物理微發泡螺桿設計、性能測試及仿真研究

Sai Yandamuri, 張雨筱 ，施小慶 ，陳熾輝

(1. 伊之密德國先進成型技術研究所，德國 阿爾斯多夫 52477 ；2. 伊之密股份有限公司，廣東 佛山 528306)

在塑料成型工藝中，物理微發泡注塑成型技術比較常見。物理微發泡注塑成型有許多優點：

（a）能夠減輕產品的重量，減少塑料使用量，降低成本。

（b）無需保壓階段，從而縮短了生產周期，提高了生產率。

（c）成型零件翹曲較少，無縮水痕，提高尺寸穩定性。

（d）可以降低鎖模力、注射壓力等，更節能，為碳中和和碳達峰做出貢獻?，F在運用物理微發泡技術的廠家也越來越多。主流的廠家及技術如下：

（1）Cellmould, 威猛巴頓菲爾，僅適用于巴頓菲爾機器。

（2）Ku-Fizz, 大眾/ 齊默爾曼，適配不同的機器。

（3）MuCell, 卓細，與大多數注塑機制造商合作。

（4）Plastinuum, 由KIMW 開發，可作為附加系統用于不同的機器。

目前MuCell 應用的最為廣泛[1]，與之合作的注塑機廠家最多。

市場上現有螺桿具有較短的塑化長度、兩個止逆環和一個混合區，導致較低的塑化性能和較高的剪切力。尤其對于快速塑化或使用剪切敏感材料的應用，與實體工藝相比，現有產品可能會有些不足。

伊之密德國研究所和中國研究院聯合開發了自己的螺桿幾何結構，以實現相同的發泡質量，而不存在現有產品的缺陷。

1 螺桿結構

實驗機器選用伊之密A5 系列220 t 三板注塑機，螺桿直徑53 mm。

其中，伊之密的微發泡品牌FoamPro 螺桿的結構如圖1 所示。

圖1 FoamPro 螺桿的結構

2 性能測試

2.1 實驗設計

測試材料如表1、表2，一共8 種：

表1 北歐化工（Borealis）材料

表2 利安德巴塞爾(LyondellBasell) 材料

針對FoamPro 螺桿和現有產品，研究了熔膠速度n、背壓p和氣體含量c對性能的影響。以LyondellBasell HC TYC 2141F 為例，所有材料的實驗方案如表3 表4、表5 所示。

表3 影響因素

表4 實體實驗設計

表5 發泡實驗設計

料筒從射嘴到料斗的各段溫度為：230、230、220、220、210、200、175、150 ℃。所注塑零件為長方體，尺寸為190 mm×150 mm×4.9 mm。其余注塑參數設置如表6 ：

另外，所有實體試驗點的料筒溫度、注射速度、保壓時間和保壓壓力保持不變。

使用FoamPro( 簡稱FP) 和現有產品( 簡稱XS)，物理發泡工藝的料筒溫度與實體工藝相同。

確定了XS 和FP 螺桿不同注射量和注射保壓切換點以達到零件完全填充。

為了評估每個結果的再現性，每一個測試點，在最小設置時間10 min 或15 個零件后，至少測量5 個樣品/ 模次來確定均值和標準偏差。

2.2 實驗結果

2.2.1 XS 螺桿和FP 螺桿實體工藝熔膠性能

FP 螺桿的熔膠時間顯著縮短。這是因為FP 螺桿的壓縮比比XS 螺桿大。

XS 螺桿熔膠時間的標準偏差略高或與FP 螺桿相當。這是FP 螺桿的壓縮段和加料段長度比XS 螺桿的長，因此波動會小一些[2]。

熔膠時間長與熔膠速度低和背壓高相關見表7。熔膠時間短，生產效率高。理論研究表明，在其他參數一定時，體積流率（生產效率）與轉速成正比[3]。實驗與理論研究結論一致。另外，一般情況下，增加背壓會降低螺桿產出量，從而導致更長的生產周期[4]，熔膠時間越長。

表7 實體熔膠時間對比

2.2.2 XS 螺桿和FP 螺桿發泡工藝熔膠性能

由圖2，表8，對于所有試驗點，無論是實體還是發泡，FP 螺桿的熔膠時間都顯著縮短。

表8 發泡熔膠時間對比

表9 實體重量對比

圖2 發泡熔膠時間對比

FP 螺桿熔膠時間的相對減少范圍在21% 到37.5% 之間。

在14 個試驗點其中的6 個試驗點，XS 螺桿的熔膠時間與FP 螺桿相比顯示出更高的標準偏差, 意味著更低穩定性。其余5 個點FP 螺桿和XS 螺桿的偏差相同。有3 個實驗點FP 螺桿的熔膠時間偏差比XS 大。

XS 螺桿和FP 螺桿均顯示，熔膠時間長與熔膠速度低相關。然而,XS 螺桿所有測試點，較高的背壓與較高熔膠時間并不相關。

2.2.3 XS 螺桿和FP 螺桿實體零件重量對比

盡管選擇了類似的設置，但使用FP 螺桿生產的零件稍重。這可能是由于止逆閥位置不同而造成的。當螺桿長度一樣時，止逆閥位置不同，在注射時止逆閥關閉時間就不同，從而直接影響了注射產品的膠量[5]。

FP 螺桿生產零件的標準偏差范圍為0 至0.1%，XS 螺桿生產零件的標準偏差范圍為0.1%。工藝穩定性相當，表見9。

2.2.4 XS 螺桿和FP 螺桿發泡減重對比

由圖3 表10，FP 螺桿生產發泡零件重量的標準偏差范圍為0.1%～0.6%。

表10 發泡零件重量對比

圖3 發泡重量對比

XS 螺桿生產發泡零件重量的標準偏差范圍為0.1%～0.3%。

這點表明兩種螺桿生產發泡零件重量的標準偏差略高于實體零件，但都為可接受范圍，工藝穩定性相當。

發泡零件顯示XS 和FP 螺桿的最大減重程度相當。

即使在最大減重的情況下，XS 螺桿的重量標準偏差低于0.3，FP 螺桿的重量標準偏差低于0.3。

這些標準偏差很低，可以接受，證實了所有材料熔膠和注射的設定值是穩定的。

2.2.5 所有材料的相關試驗點結果

由于每種材料的推薦熔膠速度不同，熔膠時間也不同，見表11，表12 所示。

表11 利安德巴塞爾材料實驗結果對比

表12 北歐化工材料實驗結果對比

盡管XS 和FP 螺桿試驗選擇了相同的熔膠參數，但熔膠時間有顯著差異。在LyondellBasell HC HYM 2216T 材料試驗中，FP 螺桿的熔膠時間比XS 螺桿縮短了65.9%。FP 螺桿熔膠時間更短，有顯著優勢。

假定使用相同的氣體量，FP 螺桿生產零件的最大減重與XS 生產的零件相當。

工藝參數的差別會影響泡孔的形成，進而影響發泡產品最終的性能[6]，所以同一材料在不同注塑參數設置時的減重并不相同，從經濟效益角度，我們列出了最大減重數據。

從最大減重的實驗數據可以看出，應用物理發泡工藝，在此產品上的最大減重因材料不同而異。具體而言，含有礦物填充的PP 最大減重可達31.7%，短波纖增強的PP 最大減重可達29.6%，長波纖增強的PP 最大減重可達27.2%。添加填料的聚合物有更細密的泡孔結構，因為填料有助于泡孔成核并增加熔體強度[7]。

同樣是短波纖增強的PP，最大減重也不同，HC ERG 2152F 最大減重29.6%，而GD310U 最大減重7.8%。其余材料有類似的現象，說明不同材料配方對發泡的影響較大。

* 此項沒有做最大減重，數據為XSn0p0c1 實驗點的數值。

2.2.6 機械性能

除了機器數據和工藝穩定性外，我們還對生產的零件進行了力學和微觀結構分析。

根據ISO27-2 標準準備測試用樣條（每個試驗點5 個試樣，將長方體，尺寸為190 mm×150 mm×4.9 mm 用CNC 切割而得，厚度4.9 mm），進行拉伸和彎曲測試，比較試驗點的均值，如圖4 所示。

圖4 實驗樣條

從圖5 可以看出，FP 螺桿和XS 螺桿在實體零件和發泡零件的拉伸強度相當。但是，發泡后的拉伸強度與實體相比會下降。在最大減重情況下，含有礦物填充的PP 最大降幅達56.3%，短波纖增強的PP 最大降幅達42.1%，長波纖增強的PP 最大降幅達34.6%。

圖5 拉伸強度

對于減重最大的零件（圖6），長波纖增強的PP使用XS 螺桿生產的零件的拉伸強度稍好，含有礦物填充的PP 和短波纖增強的PP 使用FP 螺桿生產的零件拉伸強度稍好。由于高標準偏差，拉伸試驗結果具有局限性。

圖6 拉伸斷裂伸長率

彎曲試驗（圖7）表明，使用XS 螺桿生產的零件具有略高的彎曲強度。這可能是因為更均勻的細胞結構或不同的表皮層厚度造成。

圖7 彎曲強度

備注：HC TYC 2141F–PP-T ；

HC ERG 2152F–PP-SGF ；

HC EKM 2226T–PP-LGF LE ；

HC HYM 2216T–PP-LGF LC。

因此，我們通過測量纖維長度和顯微鏡測試來比較螺桿幾何結構對零件結構的影響。

2.2.7 SEM 測試

圖8 和圖9 顯示，使用FP 螺桿生產的零件比使用XS 螺桿生產的零件具有相同甚至更均勻的細胞結構。這是因為FP 螺桿前端的均化混合區結構與XS 螺桿不同，FP 螺桿的前端結構可能會使長玻纖產生更少的斷裂。微觀結構與機械性能測試結果不一致。

圖8 利安德巴塞爾（LyondellBasell）材料的顯微鏡照片

圖9 HC TYC 2141F 的SEM 照片

盡管使用FP 螺桿生產的零件具有更均勻的發泡結構和更長的纖維長度（圖10），但FP 零件的機械性能略低于XS 零件。

圖10 GD310U 的SEM 照片

圖11 FoamPro 螺桿仿真2D 形狀

充分理解工藝參數、泡孔形態和機械性能之間的關系，以使發泡產品具有良好的機械性能[8]。從實驗可以看出，當我們找到最優工藝產生最大減重時，發泡產品的力學性能已經下降太多，可能不符合產品的使用性能要求。因此，在實際應用中，一般情況下，推薦發泡減重10% 左右，力學性能受影響不大，同時能產生不錯的經濟效益。

由于試樣制備和測試的困難，機械性能測試顯示出比機器參數更大的變化?；跍y試結果具較高標準偏差，機械性能測試結果的差異不具結論性。因此，可以認為FP 螺桿生產的零件與XS 螺桿生產的零件機械性能相當。

3 仿真模擬

我們應用德國Paderborn 塑料研究所KTP 的PsiRex 軟件，對兩條螺桿的相關性能進行了對比。

為了使KTP 螺桿模擬軟件適應特殊的螺桿幾何形狀，定義了以下幾個方面：

（1）對于XS 螺桿，混煉區被定義為多面混合。中心止逆閥被定義為圓柱形剪切截面。

（2）對于FP 螺桿，混合段定義為螺旋剪切和多面混合。止逆閥被定義為圓柱形剪切截面。

（3）材料數據由LyondellBasell 提供, 具有不同溫度和壓力的仿真材料數據表。

（4）在仿真軟件中，無法計算氣相。因此，仿真僅通過實體的試驗點進行驗證。

（5）深入了解預測了混合性能，考慮了分散混合和分布混合。

仿真所用材料為LyondellBasell HC TYC 2141F，料筒從射嘴到料斗的各段溫度為：230、230、220、220、210、200、175、150 ℃。

主要參數設置如表13，其余參數參照表3 和表4的設置：

表13 仿真參數設置

為了評估螺桿仿真的有效性，采用了與實驗相同的試驗點。

對于所有工藝點，根據實驗方法改變了螺桿頭的壓力和螺桿速度。

冷卻時間也作為熔膠周期之間的暫停時間納入模擬。

根據實驗測試和LyondellBasell 的材料數據，確定材料的熔膠速度和背壓的高低值。

所有螺桿仿真均在計量行程的一半（50 mm）下進行。

FoamPro 螺桿:

3.1 熔膠時間

所有試驗點，FP 螺桿的預測熔膠時間略低于XS螺桿，塑化效率更高。該趨勢與試驗的觀察結果相一致。仿真的熔膠時間與實驗數據基本吻合，見圖12，表14 所示。

表14 實驗與仿真結果對比

圖12 實驗與仿真熔膠時間對比

3.2 混合元件的性能

均衡橫截面上氣體濃度的差異, 提高溫度及材料的均勻性。

由表15，從仿真結果得知，與XS 螺桿相比，FP螺桿的橫向和縱向混合率更高。

表15 仿真混合結果對比

4 結論

（1）仿真軟件正確預測了使用FoamPro 螺桿塑化效率更高的總趨勢。從所有實驗也可以看出，FP 螺桿的熔膠時間更短，塑化效率更高。

（2）通過模擬，仿真結果與實驗所得的FoamPro螺桿和現有螺桿的熔膠時間近似，有很好的應用于實踐、預測螺桿設計優劣的現實意義。

（3）SEM 圖片表明，使用FoamPro 螺桿成功實現了熔體/ 氣體的均勻混合。通過仿真得知，在混合方面，FoamPro 螺桿設計優于現有螺桿。

（4）試驗和仿真均表明，使用FoamPro 螺桿成功實現了均勻的熔體/ 氣體混合、較短的熔膠時間和工藝穩定性，具有很好的商業應用價值。