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[微发泡] 微发泡中空成型技术在汽车风管成型中的应用

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发表于 2021-10-11 14:11:47 | 显示全部楼层 |阅读模式
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微发泡中空成型技术在汽车风管成型中的应用
石贵初
广州中新汽车零部件有限公司 广东广州 511365
摘 要:针对汽车零部件高性能、功能化、轻量化等方向的发展需求,采用超临界流体(CO2或N2)作为物理发泡剂的微发泡中空成型技术,可在不降低甚至适当提高制品性能、功能的前提下大幅减少材料使用量,降低加工能耗,被认为是塑料工业的一项新技术。详细阐述了微发泡中空成型技术的工作原理、工艺流程以及应用该技术成型的汽车风管产品,并对成型产品进行性能及功能测试。测试结果表明,利用该技术成型的产品在轻量性、隔热性、隔声性等方面有较好的表现,可满足汽车主机厂的要求。
关键词:汽车零部件;微发泡;中空成型;轻量性;隔声性;隔热性

微发泡中空成型技术的使用先从美国、欧洲开始,再延伸到日本及东南亚等地区,目前在中国刚刚起步,但用户正迅速增长。

化学发泡中空成型是向原料中添加化学发泡剂,在特定的温度下分解而产生气泡,不同类型的发泡剂在不同温度下分解发泡。其通常用于厚壁制品成型,对于薄壁制品使用化学发泡剂会使表面质量劣化,同时会显著降低其力学性能。另外,由于化学发泡剂本质上的热稳定性不佳,因而很难用于加工高温型树脂。化学发泡剂通常会在树脂中有所残留,或产生副产品。带有副产品或未分解化学发泡剂的树脂通常会使制品耐老化性能降低,并可能导致模具排气孔堵塞。而且,回收料很难再次使用。微发泡中空成型技术则解决了化学发泡中空成型技术的不足。

微发泡中空成型是采用绿色介质超临界流体(CO2或N2)作为物理发泡剂,在一定的温度和压力下分解而产生气泡,靠气泡的成长来填充产品,属物理发泡范畴。与化学发泡相比,微发泡中空成型产品不存在化学添加剂的残留物;成型工艺控制窗口更宽更灵活;微发泡制件可以回收再利用,而不改变其物理性能。同时微发泡中空成型技术可成型各种类型中空制品,适用性广。

随着微发泡制件优良的综合性能(隔热、降噪、轻量化等)得到人们的认可,研究人员开展了从间歇发泡到连续挤出发泡的系列工作,尤其是美国Trexel公司基于麻省理工学院的微发泡制件设计思想,研制成功微发泡中空成型技术,适用性广,能用普通中空成型的制品基本均可用微发泡中空成型,尤其是对复杂、深腔的制品,成型效果更好,可广泛应用于汽车、家电、航空和电子电气等领域,是最有发展前景的一种中空成型技术,近年来在欧美、日本等国家和地区正得到较快的发展[1]。

微发泡中空成型基本原理、工艺流程1.微发泡中空成型基本原理

微发泡中空成型过程如图1所示,可以分成4个阶段[2]:

图1 微发泡中空成型基本原理图

第一阶段,将超临界流体(CO2或N2)注入溶解到高分子熔体中形成单相融体并保持在一定压力下。

第二阶段,通过口模挤出进入到温度和压力较低的模具型腔,由于温度和压力降低引发分子的不稳定性,从而在制品中形成大量的气泡核。

第三阶段,这些气泡核逐渐长大生成细小的孔洞。

第四阶段,通过冷却定型后形成内层较大、外层较小的孔洞。

2.微发泡中空成型工艺流程

(1)微发泡中空成型设备及辅助系统 微发泡中空成型设备如图2所示,由传统的中空成型设备加上超临界气体注入系统组成,其中中空成型设备包括料筒、挤出螺杆、气体注入口、模头、中空成型模具、吹气针及气缸等,而超临界气体注入系统由气体注入口、CO2 或N2储气罐、超临界流体控制系统组成,其中超临界流体控制系统是微发泡中空成型设备的核心。

图2 微发泡中空成型设备及辅助系统
1—料筒 2—挤出螺杆 3—气体注入口 4—模头 5—超临界流体控制系统 6—CO2 或N2储气罐 7—型坯8—模具 9—吹气针 10—气缸

(2)微发泡中空成型工艺流程 微发泡中空成型工艺流程如图3所示。

图3 微发泡中空成型工艺流程

1)形成单相融体。将成型材料加入料筒,经挤出螺杆熔融,储气罐内CO2或N2经超临界流体控制系统产生超临界流体,通过气体注入口注入中空成型机螺杆内,通过挤出螺杆塑化剪切,高分子熔体和超临界流体在螺杆内充分溶解形成单相融体。

2)成型中空制品。当中空成型机的挤出指令发出时,单相融体从中空成型机模头挤出形成型坯,封口后下降并持续向型坯内预吹气,使型坯始终保持较饱满状态,当型坯下降直至覆盖中空成型模具的型腔时,模具合模(型坯内部形成气泡核)。合模后,模具上的吹气针在气缸带作下扎破型坯并向内吹气(型坯内微细泡不断成长),使型坯紧贴模具上下型腔面,通过冷却定型(型坯内微细泡定型),得到微发泡中空制品。

微发泡中空成型技术特点

微发泡中空成型技术可以用普通的标准中空成型机及螺杆,仅需在标准机的基础上加装气体注射器、超临界流体控制器和专用微发泡控制界面系统即可。

由于微发泡中空成型主要是靠气泡的成长来填充产品,是在较低而平均的压力下进行的,所以产品的内应力大大减小,不同位置的收缩也变得非常均匀。与传统中空成型相比,微发泡中空成型产品减重可达50%以上;微发泡结构层可改善隔热和降噪效果;微发泡管件在水汽冷凝比率方面可有效缩减;成型工艺控制窗口更宽更灵活,制品变形小,尺寸更稳定,可减少模具尺寸反复修改,从而降低模具设计和制造成本[2]。

应用产品及相关测试

利用微发泡中空成型技术生产的某汽车仪表通风管产品如图4所示。由于微细孔结构的存在,其在力学性能如强度、刚度、韧性等方面相对实心结构有所下降,主机厂认为该产品的主要功能是用于空调通风,在力学性能方面满足常规强度、装配及路试需求即可(经验证可满足),而重点关注在轻量性、隔热性、隔声性方面的效果。依据主机厂的要求在此三方面进行了相关的测试。

图4 利用微发泡技术成型的某汽车仪表通风管

1.轻量性

该仪表通风管轻量性测试结果见表1。在产品壁厚相同的情况下,利用不同发泡倍率得到的产品与普通中空成型得到的产品(实体)的重量有较大的不同,减重效果很明显。

表1 仪表通风管轻量性测试结果

2.隔热性

按某汽车主机厂要求的试验条件(见表2)及方法(见图5),对不同发泡倍率的仪表通风管,测试30min,测定进出口温度差,进出口温度差=出口温度3处平均-进口温度3处平均。仪表通风管隔热性测试结果见表3。从表中可看出:发泡倍率越高,隔热效果越好,4倍发泡品的进出口温度差与实体相比可控制在1/2以下,4倍发泡品的表面无水珠出现。

表2 仪表通风管隔热性测试条件

图5 隔热性测试方法简图

表3 仪表通风管隔热性测试结果

3.隔声性

按某汽车主机厂要求的试验条件(见表4)及方法(见图6),发声室流出声源在风管出口测定噪声水平,仪表通风管隔声性测试结果见表5。从表5可看出:几乎在所有的频率带,发泡品噪声水平都比实体要低,发泡倍率越大,隔声效果越明显。

表4 仪表通风管隔声性测试条件

图6 隔声性测试方法简图

表5 仪表通风管隔声性测试结果

结语

微发泡制件优良的尺寸稳定性和综合性能(隔热、降噪、轻量化等)在汽车领域受到了重点关注,尤其是在汽车零部件如除霜管、空调管、通风管等的成型方面,微发泡中空成型技术已成为未来发展方向的潮流。具体零部件如图7所示。

图7 应用于汽车零部件产品分布

几乎所有的通用塑料中空制品都可以采用微发泡中空成型技术来生产,微发泡中空成型技术所展现出来的潜力已引起越来越多行业的关注,对其需求量正在不断增长。微发泡中空成型适用性广,尤其是可成型复杂、深腔制品,可广泛应用于电子电气、能源、医疗卫生以及航空航天等国家重点行业,是具有非常广阔前景的一种中空成型技术。

参考文献:

[1] 唐锦荣.Mucell微发泡注塑成型技术应用[M].国外塑料,2011,29(4):60-61.

[2] 翟文涛,余坚,何嘉松.超临界流体制备微发泡聚合物材料的研究进展[J].高分子通报,2009(3):1-10.



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