塑料科技与产业 技术论文
摘自朱春亮论文
微发泡(MicrocellularFoamine)是指以热塑性材料为基体，通过特殊的加工工艺，使制品中间层密布尺寸从十到几十微米的封闭微孔。微发泡注塑成型技术突破了传统注塑的诸多局限，在基本保证制品性能不降低的基础上，可以明显减轻制件重量和成型周期，大大降低设备的锁模力，并具有内应力和翘曲小，平直度高，没有缩水，尺寸稳定，成型视窗大等优势。与常规注塑相比较，特别在生产高精密以及材料较贵的制品中，在许多方面都独具优势，成为近年来注塑技术发展的一个重要方面。
微发泡技术发展概述
上世纪80年代，美国麻省理工学院(MIT）首先提出微发泡的概念，希望在制品中产生高密度的封闭泡孔，从而在减少材料用量的同时提高其刚性，并避免对强度等性能造成的影响。
Trexel公司于上世纪90年代中成立并获得MIT的所有专利授权，将微发泡技术商品化并继续大力发展，现在已在世界各地获得70多个相关的专利。MuCell现已成为了一个非常成熟的革新技术在全世界被广泛使用。
MuCell微发泡技术的使用先从美国、欧洲开始，再延伸到日本及东南亚等地区，虽然在中国刚刚起步，但经过一年多的发展，用户正在迅速增长。经过多年来全球不同用户在商业设备、汽车部件、电子电器等各种产品中大批量生产使用，MuCell微发泡技术的优点得到了验证，用户在提高产品质量的同时获取了更高的经济回报。
基本原理
微发泡成型过程可分成三个阶段：首先是将超临界流体(二氧化碳或氮气)溶解到热融胶中形成单相溶体；然后通过开关式射嘴射人温度和压力较低的模具型腔，由于温度和压力降低引发分子的不稳定性从而在制品中形成大量的气泡核，这些气泡核逐渐长大生成微小的孔洞。
发泡后的制品横切面放大图如下，我们从中可以明显看到表层还是未发泡的实体层，这是由于模具温度较低，表面树脂冷却迅速，细胞核没有成长的时间，所以还是未发泡的实体。
MuCell的加工流程
我们来看一下MuCell的运作流程图：首先氮气或二氧化碳经过超临界流体控制系统产生超临界流体，再输出到射人界面，通过射入界面打人注塑机螺杆的搅拌区，热熔胶和超临界流体在搅拌区内充分溶解形成单相溶体，并在一定的恒定压力下保持下来，当注塑机发出射胶指令时，开关式射嘴将会打开将单相溶体射人模具的型腔中，形成微发泡产品。
使用MuCell必须在注塑机上装上特别的螺杆和炮筒，工艺特点如下：
1、螺杆具有特殊的螺纹设计。超临界流体被射人搅拌区后，需要特殊螺纹来切碎超临界流体，使之与热熔胶充分溶解从而形成单相融体。
2、单相融体必须保持在一定的高压下才不会离析。Trexel注塑机的螺筒有单向止逆阀和开关式射嘴设计，从而在螺筒前端的射出段形成一个密闭高压区间。下图用汽水瓶形象地进行了说明：注射时，开关式射嘴打开，就如同汽水瓶的盖子被打开一样，单相融体瞬间注人模具型腔开始发泡。
用户也可以在现有注塑机上进行升级，更换为Trexel特制的设备，如螺杆、螺筒，加装注射器和射入界面系统，外接一个超临界流体控制器来实现。当然，也可以购买一些品牌已整和了这些特制部件的新注塑机。
MuCell的螺杆和螺筒是定制件，考虑与注塑机规格的配合，一般选用相若的螺杆直径，长径比通常是22：1或24：1，比普通的较长些。值得一提的是，加装了MuCell之后，仍可以很方便切换回传统注塑，用户可以根据需求灵活安排生产。
技术特点及优势
MuCelt微发泡成型主要是靠发泡体的成长来填充产品，是在一个较低而平均的一个压力下进行，不像传统注塑成型要靠模板不断保压。所以，产品的内应力大大减小，不同位置的收缩也变得非常平均。
MuCelI微发泡技术降低成本
MuCell成型具有很多的特点：树脂黏度降低令流体的流动性更高，这样可以减低溶胶的温度，模温和射胶压力低，塑件稳定，成型视窗大。MuCell工艺通过下列途径降低了生产的成本：
1、可以采用较低的压力注塑更平整、更笔直、尺寸更稳定，而没有缩水的部件；
2、提高了注塑工艺水平，减少了注塑和装配的不良率；
3、因尺寸更稳定，可减少模具尺寸反复修改，从而降低模具设计和制造成本；
4、降低锁模力40-80％，减少毛边，降低能耗，延长了模具寿命；
5、可以考虑使用更低吨位的注塑机或使用多模腔；
6、注塑周期缩短20-30％，增加生产效率，降低能耗，从而降低运营成本；
7、一般减少材料用量8-15％，更可以设计具有薄壁结构的制品来更加降低制品的材料成本；
8、一些金属部件可以用塑胶件取代，可以设计厚度变化比较大的产品。
MuCell微发泡技术解决的问题
MuCell微发泡技术能解决以下传统注塑常见的问题：部件收缩不均导致尺寸不稳定和内应力问题、缩水痕、平直度不好、同心度或圆度不够、动平衡性不高、难填充等等，采用MuCell注塑技术则可以提高部件质量。
加工实例
传统注塑解决部件翘曲通常会靠延长注塑和保压时间来达到，这样大大降低了生产效率。MuCell使部件不仅在生产时非常平整，而且在热处理后也能保持。许多应用表现出了这一优点，比如高精度托盘，打印机过纸架等，例如导纸板在不改动模具的情况下把偏差从0.807mm降低到0.429mm，提高了47％。
因为射胶压力和熔胶温度较低，MuCell被广泛应用到了模内装饰(IMD)的产品上，有效地解决了传统注塑易出现的“冲膜”和“渗边”的现象，同时也解决了缩水问题，提高了尺寸的稳定性和平直度的问题，从而大大减少了不良率，锁模力从250吨降到了75吨。 由于均匀的收缩令产品的尺寸异常稳定。在模具开发的前阶段，尺寸的稳定和一致性减少了模具的设计和制作的反复修改。在生产中CP和CPK值非常好，大大降低了不良率。
由于均匀的收缩令MuCell微发泡的齿轮的圆度和同心度大大提高，一般可以提升AGMA一到两个级数，大大提升了齿轮的精度。
相同的成型参数下，MuCell微发泡技术使型腔很容易被填满，因为树脂黏度降低使得流体的流动速度更快，而且发泡核在长大过程中均匀地将压力传递到各个部位帮助填充。
另外，MuCell微发泡技术可以在模具温度和熔体粘度较低的情况下实现相同的结晶度，常常可以获得最佳物理性能。许多商业用户也正在利用这一特性优化注塑周期。
常见应用领域
几乎目前所有的热塑性材料都可以采用微发泡注塑成型技术。但考虑到经济性和产品品质要求，MuCell微发泡制品主要集中在商业设备、汽车及内部装饰材料、电子电器产品等品质要求较高材料较贵的产品上，如打印机复印机，汽车内部件、保险盒、电器开关、薄壁容器等等。以下列举了一些常用的产品，当然在许多其他行业领域也有很多用户成功应用了这种技术。
商用设备 |
汽车 |
精密托盘 |
电气/电子 |
打印机内部部件，导纸机构，压纸卷筒，托架和墨棍 |
发动机罩盒动力系统下的部件，进气管 |
芯片托盘 |
连接器/ |
墨粉盒 |
电气/ |
医用托盘 |
封装部件 |
复印机 |
采暖，通风，空调和散热系统部件，风扇护罩，阀门和发动机外壳 |
晶片托架 |
开关部件，接线盒 |
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密封部件，门板，手套式操作箱，扬声器外壳 |
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嵌件插入产品 |
MuCell微发泡注塑与气体辅助注塑
虽然都使用氮气或二氧化碳，但成型原理完全不同。MuCell微发泡注塑主要应用在薄壁产品上，它能对整个产品的不同部位都有帮助。气辅注射只能应用在厚壁产品上，只是对产品局部有帮助，它需要在模具上做气道等特殊处理，而MuCell微发泡注塑在模具制作和传统模具并无不同，因为射胶速度很快需要模具散气较多一些，MuCell理想的流道是比传统模具的小20％左右，当然这也节省了不少用料。
MuCell微发泡注塑能够更多地降低制品重量，以更短的循环时间成型，并且制品质量得到很大提高，同时也能够消除缩水痕。
微发泡注塑与化学发泡成型
化学发泡剂在特定的温度下分解而产生气泡。不同类型的发泡剂适用于不同温度下分解发泡。其通常用于厚壁制品成型以消除缩水痕，同时也可以降低制品重量。对于薄壁制品使用化学发泡剂会使表面质量劣化，同时会显著降低其力学性能。而且，从经济性角度出发，化学发泡不能够大幅度降低密度。
微发泡注塑的优势在于，许多吸热型的化学发泡剂会生成水(也产生二氧化碳气体)，因此需要添加吸水剂以防止由于水的存在而造成降解现象。另外，由于化学发泡剂本质上的热稳定性不佳，因而很难用于加工高温型树脂。化学发泡剂通常会在树脂中有所残留，或产生副产品。带有副产品或未分解化学发泡剂的树脂通常会使制品耐老化性能降低，并可能导致模具排气孔堵塞。而且，回收料很难再次使用。
Mull微发泡注塑的限制和新技术发展
MuCell微发泡注塑不能用于透明部件上，对于外观要求高的产品也不直接应用，通常需要和RHCM或表面喷涂结合起来。为了解决一些用户想直接把MuCell应用于外观产品的需求，Trexel公司和Rhodia公司合作专门开发了适用MuCell微发泡技术的尼龙材料，另外Trexel公司也正在开发模具型腔热喷涂技术等。相信
Trexel公司不断致力优化和改善的这些辅助技术，将把MuCell微发泡带人更广阔的应用领域，让更多的用户能够享受到MuCeU微发泡注塑带来的优势。