低壓發泡技術應用于水處理產品的開發

霍祥明,錢　健,趙錦輝（.江蘇川源環保設備有限公司；.江蘇優聯環境發展有限公司,江蘇　南通　600）

低壓發泡技術應用于水處理產品的開發

霍祥明1,錢健2,趙錦輝2
（1.江蘇川源環保設備有限公司；2.江蘇優聯環境發展有限公司,江蘇南通226001）

摘要：厚壁水處理塑料產品開發，采用低壓發泡技術[1]能消除產品內應力，提高產品強度，降低收縮率，并改善產品翹曲變形，尺寸穩定性、質量和生產效率得到提高。采用單注射通道注塑機，添加化學發泡劑的低壓發泡技術，在開發大型厚壁水處理塑料制品過程中值得推廣。

關鍵詞：注膠壓力；HDPE；化學發泡劑；熱流道；針閥；冷卻

0　前言

大型水處理設備塑料制品，如環保水箱重量大、壁厚厚。采用常規高壓注塑工藝加工，由于注塑壓力大、保壓時間長，產量低、能耗高；產品內應力大，變形嚴重，產品易開裂，裝配存在問題。國外經驗，厚壁塑料產品應該采用低壓發泡注塑技術加工。HDPE材質的大型厚壁水處理產品開發過程涉及模具開發、加工工藝確定、產品評估和驗收等內容，為其他水處理塑料產品的開發提供思路。

開發背景：高壓注塑技術是國內常見的塑料制品加工技術，應用經驗豐富，注塑機為普通高壓注塑機。高壓注塑技術即熱塑性塑料經注塑機加熱成熱熔膠，被注塑機推料螺桿以較高壓力注射進模具腔內，再經冷卻、保壓、成型的加工技術。高壓注塑產品的開發過程包括產品造型、模具開發、試模、加工參數確定和量產。由于注膠、冷卻和保壓過程壓力高，產品被模腔高壓包裹，產品造型需要充分考慮拔模斜度，以便于拔模，影響產品功能；注塑材料存在收縮性，模具應根據材料收縮率放大來確保產品整體尺寸符合要求，但加強筋位置縮水不能改善。經驗表明采用高壓注塑技術加工薄壁小型產品是可行的。

但采用高壓注塑技術加工壁厚大于6mm的HDPE環保水箱產品，由于材料收縮率大，產品變形嚴重；模具抽芯距離長，拔模斜度大，產品壁厚不均；產品內應力大，容易開裂，無法獲得滿意的產品。尋求合適的注塑加工技術是厚壁HDPE水處理產品的關鍵。

國外采用發泡技術注塑加工厚壁塑料取得成功，產品尺寸和形狀飽滿、內應力小、縮水消除、變形小、重量降低、強度增加。

發泡技術有低壓化學發泡注塑技術、多通道注塑發泡注塑技術和物理發泡注塑技術等。低壓化學發泡注塑技術，即熱塑性塑料中添加AC或小蘇打化學發泡劑，低壓注膠成型技術；為縮短注射距離，降低注塑機尺寸，開發多通道低壓注塑機注塑加工發泡產品；物理發泡技術，注塑機采用專用螺桿，添加超臨界氣體，注塑加工發泡產品，該技術在國外得到迅速推廣，逐漸取代化學發泡技術。

由于發泡注塑工業規模小，進口低壓注塑機和多通道注塑機價格昂貴，物理發泡技術專利費用高昂，相關技術研發難度大，我國發泡注塑技術發展極為緩慢。國內采用普通單通道高壓注塑機，塑料添加發泡劑，螺桿以低壓力注膠，注膠結束及時回撤螺桿或安裝針閥或鎖閉式噴嘴，截斷螺桿至模具腔內的壓力傳遞，低背壓注塑加工發泡產品。但發泡注塑案例很少，更沒有建立完善的應用標準和指導。

根據國內注塑機類型和技術水平，大型厚壁HDPE水處理產品采用低壓發泡注塑技術加工，其產品造型設計、模具設計、發泡劑選擇，以及工藝控制是產品開發的重點。

開發過程：大型厚壁HDPE水處理產品開發的目的在于采用低壓發泡注塑技術，降低產品收縮率，提高產品尺寸和形狀規格，減小變形量，減輕產品重量，并加快產品加工效率。

模具設計和應用確保能夠實現低壓發泡注塑和產品快速成型的要求。

圖1　壁厚過度部位設計比較圖

1　產品設計

產品的壁厚大于6.0mm，其造型應確保熱熔膠在模腔內快速流動和各部位壁厚均勻。如圖1，壁厚變化部位平滑過渡，熱熔膠流動途徑部位產品各R角半徑最好大于產品的平均厚度；采用低壓注塑，不考慮拔模斜度，整體產品壁厚均勻。

2　模具設計

2.1收縮率

HDPE材料添加發泡劑，采用低壓發泡注塑進行實驗，結果顯示產品收縮率小于0.5%，則模具設計放大0.5%或不放大。

2.2模具安裝針閥式熱流道及膠口設計

厚壁HDPE環保水箱理論重量11.8Kg，平均壁厚大于6.0mm，產品設計尺寸為1000x300x300mm，熱熔膠在模具模腔內的平均流動距離設計為小于400mm，模具共安裝8根針閥式熱流道，如圖2，頂部安裝六根單膠口熱流道，兩側各安裝1根多膠口熱流道，各注膠膠口設計為大水口，口徑大于10mm。

圖2　熱流道布置

2.3冷卻

注膠結束，發泡產品在模腔內應快速冷卻，隨著溫度降低，發泡劑停止分解，產品定型，內應力消除。冷卻方式設計為冰水冷卻，冷卻水管徑為12mm。通水冷卻時間通過電磁閥控制。

2.4排氣

低壓發泡模具相對于傳統高壓模具，排氣槽應適當加寬。分析熱熔膠流動的阻力狀態，并根據試模結果在恰當位置設置扎包。

表1

3　發泡劑及添加比例

根據HDPE材料特性選擇合適的AC發泡劑或小蘇打發泡劑。AC發泡劑學名為偶氮二甲酰胺，分解溫度范圍為180°C至210°C，可添加適量氧化鋅活性劑，降低AC發泡劑的分解溫度，建議添加比例1%-2%。

小蘇打發泡劑分解溫度為210°C至230°C，建議添加比例為2%-4%。

采用小型厚壁產品模具進行實驗，實驗材料配制如表1。

發泡劑與HDPE塑料顆粒按比例加入混料機中充分攪拌10分鐘以上至混合均勻，備用。

采用1200噸普通單注射螺桿注塑機實驗，注膠壓力設定為30bar，通過比較比較各組分低壓發泡產品的泡孔分布狀態確定AC發泡劑添加比例不小于1.5%，小蘇打發泡劑添加比例不小于2%。

4　工藝控制

4.1注膠螺桿溫度設定

如圖3，注膠螺桿溫度設定為拋物線狀，即炮筒溫度中間高，兩端低。加料段、壓縮段和計量段溫度設定為195°C、215°C和195°C，混有發泡劑的HDPE塑料顆粒在加料段開始熔化，壓縮段

圖3　螺桿溫度分布曲線

進一步熔化，流動性增強，高溫使得發泡劑分解產生氣體，均勻分布于塑料熔膠中；計量段溫度降低，靜態壓力增加，氣泡被有效保存在熔膠中。

4.2炮筒壓力設定

加料段、壓縮段和計量段實驗壓力設定為50bar、80bar和40bar 至55bar，保證快速注膠。試模過程，螺桿計量段壓力由高至低測試，實驗確定計量段注膠壓力位48bar。

4.3注膠速度

設定為最大，總計進料時間小于12秒。

4.4順序進料

控制各點熱流道的進料順序和進膠量是確保產品發泡均勻、產品飽滿的保障。如圖2，水箱產品頂部6點注膠口由中間向兩端距注塑機注膠口距離越遠，如不加以控制，熱熔膠將會由中間向兩端推進，阻力越來越大，模腔內壓力分布不均。試模實驗表明，通過控制針閥，兩端膠口先進料，中間膠口最后進料，能夠快速注膠，降低注膠阻力，提高模腔內壓力分布均勻性。

4.5模溫控制

產通過快速冷卻，發泡劑停止分解發泡，產品快速定型，內應力消除，同時可提高生產效率。但冷卻時間過長，HDPE材料表面完全固化，將增加材料與模具之間摩擦力，不利于拔模動作。

4.6保壓

注膠結束，通過時間控制熱流道針閥關閉，隔離注塑機螺桿對模具模腔的壓力傳遞，模腔背壓消除，模腔內壓力迅速降低，熱熔膠中高壓氣體析出，氣泡體積增大，形成均勻分布的微米級微氣泡。區別于高壓注塑工藝，不進行保壓是低壓發泡注塑工藝的重要特點。

5　結論

通過對HDPE環保水箱尺寸測量、變形狀況分析、泡孔結構和分布狀況觀察、產品減重測算，綜合評估低壓發泡注塑技用于開發水處理產品的優勢如下：

（1）產品平整度高，基本無翹曲變形。

（2）各尺寸誤差均在允許誤差范圍之內。

（3）收縮率小于0.4%，無收縮痕。

（4）鋸開不同位置，各斷面，熔接線位置以外，泡孔分布均勻，發泡層和結皮層界線明顯，發泡層約為3.5mm，結皮層約為1.5mm，產品結構強度較高，無論承重還是接頭連接強度，均增強。

（5）產品減重約18%，整體形狀飽滿。

（6）由于無保壓過程，生產效率較普通高壓注塑提高3倍以上。

總之，低壓發泡注塑工藝能夠消除厚壁環保水箱等產品的內應力，減少產品變形和收縮，能夠保證產品的形狀和尺寸要求，確保產品的使用性能。低壓發泡技術通過對產品造型和模具的優化設計，試模確定合適的工藝參數，有效控制低壓發泡注塑各流程操作，能夠高效注塑加工厚壁塑料水處理產品，值得深入研究和推廣。

參考文獻：

[1]Structural foam molding guide, Uniloy Milacron North American Headquarters.

[2]陳志雄,葉智方,李向東,謝雄飛.化學發泡預壓高速注塑成型方法[P].專利號：200710026663.0,東華機械有限公司.