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編號(hào)： 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)外文翻譯 （譯文） 學(xué) 院： 機(jī)電工程學(xué)院 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 學(xué)生姓名： 韋良華 學(xué) 號(hào)： 1000110129 指導(dǎo)教師單位： 機(jī)電工程學(xué)院 姓 名： 陳虎城 職 稱： 助教 2014年 5月26 日 一種改善微孔注射液型注塑件表面質(zhì)量的新方法 摘要 微孔注射成型是用于制造發(fā)泡塑料部件的制造方法。微注塑成型有許多優(yōu)點(diǎn)，包括材料，能源，節(jié)約成本以及提高尺寸穩(wěn)定性。盡管有這些優(yōu)點(diǎn)，該技術(shù)已被其意欲限于創(chuàng)建部件與表面缺陷，如表面粗糙或氣體流痕。改進(jìn)微塑件表面質(zhì)量的方法已經(jīng)調(diào)查了一些研究。本文介紹了一種使用微注射成型工藝實(shí)現(xiàn)漩渦自由發(fā)泡塑料部件的新方法。通過材料配方和氣體濃度控制聚合物/氣體溶液的細(xì)胞形核率，微注塑表面缺陷的成型部件得以實(shí)現(xiàn)。本文介紹了這種方法的理論背景，以及在表面粗糙度和輪廓，顯微組織，機(jī)械性能和尺寸穩(wěn)定性方面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 關(guān)鍵詞： 微注塑成型 塑料發(fā)泡 漩渦 - 自由表面 ?2011 Elsevier公司保留所有權(quán)利。 第一章 簡介 市售微孔注射成型工藝（又名MuCell工藝）包括四個(gè)獨(dú)特的步驟，即，氣體溶解，成核，細(xì)胞的生長，并塑造[1]。在氣體溶解階段，聚合物在注射料筒是用超臨界流體（ SCF），氮?dú)猓趸?，或使用特殊的螺釘，其目的是最大限度地提高混合和氣體溶解在聚合物熔體中另一種類型的氣體的混合。在注射過程中，大量的成核位點(diǎn)（幅度比常規(guī)的發(fā)泡工藝高幾個(gè)數(shù)量級(jí)）都是由一個(gè)快速和大幅度壓降形成的聚合物/氣體溶液被注入到模腔中，從而導(dǎo)致細(xì)胞（氣泡）的形成。在注射模制周期的其余部分，細(xì)胞繼續(xù)生長以填充和包裝出的模具，并隨后補(bǔ)償聚合物收縮的材料在模具內(nèi)冷卻。細(xì)胞生長是通過量和溶解氣體的空間分布驅(qū)動(dòng)。細(xì)胞的生長也被通過處理?xiàng)l件如熔體壓力和溫度，以及材料性質(zhì)，如熔體強(qiáng)度和氣體的溶解度進(jìn)行控制。最后，該部分的成形發(fā)生在模具內(nèi)，直到模具打開允許部分的噴射。 通訊作者。電話：TH16082620586;傳真：TH16082652316。 電子郵件地址：turng@engr.wisc.edu（L.-S. Turng）。 可在ScienceDirect內(nèi)容列表 聚合物 期刊主頁：www.elsevier.com/定位/聚合物 0032-3861/$ e見前面的問題？ 2011 Elsevier公司保留所有權(quán)利。 DOI：10.1016/j.polymer.2011.01.026 由于微注射成型工藝的發(fā)明，出現(xiàn)了對(duì)過程、材料并針對(duì)具體化的全過程中潛在的技術(shù)發(fā)展的許多研究。根據(jù)以往的研究[1E5]，微注射成型提供了許多優(yōu)點(diǎn)，如成本節(jié)約，降低體重，緩解加工由于粘度低，和出色的尺寸精度。由于這些優(yōu)點(diǎn)，該微注射成型工藝已被用于在許多行業(yè)，如汽車，電氣產(chǎn)品，以及使用范圍廣泛的熱塑性塑料的家用電器。 盡管有這些優(yōu)點(diǎn)，但是，微注射模制零件獨(dú)特的氣流標(biāo)記相關(guān)聯(lián)的表面缺陷（被稱為渦形痕跡在本論文）和缺乏平滑性仍然成為微孔注塑的主要缺點(diǎn)之一。為了消除或減少這些表面缺陷有過研究嘗試，如報(bào)告在參考文獻(xiàn)的幾項(xiàng)研究。 [ 6-14 ] 。一些研究人員已經(jīng)集中在模具表面的溫度修正，以提高微注射模制零件[ 6-8 ]表面質(zhì)量。與聚合物泡沫體，發(fā)現(xiàn)氣泡在前進(jìn)熔體前沿形成首先通過向模具表面的噴流的行為，其拉伸和后拖向模具壁造成渦形痕跡[9]。在聚合物熔體的填充階段，保持模具壁溫度足夠高，氣泡在模具表面處，以消除提高了微孔注塑件的表面質(zhì)量。通過快速，精確地控制模具溫度下使用模具溫度控制單元或其它種類的熱或表面加熱裝置，可以生產(chǎn)出微孔發(fā)泡塑料與光澤和漩渦 - 自由表面。 這里也一直努力消除對(duì)微注塑件的螺旋紋無需任何模具溫度控制器。特別是，有人提出，插入絕緣體到模具壁可能有助于保持模具和聚合物之間的界面溫度熔融高。這種技術(shù)基本上可以得到和模具[10]溫度下變形的相同結(jié)果。熱分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，加在模具上的絕緣層，可提高微孔注塑件[11]的表面質(zhì)量。 另一種具有改進(jìn)表面質(zhì)量制造部件的方法叫做微孔共注塑過程[12]。在該技術(shù)中，固體表面材料注入適量的注射發(fā)泡芯材料。這可以產(chǎn)生一個(gè)夾持（固體表面發(fā)泡和芯固態(tài)皮膚）結(jié)構(gòu)與表面光潔度類似于常規(guī)成型部件的同時(shí)部分地保持微注射成型的優(yōu)點(diǎn)。 用于改進(jìn)的微孔注塑件表面質(zhì)量的另一種方法是將氣體反壓過程[13,14]。在這個(gè)過程中，高壓氣體被注入到聚合物/氣體溶液來抑制細(xì)胞的成核和氣泡生長之前的模具中，同時(shí)所述聚合物/氣體溶液被注入到模腔中。朝向注射結(jié)束時(shí)，計(jì)數(shù)器的氣體壓力被釋放并且氣泡開始形成的空腔內(nèi)。既然大部分的零件表面已經(jīng)凝固，氣流流痕被消除。 盡管有這些努力來提高表面質(zhì)量，在應(yīng)用微孔注塑成型過程中，部分要求具有高表面質(zhì)量的行業(yè)已經(jīng)遇到的困難，因?yàn)檫@些技術(shù)需要額外的設(shè)備而導(dǎo)致成本高或維護(hù)。沒有改善微孔注塑件的表面質(zhì)量不用任何額外的設(shè)備或改造現(xiàn)有設(shè)備的研究報(bào)道。 本文提出了一種通過控制細(xì)胞的成核率來改善微孔注塑件表面質(zhì)量的新方法。在這項(xiàng)研究中，細(xì)胞成核速率的顯著降低或延遲是通過控制的過飽程度和使細(xì)胞核已于灌漿期延遲。在聚合物/氣體溶液容積填充模腔后，故意延遲成核發(fā)生和形成的氣泡在聚合物基質(zhì)中，除非該材料已經(jīng)固化后接觸模具表面的表面上。理論背景和實(shí)驗(yàn)結(jié)果在本文中闡述。顯微組織，表面輪廓，表面粗糙度，機(jī)械特性，尺寸穩(wěn)定性也進(jìn)行了研究在本研究中。 第二章 理論 2.1成核理論的聚合物泡沫 在聚合物泡沫，成核是指聚合物的氣體溶液中形成氣泡的初始階段。對(duì)于成核，在它們生成和發(fā)展成宏觀的大小前[15]，氣泡必須克服的自由能壘，。根據(jù)經(jīng)典形核理論[16e18]，成核速率是由宏觀性質(zhì)和聚合物和氣體，如溶解性、擴(kuò)散性、表面張力、氣體濃度、溫度和過飽和度的狀態(tài)控制的 科爾頓??和徐[19,20]報(bào)告了一個(gè)代表方程聚合物泡沫的成核率。除了數(shù)學(xué)表示，他們也證實(shí)其形核理論實(shí)驗(yàn)為使用高壓容器間歇發(fā)泡過程。由經(jīng)典形核理論[16-18]為主微孔泡沫成核方程可表示為 N=fCex(-?G**/kT) （1） 其中N是成核率，f是原子的分子晶格振動(dòng)的頻率，C是氣體分子的濃度，k為玻爾茲曼常數(shù)，T為絕對(duì)溫度，和DG**是用于成核的活化能壘。 根據(jù)以前的研究[19,20]，聚合物泡沫的成核速率是由兩部分組成：一個(gè)同質(zhì)術(shù)語和異構(gòu)術(shù)語。活化能為均相成核由下式給出 ?Ghom**?16πr33?P2 （2） 其中g(shù)是氣泡界面的表面能和ΔP被假定為氣體的飽和壓力。更精確地說,?P=|Pr'-Pr| ?其中Pr`是施加在高壓容器中，Pr為過飽和蒸氣的樣品在[16]中的壓力的壓力。也就是說，ΔP是所施加到蒸汽的樣本壓力而不是樣品上的壓力。當(dāng)該飽和的氣體在高壓容器中的壓力突然釋放觸發(fā)所謂的熱力學(xué)不穩(wěn)定性的樣品渲染成過飽和狀態(tài)，Pr` 變成1條，這樣比較低的公關(guān)ΔP可以近似為鐠。 另一方面，活化能為異相成核受依賴于接觸的聚合物和顆粒之間（潤濕）角，并且可以被表示為幾何因子 ?Ghet**=?Ghom**×f(θ) (3a) fθ=12-34cosθ+14cosθ3 (3b) 其中，f（θ）為幾何因子，它是聚合物和第二相之間的界面取決于接觸角θ且具有小于或等于1的值，對(duì)于大約20的典型的潤濕角θ固體粒子和聚合物熔體之間的界面上，幾何因子是2.7X10-3，這表明為異相成核的能量勢(shì)壘可以由三個(gè)數(shù)量級(jí)的減少與接口的存在[20,21]。 2.2。成核理論微孔注塑成型 在間歇發(fā)泡過程，科爾頓和徐的理論通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。由于在高壓容器中的壓力和在樣品中的過飽和蒸汽的壓力之間的差大，溶解在聚合物中的氣體壓力，在ΔP中的吉布斯自由能方程，可約假定為飽和氣體壓力。假設(shè)ΔP是在批處理發(fā)泡過程相當(dāng)合理的氣體飽和壓力雖然由于先前的研究[15]報(bào)告過度估計(jì)ΔP仍然可以具有約30-40％的誤差。 成核理論由科爾頓和徐是派生的，并從經(jīng)典的成核理論[16e18]修改，一般是足夠批次發(fā)泡工藝的簡化形式。然而，有必要對(duì)這一理論在微孔注塑和擠出系統(tǒng)的情況下進(jìn)行修改，因?yàn)棣不能被直接控制和計(jì)量。為了預(yù)測在核微孔注塑成型和擠出過程更精確，本文提出了一種不同的形式，其中包括過飽和度期的細(xì)胞形核理論，因?yàn)樗且环N直接控制因素。 為避免錯(cuò)誤估計(jì)ΔP，并考慮過飽和度，對(duì)于成核更正確的激活能量方程可以從下面的公式[16,17]導(dǎo)出 ,?P=|Pr'-Pr|=2rrc （4） 其中Rc是特征液滴的半徑，并且W.Thomson方程 RTlnPrP∞=2r?Mr?p （5） 其中PN是飽和蒸汽（即，平衡壓力）的壓力， R是通用氣體常數(shù)， M是摩爾質(zhì)量，r是密度。這些方程產(chǎn)量 ?P=RTρlnPrP∞M （6） 它也可表示為 ?P=ktρ1lnS (7) 其中RL是散裝液體的分子密度，以及SD ?鐠= PNT被定義為supersaturation.Thus的程度，為成核的微注射成型過程中的活化能方程（參見方程（2） ）可以通過以下方式給予 ?G**=16πr33(kTρ1lnS)2 （8） 因而可以說，在活化能為成核是成反比的過飽和度的自然對(duì)數(shù)的平方。 在該微注射成型過程中，當(dāng)它被注入到模腔中時(shí)聚合物/氣體溶液變成過飽和亞穩(wěn)態(tài)溶液。這是因?yàn)樵趬毫ρ杆傧陆禃r(shí)氣體能夠溶解在聚合物中的量為小于最初溶解在聚合物熔體中的氣體量。特別是，假設(shè)空氣在空腔被正確排出，在前進(jìn)熔體前沿的壓力為大氣壓?？梢杂砂⒗勰釣跛剐捅磉_(dá)式來獲得關(guān)于溫度[22]的氣體在聚合物中在大氣壓力和處理溫度的溶解度 S@1 atm; melt temperature=S@STPexp?(-?HsR(1Tmelt-1298)) (9) 其中，S@STP是氣體的聚合物在標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力條件下（298K和1個(gè)大氣壓）中的溶解度。參數(shù)?Hs是吸附的摩爾熱，Tmelt是聚合物熔體的溫度。 由此，過飽和度由下式給出 S=mgS@STPexp?(-?HsR(1Tmelt-1298)) (10) 其中mg是可以由超臨界加以控制的氣體劑量流體（SCF）的供電系統(tǒng)。 在標(biāo)準(zhǔn)溫度下，各種聚合物/氣體系統(tǒng)吸附的熱量?HsRg，在許多先前公布的研究進(jìn)行了研究和總結(jié)。為了得到過飽和度在微注射成型過程中的聚合物/氣體溶液，就必須要么測量在標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力下氣體在聚合物中的溶解度，或公布?xì)怏w在該聚合物的溶解度的數(shù)據(jù)。在等式的活化能壘為核（8），?G**，可以基于過飽和度計(jì)算和氣泡界面，克的表面能獲得的。給出的活化能壘和頻率因子f，成核速率（表示為公式（1）），然后可以計(jì)算。氣泡界面的表面能和頻率因子的估計(jì)值將在下面討論。 在微注射成型中，聚合物/氣體溶液可以被視為一種液體混合物。因而，氣泡的界面，克的表面能，可以表示為[23,24] γmix=γpolymerρmixρpolymer4(1-wgas) （11） 其中γpolymer是該聚合物的表面能中，P′S是密度和wgas是氣體的重量分?jǐn)?shù)。 此外，對(duì)于氣體分子，F(xiàn)是等式的頻率系數(shù)。（1）可以表示為[24-26] f=Zβ(4πrc2) (12) 其中，z是澤利多維奇因素，占已達(dá)到臨界規(guī)模rc，但仍無法將增長到可持續(xù)氣泡許多集群。參數(shù)β是沖擊速率的氣體分子碰撞的群集的壁上。參數(shù)zρ可以作為一個(gè)校正系數(shù)，并通過實(shí)驗(yàn)來確定。 一旦獲得了成核速率的過飽和度的函數(shù)，可以控制氣體在聚合物熔體中，以控制或延緩細(xì)胞的成核的發(fā)生（SCF）的內(nèi)容，以便沒有氣泡形成于在前進(jìn)的熔體前沿注射灌漿期。因此，允許部分微孔固體，漩渦自由表面進(jìn)行注射成型。 第三章 實(shí)驗(yàn) 3.1、材料 在本研究中使用的材料是一種注塑級(jí)低密度聚乙烯，低密度聚乙烯（雪佛龍菲利浦化學(xué)公司，德克薩斯州，美國）。它具有25 g/10分鐘和0.9253的密度，熔體指數(shù)。 為了證實(shí)該理論，通過控制過飽和度，無規(guī)共聚聚丙烯（PP）的程度提高表面質(zhì)量也被用于本研究。在本研究中使用的聚丙烯是Titanpro SM668（鈦工業(yè)株式會(huì)社制，馬來西亞），具有20 g/10分鐘和0.93的密度，熔體流動(dòng)指數(shù)。使用了兩種材料作為沒有任何著色劑，填料，添加劑或接收。 商品級(jí)氮?dú)獗挥米魑锢戆l(fā)泡劑的微孔注射成型試驗(yàn)。 3.2、微注塑成型 在這項(xiàng)研究中，在Arburg320S注塑機(jī)（Arburg公司，德國）用于兩個(gè)固體常規(guī)和微孔注射成型實(shí)驗(yàn)。在這項(xiàng)研究中所使用的超臨界流體（SCF）的供電系統(tǒng)是S11-TR3模型（Trexel公司，沃本，MA，USA）?？偟臍怏w量通過調(diào)節(jié)氣體噴射時(shí)間t和氣體注入流量，M_克控制。拉伸試驗(yàn)?zāi)＞?，其產(chǎn)生符合ASTM D638 I型標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，被用于本實(shí)驗(yàn)。 對(duì)于這兩種LDPE和PP拉伸試樣的注塑成型，噴嘴和模具溫度分別設(shè)定在221攝氏度和25攝氏度 ，循環(huán)時(shí)間為40秒。注塑速度為80厘米3 / s。在這項(xiàng)研究中，六個(gè)不同的氣體劑量（濃度）用于低密度聚乙烯注塑如表1所示，此外，四種不同的氣體劑量被用于聚丙烯的微孔注射成型。超臨界流體在140bar的壓力下，以與該聚合物進(jìn)行混合熔化在該實(shí)驗(yàn)中注入注入桶。泡沫重量減少與固體塑料件是針對(duì)8±0.5％的每一個(gè)試樣。對(duì)于傳統(tǒng)的注塑成型試驗(yàn)中，在6秒內(nèi)達(dá)到2 0.2立方厘米的注射量巴0bar的填充壓力被。對(duì)于該微注射成型的實(shí)驗(yàn)中，聚合物熔體的注射量是19.2立方厘米和包裝階段就被淘汰 表1 氣體劑量（濃度）采用微蜂窩注塑工藝。 簡化特性 聚合物 氣體類型 注氣流量（KG/小時(shí)） 天然氣用量時(shí)間（s） 近似的氣體用量（wt％） MC1-L LDPE 氮 0.05 0.7 0.102 MC2-L LDPE 氮 0.06 0.75 0.135 MC3-L LDPE 氮 0.07 0.8 0.173 MC4-L LDPE 氮 0.08 1.0 0.255 MC5-L LDPE 氮 0.08 1.5 0.418 MC6-L LDPE 氮 0.11 1.5 0.575 MC1-P PP 氮 0.05 0.7 0.102 MC2-P PP 氮 0.07 0.8 0.173 MC3-P PP 氮 0.08 1.0 0.255 MC4-P PP 氮 0.11 1.5 0.575 3.3、分析方法 聯(lián)邦Surfanalyzer4000（聯(lián)邦產(chǎn)品公司，RI，USA）被用于分析模塑拉伸試條試樣的表面粗糙度。常規(guī)和微注塑件的表面粗糙度在圖3所示的三個(gè)位置進(jìn)行了評(píng)價(jià)。常規(guī)和微注塑件的表面粗糙度在圖3所示的三個(gè)位置進(jìn)行了評(píng)價(jià)。1和基于測量所有三個(gè)位置進(jìn)行平均表面粗糙度記錄和報(bào)告。驅(qū)動(dòng)速度，驅(qū)動(dòng)器和長度為測試均0.75毫米，2.5毫米/秒，和25毫米。對(duì)于每個(gè)處理?xiàng)l件，對(duì)每一個(gè)試樣10試樣和三個(gè)點(diǎn)進(jìn)行了測試。 圖、3 低密度聚乙烯注塑件代表表面輪廓。 除了表面粗糙度，微注塑樣品中通常通過一個(gè)三維表面輪廓觀察到渦形痕跡，也可以清楚地表明。ZYGO新視點(diǎn)（Zygo公司，CT，USA），在這項(xiàng)研究中，一種非接觸式三維表面輪廓，掃描距離±10 μm注射成型零件表面輪廓用來觀察。 用以15 kV的加速電壓的JEOL JSM- 6100掃描型電子顯微鏡觀察該發(fā)泡部分的微結(jié)構(gòu)。觀察微孔注塑件試件的橫截面分別用液氮冷凍并隨后破裂。選擇每個(gè)不同工藝條件的代表圖像和細(xì)胞大小和密度進(jìn)行分析。用一個(gè)UTHSCSA圖像工具作圖像分析軟件，以評(píng)估細(xì)胞密度和大小。 一個(gè)MTS SINTECH 10GL螺桿驅(qū)動(dòng)的機(jī)器是用來測試的模標(biāo)本，包括屈服應(yīng)力，斷裂伸長率，彈性模量和極限應(yīng)力的主題力學(xué)性能。十個(gè)試樣的每個(gè)條件進(jìn)行了測試。拉伸試驗(yàn)速度為50.8毫米/分鐘。美國ASTM拉伸桿的原理圖和各種分析的位置示于圖1 。 圖、1，原理ASTM拉伸試棒，測試位置。 要測試的注塑試樣的尺寸穩(wěn)定性，撥盤卡尺三豐制作使用。模腔的尺寸被第一測量，然后測定所獲得的注塑件和與所述模腔的實(shí)際尺寸進(jìn)行比較。 第四章 結(jié)果與討論 4.1、表面輪廓和粗糙度測量 作為一種視覺插圖，圖2示出了代表性的注射成型的低密度聚乙烯（LDPE）的部件。為了更好地揭示照片中的表面質(zhì)量，5重量％的著色劑加入到該材料雖然未經(jīng)著色劑也可以獲得相同的表面質(zhì)量。如預(yù)期的，在現(xiàn)有的固體注塑部分（圖2（a）），有光澤的和無瑕疵的表面。另一方面，典型的微孔注塑部分（圖2（b））產(chǎn)生具有中等或高氣體濃度有由于渦形痕跡一個(gè)無光澤表面。一種微蜂窩塑料部分（圖2（c）），模制的0.173重量％或更少的嚴(yán)格控制的氣體濃度比常規(guī)固體注塑部分具有高品質(zhì)的表面光潔度。無渦形痕跡或缺陷的表面上觀察到。對(duì)于聚丙烯（PP），可以觀察到微孔注塑件為0.173重量％或更少也表現(xiàn)出旋流和無光亮表面的氣體產(chǎn)生量。 圖、2代表注模LDPE部分：（a）常規(guī)固體注塑部分，（b）微孔注塑部分具有高氣體濃度>0.173wt％，及（c）微注射成型部件具有低氣體濃度≤0.173wt％。為了更好地揭示了表面質(zhì)量，5重量％的著色劑加入到該材料。在本文所報(bào)道的所有其他成型實(shí)驗(yàn)中，所用的材料如無著色劑接收。 圖、3示出的注射模塑部件由LDPE制成的代表性的表面進(jìn)行訪問。對(duì)于這種材料，微孔塑料零件成型用的0.173重量％或更少，即，MC1-L，MC2-L和MC3-L的氣體量（參見表1）具有等同于常規(guī)的注射模制的表面質(zhì)量部分。對(duì)于那些部分，在表面上的任何渦形痕跡是不可見的，肉眼（參照?qǐng)D2）。另外，通常存在于微孔注塑件的缺乏光滑度和亮度的人不易覺察到觸摸或?qū)θ说难劬ΑＮ⒖鬃⑸涑尚蚉P試樣顯示出類似的結(jié)果，以低密度聚乙烯，因而未示出。MC1-P和MC2-P已漩渦 - 自由表面沒有任何明顯的表面缺陷。另一方面，MC3-P和MC4-P，它具有較高的氣體量，顯示渦形痕跡在其表面上，并具有粗糙的表面像人們可想到的典型微孔注塑件相關(guān)聯(lián)。 如該圖3（a）所示，常規(guī)的LDPE注塑部分的表面具有由于由聚合物的重復(fù)流誘導(dǎo)其表面融化以上任一加工痕跡或正常磨損條紋就可以了。除了這些條紋，它具有光滑和均勻的表面輪廓。圖3（b）示出了該微LDPE注塑成0.173重量％或更少的氣體濃度的代表性的表面輪廓。它有一個(gè)光滑平整的表面輪廓，媲美傳統(tǒng)的注塑件。 另一方面，用氮?dú)獬^0.173％（重量）的微孔聚乙烯塑料成型表面上螺旋紋和表面粗糙是顯而易見的，如圖2-D和圖3的三維表面圖。圖3（c）示為黑色所示的區(qū)域。3（c）是在該表面輪廓無法測量的高度差，由于不平坦的表面超過了預(yù)先設(shè)定的測量范圍（即，直徑±10mm）的域。常規(guī)和微孔聚丙烯注塑件的表面輪廓是與LDPE同行非常相似的。 如前所述，微孔注塑件，如螺旋紋和缺乏平滑性，表面缺陷是由氣泡在在模具填充階段的前進(jìn)熔體前沿形成引起的。這些泡沫是由噴流輸送行為朝向模具表面，并由傳入聚合物熔體[6,9]隨后拉伸和拖向模具壁。在該微注射成型過程導(dǎo)致的降低的過飽和，使用的少量的氣體導(dǎo)致在所需的成核的活化能大大增加了。升高的活化能導(dǎo)致大顆粒的成核速率，這延緩了成核和氣泡隨后的生長。在前進(jìn)的熔體前沿，并隨后被拖動(dòng)和拉伸在模具壁，使形成的氣泡的概率顯著地減小。 表2示出了基于該核理論含有過飽和的先前呈現(xiàn)的程度微孔注塑件的理論上的成核速率。對(duì)于所考慮的原料及實(shí)驗(yàn)，不變的zρ被假定為1.0×1011[s-1m-2]。從參考文獻(xiàn)[27]得到的氮中的LDPE的溶解度。氮在聚丙烯中的溶解度是已知的，根據(jù)由Park和他的同事們[[28e30]和未發(fā)表的研究結(jié)果進(jìn)行和以前的研究相比更高，LDPE約為35％。因此，給定氣體的量相同，過飽和度為PP/N2度變得比LDPE/N2.To更低，約為25％。為考慮到溫度對(duì)表面張力的影響，海姆方程報(bào)道在參考文獻(xiàn)[31]用于表面張力對(duì)溫度的計(jì)算。氮的密度為使用真實(shí)氣體[32]的屬性數(shù)據(jù)由工程方程求解（EES）獲得。 表2 微孔注塑件的理論成核速率。 配方 C（number/cm3） γ(dyne/cm) S(g/g) ?p(pa) ?G**(J) N(cm-3sec-1) MC1-L 1.92E19 20.9 3.28 1.65E7 5.59E-19 3.93E-22 MC2-L 2.55E19 20.9 4.35 2.05 E7 3.65E-19 7.74E-10 MC3-L 3.27E19 20.8 5.58 2.40E7 2.63E-19 2.37E-3 MC4-L 4.83E19 20.8 8.24 2.94E7 1.75E-19 9.36E2 MC5-L 7.91E19 20.6 13.5 3.63E7 1.11E-19 1.03E7 MC6-L 1.09E20 20.5 18.5 4.07 E7 8.72E-20 3.91E8 MC1-P 1.90E19 17.9 2.43 1.24E7 6.29E-19 1.77E-26 MC2-P 3.24E19 17.9 4.13 1.98E7 2.46E-19 3.07E-2 MC3-P 4.78E19 17.8 6.10 2.52E7 1.49E-19 4.08E4 MC4-P 1.08E20 17.5 13.7 3.65E7 6.74E-20 6.38E9 如表2所示，為MC1-L理論的成核速率，MC2-L，MC3-L，MC1-P，和MC2-P-即，微注射成型部件沒有在表面上具有螺旋紋敢顯著小。另一方面，作為與超出0.173％（重量）的氣體劑量的過飽和度增加，活化能為核減小，而核率急劇增大。在成核速率和活化能為氣體劑量的函數(shù)的急劇變化繪制在圖4，由于氣體的量增加增量，成核速率的增加顯著，并在某一點(diǎn)，許多泡孔核形成足夠的氣泡，以使微孔注塑件的表面上的螺旋紋。在表2中，可以相信，在LDPE和PP之間的成核速率與細(xì)胞大小的差別主要是由于在聚合物熔體和氮?dú)庠诰酆衔镏械娜芙舛鹊谋砻鎻埩Σ町悺? 圖、4 活化能為成核和核率與氣體劑量（a） LDPE及（b）PP。 圖5示出細(xì)胞的成核時(shí)的聚合物/氣體溶液被注入到模腔中的機(jī)制。作為聚合物/氣體溶液被注入到模具中，在壓力下降時(shí)沿水流方向向著前進(jìn)的熔體。在這點(diǎn)上，壓力為大氣壓力。當(dāng)壓力降低時(shí)，氮?dú)獾木酆衔餃p少，而過飽和程度增加的溶解度，使得成核開始出現(xiàn)。理論上，起點(diǎn)為細(xì)胞產(chǎn)生核是在哪里過飽和度變?yōu)榇笥趩挝坏狞c(diǎn)。然而，細(xì)胞的成核率仍然過小，因此可以忽略不計(jì)在這一刻。成為表面的質(zhì)量問題，一個(gè)顯著高泡孔成核評(píng)估可以引起泡沫塑料的表面上螺旋紋應(yīng)該是大約在10-1至101cm-3S-1。該細(xì)胞成核速率范圍對(duì)應(yīng)于一定程度的過飽和度LDPE的為6.1和7.0之間為和聚丙烯的為4.2和4.7之間。如該圖所示。圖5（a）中，作為氣體量減少時(shí)，起點(diǎn)細(xì)胞成核延遲?？梢韵胂蟮氖?，低于一定程度的過飽和，泡孔成核不前的聚合物/氣體溶液的熔體前沿接觸模具壁發(fā)生。一旦固體表層固化，渦流 - 自由表面上形成。在這之后，細(xì)胞開始成核和生長在炎熱聚合物芯的冷卻模具內(nèi)，直到材料凝固。 圖。5，起點(diǎn)核細(xì)胞為（1）高的氣體在灌漿期的濃度，（2）中度氣體濃度，以及（3）低氣體濃度。 通過控制過飽和度，并因此控制細(xì)胞的成核速率，可以延遲或抑制發(fā)泡部的表面上形成氣泡。這就是為什么微孔注射成型LDPE零件的為0.173wt％或更少的氮含量比那些具有更高劑量的氣體有更平滑表面（參見圖6）。在圖6，Ra、Rq和Ry分別是平均值，均方根，以及最大的峰 - 谷高度粗糙度。MC4-L，MC5-L和MC6-L具有粗糙75-101％表面，平均比傳統(tǒng)的注射成型部件。此外，這些微孔??注塑件顯示粗糙度的寬偏差表明控制表面粗糙度的難度。另一方面，樣品注射成型用的0.173wt％或更少的氮具有表面比那些具有中等或高氣體濃度更加平滑，但它們?nèi)员葌鹘y(tǒng)的注射模塑部件粗糙11-20％。當(dāng)表面粗糙度的標(biāo)準(zhǔn)偏差被認(rèn)為是，旋流無微孔注塑件具有與傳統(tǒng)模制零件相當(dāng)類似的表面。測試結(jié)果的PP顯示出類似的圖案的那些的LDPE，如圖所示。圖6（b）所示。 圖、6表面常規(guī)和微注塑件的表面粗糙度。 （a） 低密度聚乙烯 （b）PP。 4.2 微觀結(jié)構(gòu) 表3和圖圖7示出了泡孔直徑和微孔注塑件與氣體量密度。基于圖8中所示的細(xì)胞結(jié)構(gòu)的SEM圖像的泡孔直徑和密度并用圖像分析軟件（UTHSCSA圖像工具）進(jìn)行分析和計(jì)算。。作為氣體量增加，平均泡孔直徑減小和細(xì)胞密度增加。據(jù)認(rèn)為，由于具有較高的過飽和度和增加的細(xì)胞的成核速率，在充填階段成核過程中的細(xì)胞更多和更早。對(duì)于微孔注射成型LDPE部件與在其表面上無渦形痕跡，平均氣泡直徑為超過550毫米。另一方面，微注射成型LDPE份具有渦形痕跡可以具有小于300毫米和細(xì)胞密度比其漩渦 - 自由對(duì)應(yīng)約8倍以上的平均泡孔直徑。 對(duì)于聚丙烯，微孔注塑件，直徑149米和細(xì)胞密度為27，000平均立方厘米的氣泡被未經(jīng)其表面上螺旋紋實(shí)現(xiàn)。 MC1-P具有比MC2-P更大稀疏氣泡，產(chǎn)生了巨大的泡孔尺寸分布。另一方面，MC3-P和MC4-P有內(nèi)部小和更密集的氣泡。此外，MC3-P和MC4-P的氣泡尺寸比MC1-P標(biāo)本更正規(guī)。MC2-P比MC1-P有更小、更均勻、更密集的氣泡雖然它有比MC3-P或MC4-P樣品相對(duì)較大和稀疏的氣泡。 從這些顯微組織的分析，可以得出的結(jié)論是模制有中等或較高氣體濃度典型微孔塑料比那些模塑具有較低的氣體含量具有更小和更密集的氣泡。對(duì)于漩渦無微孔注塑件，由于細(xì)胞在充填階段比典型的微孔注射成型的成核發(fā)生得更慢更遲，所以它是一種權(quán)衡較細(xì)和較致密的細(xì)胞形態(tài)的。與核的數(shù)量較少時(shí)，模制零件往往有較大的和稀疏的氣泡。而相比于那些在典型的微注射模制零件的細(xì)胞大（由于較慢的成核速率），這些細(xì)胞仍處于亞毫米范圍內(nèi)。然而，應(yīng)該指出的是，典型的微孔注塑件通常具有100毫米或更小和周圍106 cells/cm3的細(xì)胞密度的細(xì)胞大小。此外，細(xì)胞形態(tài)可以影響機(jī)械性能和尺寸穩(wěn)定性。在下面的章節(jié)將介紹對(duì)它們進(jìn)一步的研究。氣體發(fā)泡的結(jié)晶和結(jié)晶形態(tài)的影響，以及在微注射成型（參見[33-35]），數(shù)學(xué)建模和數(shù)值預(yù)報(bào)需要進(jìn)一步的研究。 4.3、機(jī)械性能 圖9示出的微孔注塑件的相對(duì)的力學(xué)性能與傳統(tǒng)的注塑件之比。對(duì)于LDPE，應(yīng)變?cè)阡鰷u無微孔注塑件斷比比微孔部件具有更低更小的和更均勻的具有較高的氣體濃度，從而更均勻和斷裂之前不再伸長關(guān)聯(lián)氣泡。發(fā)現(xiàn)不同的氣體量對(duì)于屈服應(yīng)力無明顯變化。有趣的是，漩渦無微孔注塑件具有比典型的微孔更好的彈性模量和極限應(yīng)力注塑件。這是因?yàn)榻档土税l(fā)泡劑增加皮膚層的未發(fā)泡，使得一些微孔注射成型部件的機(jī)械性能增加[36-38]。 圖9如相對(duì)于傳統(tǒng)的注塑件微孔注射的相對(duì)的力學(xué)性能模塑部件。 （a）LDPE（b）PP。 聚丙烯試樣表現(xiàn)類似于LDPE試樣中所示的機(jī)械性能。MC1-P和MC2-P的彈性模量分別為顯著超過MC3-P和MC4-P的。另外，低氣體含量的注塑件比他們同類型有更高的最終應(yīng)力。菌株在漩渦的無微孔注塑件比典型的微孔注塑試樣要少得多。顯而易見的是，微孔塑料的細(xì)胞形態(tài)嚴(yán)重影響其機(jī)械性能。也可能是斷裂伸長率顯著影響它的細(xì)胞形態(tài)。一種微注射成型零件具有更微小的氣泡和氣泡均勻分布往往表現(xiàn)出比那些用更少但更大的泡沫有更大的斷裂伸長率。 4.4尺寸穩(wěn)定性 注塑件與氣體濃度的尺寸穩(wěn)定性如圖10所示，如氣體含量的增加微孔注塑件的收縮率明顯降低。兩個(gè)LDPE和PP試樣變化在厚度方向上都大于流動(dòng)方向和橫向。如果單元格核太低，可能無法完全實(shí)現(xiàn)改善尺寸穩(wěn)定性。一個(gè)用氮?dú)獾?.173wt％的微孔LDPE部分的收縮最接近研究中的常規(guī)注塑部分的六個(gè)不同批次的試樣。對(duì)PP，用收縮類似的模式進(jìn)行觀察。由于PP小而致密的氣泡，收縮率在每一個(gè)方向比低密度聚乙烯微孔注射成型LDPE的低。 圖10 注射收縮成型部件與氣體用量。 （a）的LDPE。 （b）PP。 第五章 結(jié)論 通過降低過飽和度、活化能會(huì)使核細(xì)胞增加，從而大大降低了泡孔成核速率。這阻礙了在模具填充階段的細(xì)胞的成核，從而防止對(duì)聚合物/氣體溶液的形成熔體前沿形成氣泡，從而產(chǎn)生渦流的無微孔注塑件。從理論和實(shí)驗(yàn)上這，項(xiàng)研究表明這種方法的可行性。 在這項(xiàng)研究中旋流無微孔注塑件產(chǎn)生了類似的表面質(zhì)量，比傳統(tǒng)的注塑成型件的重量減輕8％的優(yōu)勢(shì)。表面缺陷，如缺乏亮度，氣體流痕，和粗糙表面長久以來都被認(rèn)為是微孔注射成型過程不可避免的缺點(diǎn)，該成型方式如果沒有進(jìn)行了無需任何附加設(shè)備或設(shè)備改造或是所要求的其他方法將被淘汰。 典型的微孔注塑件的微觀結(jié)構(gòu)顯示出比漩渦無微孔注塑件更小和更密集的氣泡?？梢钥闯觯S著氣體量逐漸增大，注塑件具有減小的氣泡大小和增加的泡沫密度，同時(shí)保持表面的質(zhì)量，直到達(dá)到一定程度的過飽和或氣體的劑量為止。當(dāng)達(dá)到這個(gè)閾值，然而，細(xì)胞的成核速率足夠高，渦形痕跡開始出現(xiàn)在表面上。如何精確地去維護(hù)所希望的細(xì)胞的形態(tài)，也就是，更小和更密集的氣泡供一個(gè)漩渦 - 自由表面為微孔注塑件需要進(jìn)一步調(diào)查。 在渦流無微孔注射成型部件的斷裂應(yīng)變比典型的微孔注塑部分的明顯降低。另一方面，渦流無微孔注射成型部件表現(xiàn)出比典型的微孔注塑部分更高的彈性模量和極限應(yīng)力。對(duì)于尺寸穩(wěn)定性，微孔的注塑件的收縮因增加氣體的用量而被減小。模塑用0.173wt％的氮甲漩渦無微孔LDPE標(biāo)本顯示可接受的收縮性能與常規(guī)的注射成型部件具有可比性，或更好在某些情況下比。 在這項(xiàng)研究中，使用一個(gè)恒定的模具填充速率。然而，不同的模具填充速率會(huì)影響在腔中的壓力，進(jìn)而影響細(xì)胞的成核速率。這種模具灌漿速率效應(yīng)和氣體發(fā)泡的結(jié)晶和結(jié)晶形態(tài)，以及在微注射成型的數(shù)學(xué)建模和數(shù)值預(yù)報(bào)的影響還需要進(jìn)一步研究。 致謝 作者感謝Energizer個(gè)人護(hù)理產(chǎn)品提供的財(cái)政和技術(shù)支持。此外，作者由衷地感謝微孔塑料制造實(shí)驗(yàn)室在多倫多大學(xué)提供一些在本研究中使用的技術(shù)數(shù)據(jù)。 參考文獻(xiàn) [1] Trexel公司， Inc。網(wǎng)站， http://www.trexel.com 。 [ 2 ] Knights M.塑料技術(shù)1999 ; 45:41 。 [ 3 ] Kramschuster A， Cavitt R， Turng LS，陳ZB ， Ermer D.塑料，橡膠和復(fù)合材料2007 ; 35:198 。 [ 4 ] Yoon JD, 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