微發泡注塑注氣系統氣涌現象的可視化研究

安華亮，信春玲，喬林軍，何亞東，閆寶瑞

(北京化工大學機電工程學院，北京 100029)

0 前言

微發泡注塑是從20世紀八九十年代開始發展的一種高聚物加工技術[1]，主要原理是將超臨界狀態的氣體與熔融的高聚物在機筒中混合均勻形成單相熔體，并注射入模腔內，最終形成充滿微小泡孔的制品。微發泡制品中泡孔密度可達109個/cm3，泡孔尺寸小于10 μm[2]，因為制品中泡孔尺寸小于缺陷的尺寸，所以微發泡制品能在不降低制品力學性能的情況下盡可能的減小制品質量[3]，同時泡孔的存在還可以優化材料的隔音和隔熱效果，并增加材料的能量吸收性能[4]。微發泡注塑的各種優點使其得到了廣泛應用。

微發泡注塑技術中的一個非常關鍵的環節便是超臨界流體的間歇注入，現有的注氣系統中，因為結構限制，會有一部分高壓氣體儲存于氣體注射器中，每次注氣開始，氣體注射器打開的瞬間，該部分氣體不受限制且與機筒中的熔體壓力差較大，因此會快速釋放進入機筒，形成氣涌[5]。氣涌現象會為單相熔體的制備造成困難，使產品出現缺陷。李忠鵬和李亦哲通過排水實驗證明了氣涌現象的存在[6-7]。但是他們的實驗條件局限于開放的常壓環境，實驗效果也不夠直觀。本文通過組建一個密閉的可視化實驗裝置來更直觀的驗證在不同壓力條件下氣涌現象普遍存在，并初步探討氣涌量大小與不同壓力條件的關系。

1 實驗部分

1.1 微發泡注塑注氣系統

微發泡注塑注氣系統如圖1所示，是微發泡注塑系統中的重要組成部分，其主要功能是將氣源處的氮氣經過壓力調節、輸送最終轉變為超臨界流體，并根據注塑過程的需要，將超臨界流體間歇、穩定、可控的注入到機筒中。

圖1 微發泡注塑注氣系統示意圖Fig.1 Schematic diagram of microcellular injection molding gas injection system

1.2 可視化裝置

圖2 可視化裝置模型Fig.2 Visual device model

本次實驗用到的可視化裝置模型如圖2所示，在長方體鋼塊中加工和機筒內徑相同的孔來構成裝置的殼體，在殼體兩側開長條孔作為視窗孔，多個螺釘通過托架將有機玻璃固定到視窗孔上，殼體兩端配合有端蓋實現裝置密封，殼體上面和一側的端蓋上開有注射孔，使得氣體注射器能在裝置上表面或側面注氣，不用的注射孔可以用堵頭堵住，配合專門的支架可以實現整個裝置的正放、倒放、豎直注氣。同時在殼體上表面開有4個1/4NPT孔，用來連接排氣和加水(模擬熔體)管路以及放置壓力傳感器，多余的孔可以用堵頭密封。

1.3 其他實驗裝置

數據采集卡：NI數據采集卡配合LabVIEW程序可以實現每秒千次以上的高速信號采集。本次使用型號為NI 6221的數據采集卡，通過數據采集卡上的模擬量輸入端口采集注氣系統和可視化裝置上壓力傳感器的數據，同時使用數據采集卡上的數字量輸出端口通過繼電器控制電磁換向閥實現氣體注射器的啟閉。

高速攝像頭：氣泡在水中的狀態變化速度非常快，為了準確捕捉氣泡變化，需要使用高速攝像頭來進行快速錄像。本次使用英視科技USB3.0工業相機在可視化裝置的一側視窗進行高速錄像采集，采集速度400幀/秒，同時為了配合錄像采集，在可視化裝置的另一側視窗使用照明燈進行照明。

減壓閥：可視化裝置內部在注氣開始前需要保持一定的初始壓力來模擬機筒內的高壓環境，為方便裝置內的壓力調節，使用上海天川儀表的氮氣高壓減壓器YQD-370在注氣開始前將可視化裝置內的壓力調節到指定值。

整個可視化實驗裝置如圖3所示。

圖3 可視化實驗裝置Fig.3 Visual experiment device

1.4 可視化實驗方案

本次可視化實驗的觀察對象是氣體注射器射出氣體在液體中形成的氣泡，通過觀察不同條件下氣泡狀態的相對變化來判斷氣體流量的變化。雖然同等氣量條件下不同液體的性質會對氣泡的狀態造成一定影響，但是只要整個實驗過程中保持液體為同一種，則其中產生氣泡的大小變化還是可以對應出氣體流量的變化。為了方便氣泡的觀察以及實驗操作，本次使用清水來代替高聚物熔體進行可視化實驗。

經過前期實驗對比，發現將可視化裝置豎直放置，氣體注射器從下向上注氣時實驗效果較好；注氣開始前調整壓力，將可視化裝置內的壓力即初始水壓分別調整為0、2、4、6 MPa，注氣系統與可視化裝置內初始水壓的壓差即初始注氣壓差調整為1、3、5 MPa；每次實驗連續注氣10 s，采集注氣時的高速錄像數據和壓力傳感器數據。

2 結果與討論

2.1 高速錄像數據分析

對獲得的高速錄像數據進行處理，截取不同時刻的氣泡狀態圖并進行對比。首先，對同一個注氣過程不同注氣時間的圖像進行對比分析，選取一次注氣過程如圖4所示。

注氣時間/s：(a)0.4225 (b)5.0725 (c)10 (初始水壓2 MPa，初始注氣壓差3 MPa)圖4 注氣開始后不同時刻的氣泡狀態瞬時圖像Fig.4 Instantaneous images of the air bubbles at different time after the start of gas injection

從圖像可以看出，在同一個注氣過程中，注氣開始時產生的前幾個氣泡體積相對注氣中后期普遍較大，還會發生多個小氣泡聚集成大氣泡的情況，而注氣中后期的氣泡則相對較小而且比較分散，不會聚合在一起，從注氣開始到結束，氣泡直徑明顯呈現出從大到小的趨勢。這種現象可以從氣涌現象產生的機理進行說明：每次注氣開始時，氣體注射器的出氣口打開后，積聚在氣體注射器空間內的氣體會快速釋放形成大氣泡，此時對應的氣體流量會非常大，即氣涌現象，積聚的氣體釋放完后，氣體注射器進氣口處的限流元件會發揮作用，使后續來自注氣系統的高壓氣體均勻的注入到裝置內，此時注氣過程趨于穩定，注氣量較小，氣泡體積相比開始時變小。

其次，對比相同初始水壓，不同初始注氣壓差條件下，注氣開始時的圖像，如圖5、6所示。

初始注氣壓差/MPa：(a)1 (b)3 (c)5(初始水壓4 MPa)圖5 不同初始注氣壓差條件下注氣開始時氣泡狀態瞬時圖像Fig.5 Instantaneous images of the air bubbles at the beginning of gas injection under different initial injection pressures

初始注氣壓差/MPa：(a)1 (b)3 (c)5(初始水壓6 MPa)圖6 不同初始注氣壓差條件下注氣開始時氣泡狀態瞬時圖像Fig.6 Instantaneous image of the air bubbles at the beginning of gas injection under different initial injection pressure

由圖像可以看出，在裝置內初始水壓一定的情況下，隨著初始注氣壓差的增大，在注氣開始時產生的氣泡也會越來越大。通過氣涌現象的產生機理可以看出：當初始水壓一定時，初始注氣壓差越大，積聚在氣體注射器中的氣體量越大，則氣體注射器打開瞬間釋放的氣體也就越多，因此注氣開始時的氣泡體積變大，氣涌現象更明顯。

2.2 氣體流量數據分析

在注氣過程中，氣體不斷注入密封的可視化裝置內，使可視化裝置內的壓力值升高，因此可以使用可視化裝置內的壓力數據間接推導注入裝置內的氣體流量。在此使用范德華方程，其原始公式如式(1)所示：

(1)

展開的結果如式(2)所示：

(2)

R——氣體普適常數，取值8.314 J/(mol·K)

Tc——氮氣的臨界溫度，取值126.1 K

Pc——氮氣的臨界壓力，取值3.4 MPa

T——實驗時裝置內溫度約為15 ℃，即288.15 K

P——實驗時實時獲得的裝置內壓力值，MPa

Vm——裝置內氮氣的氣體摩爾體積，L/mol

實驗時可以確定除Vm外其他條件，此時對式(2)求解，可以得到一個實數解和一對共軛復數解，取其中的實數解作為Vm，且有裝置內氣體質量m的求解如式(3)所示：

(3)

式中V——裝置內氣體體積，約為0.135 L

M——氮氣相對分子量，取值28.013

因此裝置內每一個時刻的壓力值都能求得一個對應時刻裝置內氣體的總質量值，對不同時刻求出的氣體總質量求差， 即得到進入可視化裝置的氣體質量流量。對實驗中的壓力數據進行處理， 得到可視化裝置內的進氣流量曲線，首先分析一次完整注氣過程中的流量曲線，如圖7所示。

圖7 初始水壓0 MPa，初始注氣壓差5 MPa時的進氣流量曲線Fig.7 Intake flow curve at initial water pressure 0 MPa and initial injection pressure difference 5 MPa

對應流量曲線的時間軸，氣體注射器是在0.5 s處打開，在10.5 s處關閉。在注氣開始的瞬間，進入可視化裝置的氣體流量非常大，隨后氣體流量快速下降并趨于穩定，流量曲線顯示的結果與高速錄像結果一致，也證明了氣涌現象的真實存在。在注氣結束時，會出現流量值快速降到零以下的現象，這是因為壓力傳感器測得的壓力值在注氣過程中一直上升，注氣突然結束時，壓力傳感器數值會稍有回落，使求得的流量出現負值。

其次，比較相同初始水壓，不同初始注氣壓差條件下的流量曲線，如圖8所示。

初始注氣壓差/MPa：1—1 2—3 3—5初始水壓/MPa：(a)0 (b)6圖8 進氣流量曲線Fig.8 Intake flow curves

由不同實驗條件下的流量曲線圖可知，在可視化裝置內的初始水壓相同的情況下，隨著初始注氣壓差的增加，注氣開始時達到的瞬時流量最大值變大，與注氣結束時的注氣量差距變大，氣涌現象越來越明顯，與高速錄像數據結果一致。

最后，比較相同初始注氣壓差，不同初始水壓下的流量曲線，如圖9所示。

初始水壓/MPa：1—0 2—2 3—4 4—6初始注氣壓差/MPa：(a)1 (b)5圖9 進氣流量曲線Fig.9 Intake flow curves

由流量曲線圖可知，在可視化裝置內的初始注氣壓差相同的情況下，隨著初始水壓的增加，注氣開始時瞬時流量最大值變大，氣涌現象越來越明顯。可以根據氣涌現象的產生機理做出解釋：當初始注氣壓差一定時，初始水壓越大，由范德華方程可推導出儲存在氣體注射器空間內的高壓氣體越多，則在注氣開始時，產生的氣涌越大。

2.3 氣涌的定量表示

在前面的分析中，通過氣泡狀態變化以及流量曲線定性的證明了氣涌現象的存在以及其在不同壓力條件的變化，為了更好地解釋氣涌現象與壓力條件的關系，方便后續試驗中對氣涌量進行調節，需要對氣涌進行定量分析。在此定義氣涌量Q為注氣開始2.5 s內的注氣量，統計不同初始水壓p和初始注氣壓差Δp條件下的氣涌量Q大小，得到結果如圖10所示。

p/MPa：■—0 ●—2 ▲—4 ▼—6圖10 不同初始水壓p和初始注氣壓差Δp條件時氣涌量Q的大小Fig.10 The amount of gas surge under different initial water pressure and initial injection pressure difference

對得到的數據進行多元線性擬合，得到氣涌量Q與初始水壓p和初始注氣壓差Δp的關系如式(4)所示：

Q=0.10651·p+0.16294·Δp-0.13125

(4)

由圖10以及式(4)可以看出初始水壓p和初始注氣壓差Δp這兩個壓力條件對氣涌量Q的大小都有著明顯的影響，主要原因是初始水壓p和初始注氣壓差Δp越大，積聚在氣體注射器空間內的氣體量越大，隨之產生的氣涌量Q也就越大，因此，在實驗中可以通過設置合理的壓力條件來控制氣涌量。

3 結論

(1)通過可視化的實驗裝置，模擬了不同壓力條件下的氣體注射過程，采集高速錄像以及壓力數據，并用壓力數據推導出裝置內的進氣流量；

(2)通過分析高速錄像數據和進氣流量曲線，定性的證明氣涌現象的存在，并解釋不同壓力條件對氣涌大小的影響；

(3)通過定義氣涌量，定量的求得氣涌量Q與初始水壓p和初始注氣壓差Δp的關系，后續試驗可以此為依據來控制氣涌量。