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熱塑性發(fā)泡注塑可持續(xù)“變身”
【塑料機(jī)械網(wǎng) 技術(shù)學(xué)堂】 輕量化組件、節(jié)能加工或多個(gè)工藝步驟的融合可以納入一個(gè)全新的關(guān)鍵詞：可持續(xù)發(fā)展。在這方面大有可為的一項(xiàng)技術(shù)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(xué)聚合物注塑技術(shù)和過(guò)程自動(dòng)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(shù)之一。TSG 工藝的商業(yè)化始于 1950 年代，最初主要是化學(xué)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(xué)發(fā)泡劑的重要性有所增強(qiáng)，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(shí)現(xiàn)微孔泡沫的生產(chǎn)（如下圖）。憑借特殊工藝技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)小于 100 µm 的泡孔直徑或超過(guò) 109 泡孔/cm3 的泡孔密度。這種泡沫形態(tài)特別在沖壓應(yīng)用中具有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)榧?xì)小的泡孔起著止裂器的作用 [3]。雖然注塑過(guò)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(wèn)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(shù)的使用等。
進(jìn)行物理發(fā)泡注塑時(shí)，在塑化過(guò)程中將發(fā)泡氣體注入塑料熔體中。(圖片來(lái)源：ENGEL)
以高經(jīng)濟(jì)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(gè)緊湊的覆蓋層包圍。這種結(jié)構(gòu)已經(jīng)具有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)椴牧虾唾Y源需求減少，可以實(shí)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(shù)的新發(fā)展使(局部)密度降低可達(dá)到 50% [4]，這凸顯了該技術(shù)的輕量化結(jié)構(gòu)潛力。可持續(xù)發(fā)展的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是輕質(zhì)結(jié)構(gòu)組件具有非常好的可回收性，因?yàn)閵A層結(jié)構(gòu)由單一材料構(gòu)成。
關(guān)于發(fā)泡組件的機(jī)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(jī)械改進(jìn)外，這些組件還具有固有的功能，例如隔音或隔熱等，無(wú)需其他加工步驟。
在工藝技術(shù)方面，組件成型過(guò)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(guò)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(dá) 50%，因此在某些情況下可以使用較小的機(jī)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(dāng)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(shù)突破來(lái)應(yīng)對(duì)。一方面，由于氣體引入聚合物熔體、組件成型過(guò)程中的模具運(yùn)動(dòng)(負(fù)壓印)或配料時(shí)對(duì)更復(fù)雜的壓力調(diào)節(jié)等，機(jī)械和工藝技術(shù)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(guò)程中已形成第一個(gè)氣泡。排代流導(dǎo)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(shù)工作量相關(guān)。
為了在具有較高經(jīng)濟(jì)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(shù)的基本原理(特別是具體應(yīng)用)，并開發(fā)和測(cè)試新的工藝技術(shù)。這正是奧地利林茨約翰尼斯·開普勒大學(xué)聚合物注塑技術(shù)和過(guò)程自動(dòng)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(jìn)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(diǎn)之一是將氣體引入聚合物熔體中。氣體溶液是每個(gè)發(fā)泡過(guò)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(xué)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(shí)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(gè)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(duì)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(gè)止回閥。結(jié)合可改善耐磨性和耐腐蝕性的新的材料設(shè)計(jì)，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(lái)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(lái)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(gè)用于進(jìn)氣的壓力室，與一個(gè)置于壓力室外的磁耦合天平相結(jié)合。
這種靜態(tài)測(cè)定的數(shù)據(jù)對(duì)于高動(dòng)態(tài)泡沫注塑過(guò)程的相關(guān)性可能受到質(zhì)疑，因?yàn)槿魏涡问降倪\(yùn)動(dòng)，特別是剪切過(guò)程，都被忽略了。此外，靜態(tài)溶解度測(cè)量的測(cè)量時(shí)間持續(xù)數(shù)小時(shí)，而注塑過(guò)程只允許幾秒鐘至最多幾分鐘讓氣體進(jìn)入聚合物熔體。科學(xué)文獻(xiàn)在談到剪切對(duì)氣體溶解度的影響時(shí)，描繪了不一致的畫面。一些作者認(rèn)為剪切不會(huì)影響溶解度 [6]，而另一些作者則報(bào)告溶解度增加達(dá)到 40% [7]。這種差異使 IPIM 開發(fā)了一種新的測(cè)量方法，該方法能夠描述動(dòng)態(tài)條件下(注塑過(guò)程中內(nèi)聯(lián))的氣體溶解度。
理論準(zhǔn)備工作的起點(diǎn)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(jìn)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(wú)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(zhǔn)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(wú)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(jī)上進(jìn)行了試驗(yàn)。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(guò)程開始時(shí)將安裝在塑化單元上的截流噴嘴保持短時(shí)間關(guān)閉，以壓縮材料。壓力增加和體積收縮可以通過(guò)機(jī)器內(nèi)部的傳感裝置檢測(cè)和評(píng)估。這里簡(jiǎn)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?dú)怏w可以溶解在熔體中，就會(huì)適度降低混合物的壓縮模量。如果超過(guò)溶解度極限，氣體將作為單獨(dú)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(dāng)達(dá)到溶解度極限時(shí)，預(yù)計(jì)壓縮模量曲線將出現(xiàn)彎折。機(jī)器上的測(cè)量確認(rèn)了這種特性（圖 3）。驗(yàn)證：高氣體含量時(shí)的超聲波信號(hào)中斷表示有氣泡未溶解。一種以過(guò)程為導(dǎo)向的新的測(cè)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(cè)量示例：曲線中的彎折(左圖)表示已達(dá)到溶解度極限。右圖：用于驗(yàn)證的注射期間的超聲波測(cè)量。(圖：JKU)
基于這種測(cè)量方法的最新認(rèn)識(shí)消除了廣泛的誤解。在注塑機(jī)上用氮和二氧化碳測(cè)量溶解度極限的過(guò)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(dāng)一部分精細(xì)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(shí)間內(nèi)引入了強(qiáng)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(jìn)行材料特性表達(dá)，還可以進(jìn)行過(guò)程優(yōu)化。特別具有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)的是背壓自動(dòng)降低到技術(shù)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(guò)低的情況下不會(huì)溶解在材料中，因此是作為單獨(dú)的相存在。因此，在具有恒定氣體負(fù)荷的壓縮模量施加背壓時(shí)，預(yù)計(jì)曲線會(huì)再次急劇下降，這實(shí)際上可以在實(shí)驗(yàn)中看到。超聲波測(cè)量也證實(shí)了這種方法（圖 4）。因此，壓縮模量被證明是過(guò)程優(yōu)化和改進(jìn)發(fā)泡技術(shù)中工藝?yán)砟畹闹匾ぞ摺?br />
圖4：使用 0.6% 氮時(shí)降低背壓的壓縮模量方法應(yīng)用：在左圖中可以看到過(guò)低背壓時(shí)壓縮模量的下降。右圖：用于驗(yàn)證的注射期間的超聲波測(cè)量。(圖：JKU)
將來(lái)，注塑機(jī)將能夠自動(dòng)確定和設(shè)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(gè)重要主題。iQ weight control 已成功應(yīng)用于許多化學(xué)與物理 foammelt 和 MuCell 泡沫注塑過(guò)程。這實(shí)現(xiàn)了更高的過(guò)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(dāng)前條件在逐次注射中調(diào)整注射輪廓和轉(zhuǎn)換點(diǎn)，從而全自動(dòng)且實(shí)時(shí)地補(bǔ)償批次波動(dòng)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(gè)開發(fā)合作伙伴致力于利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化 TSG 工藝中的組件表面。目的是為未知過(guò)程找到經(jīng)過(guò)優(yōu)化的過(guò)程設(shè)置，而無(wú)需執(zhí)行復(fù)雜的系列試驗(yàn)。
在 IPIM 開發(fā)和訓(xùn)練的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) (CNN) 如圖 5 所示。以目前的形式，可以將組件分配到其過(guò)程設(shè)置，從而就參數(shù)調(diào)整提出建議。組件影印的自動(dòng)化應(yīng)導(dǎo)致未來(lái)的自主優(yōu)化機(jī)制。與設(shè)置參數(shù)關(guān)聯(lián)的情況下，將來(lái)系統(tǒng)能夠自動(dòng)抵消與目標(biāo)過(guò)程的偏差。
工藝、軟件和機(jī)器方面各種各樣的開發(fā)在實(shí)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(shù)的道路上邁出了重要的一步。這樣，TSG 工藝作為特殊技術(shù)聲譽(yù)日隆。
圖5：人工智能正在進(jìn)入發(fā)泡注塑：卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及其參數(shù)調(diào)整輸出圖示。(圖：JKU)
1914年以來(lái)的熱塑性發(fā)泡注塑
熱塑性發(fā)泡注塑基于最初遠(yuǎn)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(jìn)入市場(chǎng) [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(shí)現(xiàn)發(fā)泡過(guò)程。在此基礎(chǔ)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(guò)氧化氫的分解產(chǎn)物 [12]，因此在發(fā)泡機(jī)制和不連續(xù)過(guò)程管理方面可以與現(xiàn)代化學(xué)發(fā)泡注塑工藝相媲美。
一個(gè)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(xiàng)專利源自1932年 [13]。1947 年，Dow Chemical Company(陶氏化學(xué)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(shí)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(hù)。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(guò)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(qǐng)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(guò)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(guò)程中的物理和化學(xué)發(fā)泡工藝，盡管在應(yīng)用二氧化碳以前又過(guò)了四年 [15]。
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