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热塑性发泡注塑可持续“变身”
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导读：ENGEL 以 foammelt 为名提供的热塑性发泡注塑 (TSG) 是注塑中最传统的特殊技术之一。
【塑料机械网 技术学堂】 轻量化组件、节能加工或多个工艺步骤的融合可以纳入一个全新的关键词：可持续发展。在这方面大有可为的一项技术是热塑性发泡注塑。虽然已使用几十年，但凭借持续的开发工作，该工艺仍然具有很大的潜力。林茨约翰尼斯·开普勒大学聚合物注塑技术和过程自动化研究所与 ENGEL 奥地利及 CHAES 能力中心一起，努力利用这一潜力。
ENGEL 以 foammelt 为名提供的热塑性发泡注塑 (TSG) 是注塑中最传统的特殊技术之一。TSG 工艺的商业化始于 1950 年代，最初主要是化学工艺。少量发酵粉被混合到熔体中，以避免组件上的缩孔 [1]。化学发泡剂的重要性有所增强，并产生了 1970 年代泡沫组件的首次量产[2]。
今天，在物理 TSG 工艺(例如 Trexel 的 MuCell)中使用超临界流体(主要是氮和二氧化碳)可以实现微孔泡沫的生产（如下图）。凭借特殊工艺技术，可以实现小于 100 µm 的泡孔直径或超过 109 泡孔/cm3 的泡孔密度。这种泡沫形态特别在冲压应用中具有优势，因为细小的泡孔起着止裂器的作用 [3]。虽然注塑过程中聚烯烃的发泡经历了多年的发展，但仍有许多问题未得到解决。目前的发展涉及气体引入的替代方案、塑化单元中的状态以及工业 4.0 技术的使用等。
进行物理发泡注塑时，在塑化过程中将发泡气体注入塑料熔体中。(图片来源：ENGEL)
以高经济效益充分利用潜力
发泡组件具有三层结构。多孔核心由两个紧凑的覆盖层包围。这种结构已经具有优势，因为材料和资源需求减少，可以实现较低的密度。TSG 工艺中典型的密度降低约为 10%，模具和工艺技术的新发展使(局部)密度降低可达到 50% [4]，这凸显了该技术的轻量化结构潜力。可持续发展的另一个优势是轻质结构组件具有非常好的可回收性，因为夹层结构由单一材料构成。
关于发泡组件的机械性能，突出的是与未发泡组件相比面积惯性矩增加，因此由于紧凑的中性纤维边缘层的距离较大而增加了特定弯曲刚度。止裂特性改善了发泡组件的冲击行为 [5]。除了机械改进外，这些组件还具有固有的功能，例如隔音或隔热等，无需其他加工步骤。
在工艺技术方面，组件成型过程中的均匀气压可最大限度地减少变形，从而提高形状精确性。此外，气体在加工过程中起着软化剂的作用。根据气体和浓度，材料粘度可降低达 50%，因此在某些情况下可以使用较小的机器。首先，正是这种生态效益使泡沫注塑更加流行，特别是在当前能源政策发展的背景下。
另一方面仍然存在着挑战，有待 TSG 工艺作为分布广泛的技术突破来应对。一方面，由于气体引入聚合物熔体、组件成型过程中的模具运动(负压印)或配料时对更复杂的压力调节等，机械和工艺技术成本增加。另一方面涉及发泡组件的表面。由于向熔融前沿的压力降，该区域在注塑过程中已形成第一个气泡。排代流导致气泡被输送到冷模具壁并在那里被剪切，这可能形成银条纹。避免表面缺陷的方法，例如变温模具温控或气体背压工艺，又与更高的成本和技术工作量相关。
为了在具有较高经济效益的情况下充分利用泡沫注塑的潜力，需要更好地了解该技术的基本原理(特别是具体应用)，并开发和测试新的工艺技术。这正是奥地利林茨约翰尼斯·开普勒大学聚合物注塑技术和过程自动化研究所 (IPIM)、总部位于奥地利 Schwertberg 的 ENGEL AUSTRIA GmbH 以及同样位于林茨的 CHAES GmbH 能力中心正在进行的工作。
确定溶解度极限的新方法
例如，联合开发工作的重点之一是将气体引入聚合物熔体中。气体溶液是每个发泡过程固有的。用作发泡剂的气体要么以纯物理形式添加，要么作为母料热分解的分解产物以化学方式直接在塑料熔体中产生。为了获得均匀的单相溶液，气体必须在很短的时间内混合到熔体中。因此，ENGEL 提供一种专为物理泡沫注塑开发的塑化螺杆（图1）。PFS(物理发泡螺杆)有一个螺旋剪切部分，在气体引入前，塑料熔体已在这里得到非常好的均匀化处理，这对气体的均匀分布有积极的影响。此外，螺杆几何形状使其可以取消第二个止回阀。结合可改善耐磨性和耐腐蚀性的新的材料设计，特殊的几何形状提高了螺杆的生产率和使用寿命。
图1：PFS 的几何形状确保施加气体的熔体得到更好的均匀化处理。(图片来源：ENGEL)
聚合物熔体在某些工艺条件下可吸收的气体量用溶解度来描述。有许多方法可以描述静态形式的溶解度。主要的方法是使用所谓的磁悬浮天平，它具有一个用于进气的压力室，与一个置于压力室外的磁耦合天平相结合。
这种静态测定的数据对于高动态泡沫注塑过程的相关性可能受到质疑，因为任何形式的运动，特别是剪切过程，都被忽略了。此外，静态溶解度测量的测量时间持续数小时，而注塑过程只允许几秒钟至最多几分钟让气体进入聚合物熔体。科学文献在谈到剪切对气体溶解度的影响时，描绘了不一致的画面。一些作者认为剪切不会影响溶解度 [6]，而另一些作者则报告溶解度增加达到 40% [7]。这种差异使 IPIM 开发了一种新的测量方法，该方法能够描述动态条件下(注塑过程中内联)的气体溶解度。
理论准备工作的起点是 Sanchez-Lacombe 状态方程式 (1)，用于描述 pvT 行为 [8] 并作为聚合物气体混合物压缩模量 K (2) 的进一步结果。
随着聚合物熔体中的气体含量增加，混合物的压缩模量减少（图 2）。但是，无法描述可能的溶解度极限——聚丙烯中氮的静态溶解度约为 2% 至 4%，具体取决于压力和温度 [9]。
图2：理论准备工作的结果：随着聚合物熔体中的气体含量增加，混合物的压缩模量减少。无法描述可能的溶解度极限(连续线：230 °C，虚线：260 °C)。(图：JKU)
因此在注塑机上进行了试验。压缩模量表示压力增加引起的体积变化。这种状态也可以在螺杆前室产生，即注塑过程开始时将安装在塑化单元上的截流喷嘴保持短时间关闭，以压缩材料。压力增加和体积收缩可以通过机器内部的传感装置检测和评估。这里简要概述以下思考步骤：气体的压缩模量比聚合物熔体低约 10 倍。只要气体可以溶解在熔体中，就会适度降低混合物的压缩模量。如果超过溶解度极限，气体将作为单独的、压缩量更大的相存在，这将大幅降低混合物的压缩模量。因此，当达到溶解度极限时，预计压缩模量曲线将出现弯折。机器上的测量确认了这种特性（图 3）。验证：高气体含量时的超声波信号中断表示有气泡未溶解。一种以过程为导向的新的测量方法诞生了，它用于根据压缩特性确定溶解度极限。
图3：压缩模量测量示例：曲线中的弯折(左图)表示已达到溶解度极限。右图：用于验证的注射期间的超声波测量。(图：JKU)
基于这种测量方法的最新认识消除了广泛的误解。在注塑机上用氮和二氧化碳测量溶解度极限的过程中，可以证明气体并未完全溶解在塑料熔体中，而只是相当一部分精细分布。因此，这是由于在上述熔体和气体之间非常短的相互作用时间内引入了强烈剪切力以产生尽可能均匀的塑料气体混合物 [10]。
借助压缩模量方法，不仅可以进行材料特性表达，还可以进行过程优化。特别具有经济优势的是背压自动降低到技术上必要的最小值，从而显著减少了磨损和能耗，并改善了输送特性。这一发展基于这样一种情况，即气体在压力过低的情况下不会溶解在材料中，因此是作为单独的相存在。因此，在具有恒定气体负荷的压缩模量施加背压时，预计曲线会再次急剧下降，这实际上可以在实验中看到。超声波测量也证实了这种方法（图 4）。因此，压缩模量被证明是过程优化和改进发泡技术中工艺理念的重要工具。
图4：使用 0.6% 氮时降低背压的压缩模量方法应用：在左图中可以看到过低背压时压缩模量的下降。右图：用于验证的注射期间的超声波测量。(图：JKU)
将来，注塑机将能够自动确定和设置所需的最小背压。今天，智能辅助已经是热塑性泡沫注塑的一个重要主题。iQ weight control 已成功应用于许多化学与物理 foammelt 和 MuCell 泡沫注塑过程。这实现了更高的过程稳定性和恒定的组件重量。ENGEL 的 inject 4.0 程序软件在泡沫注塑中根据当前条件在逐次注射中调整注射轮廓和转换点，从而全自动且实时地补偿批次波动和环境条件变化等外部影响。
借助人工智能发泡
人工智能 (AI) 为优化发泡工艺开拓了更大的潜力。具体而言，三个开发合作伙伴致力于利用卷积神经网络优化 TSG 工艺中的组件表面。目的是为未知过程找到经过优化的过程设置，而无需执行复杂的系列试验。
在 IPIM 开发和训练的卷积神经网络 (CNN) 如图 5 所示。以目前的形式，可以将组件分配到其过程设置，从而就参数调整提出建议。组件影印的自动化应导致未来的自主优化机制。与设置参数关联的情况下，将来系统能够自动抵消与目标过程的偏差。
工艺、软件和机器方面各种各样的开发在实现充分利用可持续发展潜力的现代发泡技术的道路上迈出了重要的一步。这样，TSG 工艺作为特殊技术声誉日隆。
图5：人工智能正在进入发泡注塑：卷积神经网络及其参数调整输出图示。(图：JKU)
1914年以来的热塑性发泡注塑
热塑性发泡注塑基于最初远离注塑所开发的方法。最初基于聚合物的发泡产品早在 1914 年就已进入市场 [11]，由天然橡胶制成。经常使用的是碳酸铵，在添加酸的情况下它释放出气体，以实现发泡过程。在此基础上，在随后的二十年开发了今天仍在使用的两种工艺：Dunlop 和 Talalay。Dunlop 的原理是空气与胶凝剂(通常为六氟硅酸钠)结合，物理混合到塑料熔体中。Talalay 使用氧作为过氧化氢的分解产物 [12]，因此在发泡机制和不连续过程管理方面可以与现代化学发泡注塑工艺相媲美。
一个重要的里程碑是发泡聚苯乙烯。Carl Georg Munters 和 John Gudbrand Tandberg 在这方面的第一项专利源自1932年 [13]。1947 年，Dow Chemical Company(陶氏化学公司)随即采用了挤压工艺。聚苯乙烯、成核剂和挥发性液体发泡剂的混合物实现了更大发泡部件的生产。该材料如今以名称 Styrofoam(聚苯乙烯泡沫塑料)受到保护。仅四年后，BASF 开发了一种生产可膨胀聚苯乙烯颗粒 (EPS) 的工艺，其发泡剂在聚合过程中就已添加，随后在高温下发挥其发泡作用。
聚烯烃发泡直到十多年后才出现。在这种工艺中，也是从一开始就在熔体中添加气体。Frederick L. Johnston 在 1941 年申请了两种不同的工艺专利 [14]。在第一种工艺中，氮溶解在压力室溶解在聚乙烯熔体中，而第二种工艺通过发泡剂的热分解工作。这两种工艺已经非常类似于今天注塑过程中的物理和化学发泡工艺，尽管在应用二氧化碳以前又过了四年 [15]。
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