摘要：随着全球工业技术的发展，汽车产业蓬勃壮大，但汽车从生产制造到使用，都为人类环境带来了非常大的冲击，而汽车轻量化是实现汽车节能减排的有效措施之一。对于传统的燃油汽车，有研究表明，整车质量每减少100kg，汽车行驶100km可节省燃油0.3～0.5L，减少CO2排放8～11g;而对于电动汽车，每減重10%，其续航能力就可以增加5%～8%。目前，汽车轻量化的手段主要包括应用高强度轻质合金、应用多孔材料、传统金属件的塑料化、零部件的结构优化、应用高性能复合材料和采用多材料设计等。微孔发泡注塑工艺是近些年来汽车及其零部件领域较为热门的新型生产工艺，此工艺在注塑的同时完成零件内部细小泡孔的发泡，为实心塑料零件中引入多孔结构，从而实现零部件的减重。微孔发泡注塑工艺可以广泛运用在汽车内外饰和仪表板等塑料汽车零部件中，具有广阔的轻量化前景。

关键词：微孔发泡;注塑技术;研究进展;

引言

轻型设计是塑料加工技术的未来趋势之一。轻质塑料不仅降低了原材料成本，而且提高了汽车和航空航天等行业的总体产品性能和竞争力。微孔注射成型是在这种背景下开发的一种新技术。它最大的优点是可以进一步激发塑料的轻便潜力同时，该技术还可以减少收缩、翘曲和内部应力区，降低锁模力和注射压力，实现节能环保。专门制备的毛细管塑料还可以根据产品需要具有某些功能特性，例如隔热、隔声、低电常数等。近年来，国内外工业的需求和环境保护政策的方向使泡沫注射成型技术成为这一领域的研究热点，也有助于这一进程的持续发展和改进。但是，大多数微孔注射成型设备和关键技术都是由大型外国公司垄断的，如特雷塞尔、阿尔布尔、恩格尔等。，这在一定程度上限制了国内产业的发展。本文介绍了微孔注射成型的原理和工艺，结合国内和国际行业的具体设备创新案例，概述了微孔注射成型设备的各个功能模块，并展望了今后微孔注射成型的发展趋势。

1微孔发泡塑料定义

微孔发泡塑料是一种以聚合物材料为基体，内部包含有大量泡孔的多孔聚合材料。其概念最早由MIT的Martinivvedensky等提出，当时他们将微孔发泡塑料定义为具有泡孔直径为2～25μm的闭孔泡沫的聚合物。随着微孔发泡材料的发展，目前较为成熟的技术生产的微孔发泡塑料内部的平均泡孔尺寸应在1～100μm之间，泡孔密度在107～1010个/cm3左右;根据发泡方式和发泡程度的不同，内部的泡孔结构既可以是闭孔，也可以是开孔;此外，微孔发泡塑料的两侧通常还具有不发泡的密实皮层，与内部微孔发泡的多孔芯层构成类似三明治结构的泡沫夹芯结构。

2微孔发泡塑料的发展历程

1981年，麻省理工学院（麻省理工学院）的J.E.Martini首先在其硕士论文中介绍了微塑料的概念及其具体制备方法，1984年，他获得了一项美国专利，该专利涉及一种微孔泡沫形成方法，该方法将高压气体（N2和CO2）均匀溶解于因此，该工艺只适用于间歇生产。射出成型设备包括螺杆、计量阀、喷嘴、模具和液压成型设备。物理充气剂（CO2和N2）以超临界流体形式以一定速度通过计量阀装入气缸，并与高聚合物熔体混合，形成均匀的气体/聚合物体系。随后，气体/聚合物相系统进入扩散室，通过分子扩散和随后突然变暖使该系统更加均匀，从而导致该系统气体的热力学高度不稳定，并提取大量细气泡核。同时，为了防止缸体中的气泡芯膨胀，使气泡孔结构倒塌，有必要在缸体中施加高压。

3微孔发泡注塑成型工艺过程

微孔注射成型的原理是使用快速更改工艺参数（如温度、压力等）的方法。，使聚合物气相体系——微孔泡沫与模塑产品融为一体。以Trexel公司MuCell技术为例，微孔泡沫注射设备及其工艺中相应的二维形状变化如图1所示。首先，超临界流体（通常是氮或二氧化碳，通常剂量在0.2%至1.0%之间）是通过高压瓶供应的，在螺钉回收过程中，这些瓶被注入混合喷射部分缸内的熔化聚合物;当螺钉向前运输材料时，专门为螺钉的混合段设计的部件会将气体切碎并混合到熔化的聚合物中，从而形成塑料-气体混合系统。一些设备还配备了专用广播室，以实现更大程度的标准化。由于截止阀和闭式截止阀的存在，中相系统在高压下可能保持不分离，是均匀的核心条件。然后，系统通过封闭喷嘴将压缩气体高速注射到模具型腔中。型腔中的压力足够大，以防止气泡在填充阶段膨胀。填充模具后，模具的内压突然下降，聚合物中的气体非常饱和且不稳定。高能分子聚合形成气泡芯。随着外部压力的持续减小，气泡会快速扩展，直到填充模具型腔并使材料凝固。与常规注射成型相比，添加气体会增加系统的可变工艺参数，从而使微孔注射成型过程更加复杂。影响微孔塑料注射成型过程的主要工艺参数，包括注射压力、注射时间、熔体温度等。，系统分析塑料产品的最终力学性能，并对各种工艺参数进行了测试。微孔气泡工艺技术参数的复杂性要求设备设计人员充分了解原理，准确控制各部分的参数，最大限度地利用微孔气泡的优点来减少其负面影响。

4微孔发泡注塑成型工艺

4.1物理微孔发泡注塑

物理微孔发泡注塑所使用的发泡剂为超临界流体。超临界流体是当气体处于临界温度和临界压力之上时所形成的流体。超临界流体的物理性质介于气体与液体之间。从数值上可以看出，超临界流体的密度接近于液体，但是黏度和扩散系数却与气体更加近似，这种奇特的物理性质使得超临界流体具有液体的可压缩性，又兼具气体的高扩散性，并且具有很好的溶解性。

4.2化学微孔发泡注塑

化学微孔发泡注塑中采用受热分解产生气体的化学试剂作为化学发泡剂，包括NaHCO3（分解产生CO2）、偶氮甲酰胺（分解产生N2）等。化学发泡剂可以与聚合物粒料均匀混合放入注塑机机筒中进行熔融注塑;或者将发泡剂和聚合物混合均匀后由螺杆挤出机挤出粒料形成发泡母粒，再将发泡母粒放入注塑机中直接进行微孔发泡注塑。在化学发泡的过程中，发泡剂的分解温度一般低于聚合物的熔融温度，因此，在注塑的螺杆和剂量室内，发泡剂逐渐分解产生气体，生成的气体在高温和高压下溶解在聚合物中;在熔体从射嘴中射出之后，随着压力、温度等外部条件的变化，气体在熔体中的溶解度降低，逐渐析出成核。

5微孔发泡注塑技术研究进展

5.1塑化系统

塑化系统是微孔泡沫注射成型机的中心部分，是聚合物的机械塑化、加热塑化和两相混合的场所。对于处于送风前位置的设备，通常从优化螺钉的角度鼓励混合两个阶段。专门为微孔泡沫设计的螺钉应主要考虑：提高塑化能力和分散的混合能力，降低熔体温度的异质性，防止气体在熔体中溢出到反向电流，等等。例如，T. rex为MuCell技术定制的螺钉的长度/直径比率很高，并且在对线束段进行塑化后配置了一个熔体零部件，以增强聚合物/气体混合效果。螺钉上的后截止阀和前截止阀保持高压混合截面，防止进料区和喷嘴混合膨胀。对于部分注入位置的设备，聚合物中气体的扩散和均匀化通过极短期的机械螺杆混合过程得到加强，例如Ergocell和Optifoam，塑料系统有一个混合室和扩散室等。，在螺钉和喷嘴之间。其中Optifoam使用高压静态混合室使两阶段的混合更加完整。一种由发动机驱动的动态混合室，连接气体测量模块，添加到标准塑化装置的前端，使注入气体的混合速度独立于螺杆转速，从而在参数下分别控制塑化工艺和两相混合工艺.

5.2开模二次发泡

目前，较为成熟的注塑模具内微孔发泡工艺一般可以达到6%～10%的减重比率，为了进一步提高微孔发泡的轻量化效果，业界内针对微孔发泡注塑的开模二次发泡工艺开展了广泛的研究。在开模二次发泡中，模具的型芯在熔体填充过程结束向后退，提供了额外的发泡空间，使得产品空腔所占的体积增加，从而降低了产品的密度。针对开模过程中型芯后退距离对产品的影响，对开模二次化学微孔发泡注塑工艺进行了研究。可以得出，随着开模距离的增加，给予发泡过程的空间越大，最终得到的产品也具有更明显的减重效果，但当开模距离较大时，产品中的气泡展现出了明显的变形与扭曲。随着开模距离的增加，微孔发泡聚丙烯样品的密度、拉伸屈服强度、弯曲强度和断裂伸长率都呈现相似的指数级降低趋势，缺口冲击强度明显低于未发泡样品。开模距离加大后泡孔形态的恶化可能是产品力学性能迅速下降的原因之一。

5.3辅助系统

毛细管注射成型产品可能存在表面缺陷和机械特性。为了解决这一问题，通常对常用注射成型、快速热循环、绝缘涂层方法、气体压力和芯后拉伸方法进行改进，并相应地将辅助系统添加到注射成型机中。注射成型是改进产品表面的传统方法，也用于微孔灯泡。实体-多孔材料注射成型设备可解决产品表面缺陷。他增加了固体表面塑料注射器。加工时，先将固体塑料注射为皮肤，然后将泡沫塑料注射为产品芯，最后用固体材料密封;循环加热方法可提高模具和聚合物熔体之间的界面温度，以确保曲面质量，同时防止长期加热影响退刀泡沫并减少能源浪费。一种电磁感应加热与水冷相结合的方法。薄膜绝缘涂层的方法是通过在模具内表面添加不同厚度的聚四氟乙烯绝缘膜，使界面温度保持在熔体温度之上;气体对法增加了腔内压力，从而限制了充填过程中的聚合物气泡。填充完腔后，将冷却曲面层，并发出减压气泡。此方法也可用于控制内核的增长。成对气体压力法在经典MuCell设备中的应用;以抗压法为基础，研制了芯后伸法，聚合物以较高的注射速度注入精密机械，腔厚可变，形成固体外皮。该方法使产品能够减少表面自旋的痕迹，使表面变薄，降低产品密度。此外，总厚度的增加改善了某些机械特性，包括弯曲刚度。

6挑战与展望

多孔聚合物泡沫得到广泛使用，但仍存在许多挑战。例如，缺乏可靠的实验技术，难以确定在特定压力和温度下溶解的聚合物的CO2含量;虽然对二氧化碳压力下确定的浓缩聚合物的Tg和Tm方法进行了研究，但除了熔融材料的粘度之外，关于粘结剂的性质的数据仍然很少;选择压力/温度条件以达到目标孔大小、孔大小分布、孔形状、孔数密度和给定聚合物阵列的总泡沫密度的当前优先顺序是一项挑战。用于评估CO2吸附和解吸动力学水平以及这些动力学如何同时改变聚合物特性的新仪器和技术以及先进模型，如玻璃转变温度、熔体温度（在半结晶聚合物中）、粘度和模量，将对以下方面产生重大影响关于聚合物的类型，尽管过去的努力大多集中在非晶玻璃聚合物泡沫上，但我们预计在半结晶聚合物、橡胶材料、共聚物和聚合物泡沫中的活性将增加在多孔纳米材料、含有纳米粒子的系统和多孔梯度系统方面，预计聚合物泡沫的开发将继续并扩大.

结束语

微孔发泡注塑产品具有较高的孔隙率，同时又具备良好的力学性能，能够辅助减少注塑过程中的尺寸不稳定现象，具有非常广阔的运用前景。目前，微孔发泡注塑技术已经在汽车零部件中使用，但使用场景还较为局限而且受成本影响无法大规模推广，未来对微孔发泡注塑技术的研究方向可能包括以下方面：（1）开发满足性能要求的同时具有更高孔隙率的微孔发泡产品，进一步提升微孔发泡注塑技术带来的轻量化效果;（2）寻找高效且成本合适的技术方案，提高微孔发泡注塑产品的表面质量;（3）建立更加准确地表征微孔发泡工艺过程以及微孔发泡产品性能的数学模型，开发针对微孔发泡产品的计算机辅助工程过程，提高开发效率，降低模具开发、工艺调试与后期性能验证的成本。

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