尺寸为1000 x300x300mm,热熔胶在模具模腔内的平均流动距离设计为小于400mm,模具共安装8根针阀式热流道,如图2,顶部安装六根单胶口热流道,两侧各安装1根多胶口热流道,各注胶胶口设计为大水口,口径大于10mm。

 
  2.3 冷却 
  注胶结束,发泡产品在模腔内应快速冷却,随着温度降低,发泡剂停止分解,产品定型,内应力消除。冷却方式设计为冰水冷却,冷却水管径为12mm。通水冷却时间通过电磁阀控制。 


  2.4 排气 

  低压发泡模具相对于传统高压模具,排气槽应适当加宽。分析热熔胶流动的阻力状态,并根据试模结果在恰当位置设置扎包。 


  3 发泡剂及添加比例 


  根据HDPE材料特性选择合适的昊智新材料PE注塑厚壁专发泡母粒,建议添加2-3.5%


  采用小型厚壁产品模具进行实验。 


  发泡剂与HDPE塑料颗粒按比例加入混料机中充分搅拌10分钟以上至混合均匀,备用。

 
  采用1200吨普通单注射螺杆注塑机实验,注胶压力设定为30bar,通过比较比较各组分低压发泡产品的泡孔分布状态。

 
  4 工艺控制 


  4.1 注胶螺杆温度设定 

     注胶螺杆温度设定为抛物线状,即炮筒温度中间高,两端低。加料段、压缩段和计量段温度设定为195°C、215°C和195°C,混有发泡剂的HDPE塑料颗粒在加料段开始熔化,压缩段进一步熔化,流动性增强,高温使得发泡剂分解产生气体,均匀分布于塑料熔胶中;计量段温度降低,静态压力增加,气泡被有效保存在熔胶中。

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 4.2 炮筒压力设定 

    加料段、压缩段和计量段实验压力设定为50bar、80bar和40bar至55bar,保证快速注胶。试模过程,螺杆计量段压力由高至低测试,实验确定计量段注胶压力位48bar。 


  4.3 注胶速度 

     设定为最大,总计进料时间小于12秒。 


  4.4 顺序进料 

     控制各点热流道的进料顺序和进胶量是确保产品发泡均匀、产品饱满的保障。如图2,水箱产品顶部6点注胶口由中间向两端距注塑机注胶口距离越远,如不加以控制,热熔胶将会由中间向两端推进,阻力越来越大,模腔内压力分布不均。试模实验表明,通过控制针阀,两端胶口先进料,中间胶口最后进料,能够快速注胶,降低注胶阻力,提高模腔内压力分布均匀性。

 
  4.5 模温控制 
  产通过快速冷却,发泡剂停止分解发泡,产品快速定型,内应力消除,同时可提高生产效率。但冷却时间过长,HDPE材料表面完全固化,将增加材料与模具之间摩擦力,不利于拔模动作。 


  4.6 保压 
  注胶结束,通过时间控制热流道针阀关闭,隔离注塑机螺杆对模具模腔的压力传递,模腔背压消除,模腔内压力迅速降低,热熔胶中高压气体析出,气泡体积增大,形成均匀分布的微米级微气泡。区别于高压注塑工艺,不进行保压是低压发泡注塑工艺的重要特点。 


  5 结论 
  通过对HDPE环保水箱尺寸测量、变形状况分析、泡孔结构和分布状况观察、产品减重测算,综合评估低压发泡注塑技用于开发水处理产品的优势如下: 


  (1)产品平整度高,基本无翘曲变形。

 
  (2)各尺寸误差均在允许误差范围之内。 


  (3)收缩率小于0.4%,无收缩痕。 


  (4)锯开不同位置,各断面,熔接线位置以外,泡孔分布均匀,发泡层和结皮层界线明显,发泡层约为3.5mm,结皮层约为1.5mm,产品结构强度较高,无论承重还是接头连接强度,均增强。 


  (5)产品减重约18%,整体形状饱满。 


  (6)由于无保压过程,生产效率较普通高压注塑提高3倍以上。 


  总之,低压发泡注塑工艺能够消除厚壁环保水箱等产品的内应力,减少产品变形和收缩,能够保证产品的形状和尺寸要求,确保产品的使用性能。低压发泡技术通过对产品造型和模具的优化设计,试模确定合适的工艺参数,有效控制低压发泡注塑各流程操作,能够高效注塑加工厚壁塑料水处理产品,此低压发泡注塑工艺也可以应用在注塑PP/ABS/PA等产品上。