一种用于微孔发泡注塑的叠层模具及工艺方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于微孔发泡注塑的叠层模具及工艺方法。叠层模具至少包括两个不同体积的型腔，较小者为预制坯成型型腔，较大者为最终产品成型型腔；参与预制坯成型的模板内设置了用于控制型腔压力的气体进出管道，参与最终产品成型型腔的模板内设置了用于控制模具温度的加热/冷却部件。本发明首先成型含有发泡剂但没有泡孔结构的预制坯，然后将预制坯转移至最终产品成型型腔内，通过加热模具使预制坯发泡膨胀，直到充满整个型腔。本发明所涉及的叠层模具及其工艺技术可获得表面无泡痕、内部泡孔致密、高发泡倍率的塑料制件，且不延长注塑生产周期。
【专利说明】
一种用于微孔发泡注塑的叠层模具及工艺方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种用于微孔发泡注塑的叠层模具结构及其工艺方法，特别涉及一种利用叠层模具生产表面质量高、内部泡孔致密的外观注塑件的工艺技术。
【背景技术】
[0002]外观制件一直是微孔发泡注塑工艺难以生产的产品。既要保证高品质的外观质量，又要求产品内部均匀分布致密的泡孔结构，这是传统微孔发泡注塑工艺难以实现的技术要求。目前，高品质的塑件外观质量可以通过反压、快速热循环、型腔表面覆膜技术来实现，但这些技术与微孔发泡技术的结合都带来了不利影响。例如，反压技术通过型腔内高压气体防止聚合物熔体流动过程中发泡解决表面泡痕问题，但是也严重阻碍了后期冷却过程中产品内部泡孔的长大;快速热循环技术通过高模温修复产品破裂的泡坑，但是产品内部往往呈现少而大的泡孔质量。型腔表面覆膜技术通过特制隔膜可防止冷模表面将产品表面泡痕冻结，但是薄膜覆盖以及注射后冷却需要较长的时间，生产效率较低。
[0003]在传统的微孔发泡注塑工艺中，发泡过程分为注塑充填过程中动态发泡和充填结束后的静态发泡。由于这两个发泡过程是连续进行的，甚至动态发泡过程夹杂着静态发泡过程，在通过辅助技术影响动态发泡时，难免也会影响到静态发泡过程。因此，唯有将两个过程彻底分离开，才能同时实现微发泡产品表面质量和内部泡孔结构的有效控制。
[0004]生物聚合物网络有限公司在2008年在中国公开了一种名为“聚乳酸泡沫体的制造方法”(公开号:CN 200880009491.9)的专利技术。该技术首先在一定压力和温度环境中用二氧化碳浸泡聚乳酸珠粒，然后调节温度使珠粒预膨胀，将预膨胀后的珠粒引入到模具中并通过施加高于预膨胀的温度使所述珠粒进一步膨胀并熔合。该方法虽然将产品成型过程分为两步，提高了生产效率，但在珠粒间存在溶解面，影响了产品的力学性能。
[0005]David E.Thomas等人在2004年在美国公开了一种名为“Microcellular Foaming”(公开号:US 6723761B1)的专利技术。该技术首先将聚合物板放在高压流体环境中，称为饱含发泡剂的聚合物，降低压力使得该聚合物板达到过饱和状态，然后加热聚合物板使其接近玻璃态，聚合物板内部发泡，最后降温冷却。该技术是一种间歇式制备聚合物发泡板的方法，可以避免聚合物板表面不必要的泡痕，保证内部充分发泡。但是该方法与公开号为CN200880009491.9的专利技术一样，通过扩散法将发泡剂混入聚合物中，这是一种耗时的工艺步骤，生产效率较低。
[0006]塑料技术公司在2005年公开了一种名为“具有发泡器壁的容器”(公开号:CN200580005092.1)的专利技术。该技术通过注塑成型含非活性气体的聚合物预成型体，冷却该预成型体至该聚合物软化温度以下的温度，再加热该预成型体至比该聚合物软化温度更高的预设温度，吹塑该再加热预成型体，以制备基本由微孔发泡聚合物组成的容器。该技术将也将产品的成型过程分为两部分，通过螺杆搅拌加速发泡剂进入聚合物体系，仅适用于吹塑成型的中空容器类塑料件。
【发明内容】
[0007]本发明根据上述现有技术的不足，提出了一种用于微孔发泡注塑的叠层模具结构及工艺方法。通过叠层模具的两个型腔，分别成型含发泡剂的预制坯和含致密泡孔结构的最终产品。其中预制坯制备过程中采用高压注射工艺，防止预制坯发泡;预制坯在最终产品成型型腔内不能接触成型产品外观面的模具壁面。其中预制坯成型型腔A的体积可控制在最终产品成型型腔B体积的40-99%范围内。
[0008]为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案。
[0009]—种用于微孔发泡工艺的叠层模具，包括依次相连的动模组件、中间组件和定模组件;在定模组件上设有与预制坯成型型腔相连通的热流道系统和气体进出预制坯成型型腔的管道，所述的管道包括主气道和支气道，所述的支气道通过分型面缝隙和制件筋柱结构处的镶块缝隙与预制坯成型型腔内部联通，主气道将支气道与模具外部气压控制装置相连;所述的动模组件和中间组件内设置有对最终产品成型型腔壁进行加热和冷却的部件，所述的加热部件为电加热棒或蒸汽管道，所述冷却部件为冷却水管道或热导率较高的金属块，且加热和冷却部件的数量和布局以高效加热或冷却最终产品成型型腔为原则，根据产品具体形状确定
[0010]进一步的，所述的动模组件，包括动模座板、动模侧垫块和动模型芯板;所述的模座板、动模侧垫块和动模型芯板依次通过导套和导柱相连，在动模侧垫块内有空腔，在所述的空腔内设有推板和推板固定板，所述的顶杆一端插在推板固定板上，另一端穿过芯板，到达最终产品成型型腔。
[0011]进一步的，所述的定模组件，包括定模型芯板、定模侧垫块、热流道板、定模座板和顶杆;所述的定模座板、热流道板、定模侧垫块和定模型芯板依次通过导套和导柱相连，在定模侧垫块内有空腔，在所述的空腔内设有推板和推板固定板，所述的顶杆一端插在推板固定板上，另一端穿过定模型芯板，到达预制坯成型型腔；
[0012]进一步的，在所述的定模型芯板上设有气体进出预制坯成型型腔的管道，所述的管道包括主气道和支气道，支气道通过分型面缝隙和制件筋柱结构处的镶块缝隙与预制坯成型型腔内部联通，主气道将支气道与模具外部气压控制装置相连。
[0013]进一步的，所述的热流道系统依次穿过定模座板、热流道板、推板、推板固定板和芯板到达预制坯成型型腔。
[0014]进一步的，所述的中间模组件，包括依次相连的动模侧型腔板、隔热层和定模侧型腔板;所述的动模侧型腔板与动模型芯板形成了最终产品成型型腔;所述的定模侧型腔板与定模型芯板形成了预制坯成型型腔。
[0015]进一步的，所述的预制坯成型型腔的体积比最终产品成型型腔的体积小。整套模具包含两种不同体积的型腔，较小体积的型腔为预制坯成型型腔，设置在定模型芯和定模型腔之间，较大体积的型腔为最终产品成型型腔，设置在动模型芯和动模型腔之间。
[0016]进一步的，所述的预制坯成型型腔和最终产品成型型腔可以同时开模合模，也可以错时开模合模。该套叠层模具的开模合模时间由预制坯、最终产品成型所需要的具体工艺时间决定，开模合模动作需要外加的开模合模机构控制。
[0017]进一步的，所述的开模合模机构可以是齿轮齿条式、机械连杆式、液压辅助式。
[0018]进一步的，所述的顶出机构的驱动方式可是弹簧式、高压空气式、液压辅助式。
[0019]进一步的，所述的主气道和支气道内的气体可以是但不限于氮气。
[0020]进一步的，所述的外部气压可以将型腔压力控制在2?20MPa。
[0021]所述的动模型腔板和动模型芯板内设置了模具加热/冷却部件，加热部件可以是电加热棒也可以是蒸汽管道，冷却部件可以是冷却水管道也可以是热导率较高的金属块。加热/冷却部件的数量和布局以高效加热或冷却最终产品成型型腔为目的，可根据产品具体形状确定。
[0022]所述的加热部件可以将模具型腔加热至50?200°C，所述的冷却部件可以将模具型腔冷却至20?50 °C。
[0023]所述的隔热层可以是但不限于玻璃毡。
[0024]本发明提供利用叠层模具的微孔发泡注塑成型工艺过程，包括如下具体步骤:
[0025]步骤I，合模前准备。通过注塑机螺杆搅拌功能将发泡剂均匀混入聚合物熔体中，储存在料筒中并保持高压，防止提前发泡。将上一生产周期获得的预制坯安放固定在最终产品成型型腔中，动模侧型腔板通过加热部件提前预热。
[0026]步骤II，合模加压/加热。闭合预制坯成型型腔，开启主气管和支气管，向预制坯成型型腔内加注高压气体，使型腔保持高压环境。闭合最终产品成型型腔，通过动模侧型芯板和动模侧型腔板内的加热部件加热模具型腔表面。
[0027]步骤III，充填/发泡。开启注塑机喷嘴和模具热流道，向预制坯型腔内注入聚合物熔体和发泡剂的混合体系，采用较高的注射压力，防止混合体系发泡。随着模板温度的上升，最终产品成型型腔内的预制坯软化后开始发泡，并且通过体积膨胀填充最终产品成型型腔。
[0028]步骤IV，保压/冷却。预制坯成型型腔充填完毕，为防止混合体系发泡，需要注塑机施加较高保压压力和较长的保压时间。保压结束后，预制坯进入冷却阶段。等到混合体系冷却至无法发泡，主气管和支气管内的气体压力卸去。最终产品成型型腔内充满后，开启动模侧型腔板和动模侧型芯板内的冷却部件，快速冷却模具，完成最终产品的定型。
[0029]步骤V，开模取件。打开最终产品成型模具型腔，获得最终产品。打开预制坯模具型腔，取出预制坯，将其安放到动模侧型芯板上并固定。进入下一生产周期。
[0030]上述工艺步骤中，预制坯型腔与最终产品成型型腔制件的体积差、注气量的搭配直接决定了内部发泡形貌和产品尺寸精度;模具温度值直接影响产品表面光泽度和发泡窗
□ O
[0031]上述工艺步骤中，预制坯形状设计是控制产品成型质量的关键:筋柱设计要便于预制坯在终成型型腔安放;为固定预制坯，需要预制坯上可以添加微小紧固结构;预制坯可以采用非等厚设计，壁面因混气量不均造成的局部发泡不均;预制坯的形状要保证预制坯发泡前不触碰最终产品型腔壁面，防止表面泡坑的产生。
[0032]上述工艺步骤中，预制坯成型型腔注射前，型腔压力要到达到2?20MPa，防止预制坯成型过程中发泡。
[0033]上述工艺步骤中，为缩短预制坯成型周期，可采用模具快速冷却技术，加速预制坯制件的冷却凝固，提高生产效率。
[0034]上述工艺步骤中，最终成型型腔的温度要达到50?200°C，保证熔体进入高弹态发泡，高温保持时间要保证型腔充分填充。
[0035]本发明的有益效果:相比间歇式发泡工艺，该发明采用螺杆搅拌加速超临界流体在聚合物熔体中的溶解，生产效率更高;相比珠粒发泡工艺，该发明采用预制坯代替含发泡剂的塑料颗粒，避免颗粒粘结造成的力学性能下降；相比呼吸模发泡工艺，该发明的产品发泡空间不用考虑模具机构的干涉问题，避免了模板退让造成的泡孔变形、破裂;本发明提供的叠层模具结构与相应工艺方法容易实现连续生产，生产周期与传统微孔发泡注塑工艺相当。该工艺防止了动态发泡，为静态发泡创造了空间，可用于成型外观制件，且产品的发泡倍率和致密度均优于传统微孔发泡注塑工艺。
【附图说明】
[0036]图1为本发明的用于微孔发泡工艺的叠层模具结构示意图。
[0037]图中，1、动模座板;2、动模侧垫块;3、动模型芯板;4、动模型腔板;5、隔热层;6、定模型腔板;7、定模型芯板;8、定模侧垫块;9、热流道板;10、定模座板;11、定位圈；12、热流道系；13、镶块；14、动模侧推板固定板；15、动模侧推板；16、动模侧顶杆；17、定模侧推板固定板;18、定模侧推板;19、定模侧顶杆;20、导套;21、导柱;22、主气道;23、支气道;24、水管;A、预制坯成型型腔;B、最终产品成型型腔。
[0038]图2为本发明的利用叠层模具的微孔发泡注塑成型工艺过程示意图。
[0039]图中，25、预制坯;26、高压气体;27、最终产品；1、合模前准备；11、合模加压/加热；111、发泡/充填;IV、保压/冷却;V、开模取件。
【具体实施方式】
[0040]下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
[0041]本发明提出了一种用于微孔发泡注塑的叠层模具结构及工艺方法。通过叠层模具的两个型腔，分别成型含发泡剂的预制坯和含致密泡孔结构的最终产品。其中预制坯制备过程中采用高压注射工艺，防止预制坯发泡;预制坯在最终产品成型型腔内不能接触成型产品外观面的模具壁面。其中预制坯成型型腔A的体积可控制在最终产品成型型腔B体积的40-99%范围内，具体结构如图1所示，用于微孔发泡工艺的叠层模具，包括:动模座板1、动模侧垫块2、动模型芯板3、动模型腔板4、隔热层5、定模型腔板6、定模型芯板7、定模侧垫块
8、热流道板9、定模座板10、定位圈11、热流道系12、镶块13、动模侧推板固定板14、动模侧推板15、动模侧顶杆16、定模侧推板固定板17、定模侧推板18、定模侧顶杆19、导套20、导柱21、主气道22、支气道23、水管24、预制坯成型型腔A、最终产品成型型腔B。
[0042]其中，动模座板1、动模侧垫块2、动模型芯板3、动模型腔板4、隔热层5、定模型腔板
6、定模型芯板7、定模侧垫块8、热流道板9、定模座板10、定位圈11依次相连组成叠层模具的模架系统。模具打开时，模具将分成三部分:动模组件、中间模组件和定模组件。其中，动模组件由动模座板1、动模侧垫块2、动模型芯板3、动模侧推板15、动模侧推板固定板14、动模侧顶杆16组成，中间模组件由动模侧型腔板4、隔热层5和定模侧型腔板6组成，定模组件由定模型芯板7、定模侧垫块8、热流道板9、定模座板11、定模侧推板18、定模侧推板固定板17、定模侧顶杆19组成。
[0043]其中，整套模具包含两种不同体积的型腔，较小体积的型腔为预制坯成型型腔A，设置在定模型芯板7和定模型腔板6之间，较大体积的型腔为最终产品成型型腔B，设置在动模型芯板3和动模型腔板4之间。热流道系统12穿过定位圈11、定模座板10、热流道板9、定模侧推板18、定模侧推板固定板17、定模型芯板7到达预制坯成型型腔A。两套顶出机构分别安装在动模侧和定模侧，每套机构包括推板、推板固定板、推杆，定模侧的顶出机构位于热流道板9和定模型芯板7之间，动模侧的顶出机构位于动模座板I和动模型芯板3之间。
[0044]进一步的，导柱21和导套20保证中间模组件、动模组件和定模组件保持在同一水平，如果中间模组件重量较大，需要额外的承载机构保证中间模、动模组件和定模组件的合模开模顺利。
[0045]进一步的，预制坯成型型腔A和最终产品成型型腔B开模合模动作同步，由外加的开模合模机构控制。
[0046]进一步的，开模合模机构可以是齿轮齿条式、机械连杆式、液压辅助式。
[0047]进一步的，顶出机构的驱动方式可以是弹簧式、高压空气式、液压辅助式。
[0048]进一步的，定模型芯板7内设置了气体进出预制坯成型型腔A的管道，包括主气道22和支气道23，支气道23通过分型面缝隙和制件筋柱结构处的镶块13缝隙与型腔内部联通，主气道22将支气道23与模具外部气压控制装置相连。
[0049]进一步的，主气道22和支气道23内的气体采用氮气或者其他气体。
[0050]进一步的，外部气压控制装置可以将型腔压力控制在2?20MPa。
[0051 ]进一步的，动模型腔板4和动模型芯板3内设置了水管，加热时流通高压蒸汽管道，冷却时流通冷却水。
[0052]进一步的，加热部件可以将模具型腔加热至50?200°C，所述的冷却部件可以将模具型腔冷却至20?50°C。
[0053]进一步的，隔热层采用玻璃毡。
[0054]本发明提供的叠层模具结构与相应工艺方法容易实现连续生产，生产周期与传统微孔发泡注塑工艺相当。该工艺防止了动态发泡，为静态发泡创造了空间，可用于成型外观制件，且产品的发泡倍率和致密度均优于传统微孔发泡注塑工艺。
[0055]如图2所示，本发明实施的工艺过程大致包括合模前准备1、合模加压/加热I1、发泡和充填III;保压和冷却IV;开模取件V。
[0056]具体的实施例的工艺过程如下:
[0057]步骤I，合模前准备。通过微孔发泡注塑机将发泡剂均匀混入聚合物熔体中，储存与料筒中并保持高压，防止提前发泡。将上一生产周期获得的预制坯25安放固定在最终产品成型模具型腔中，动模侧型腔板4通过高压蒸汽预热。
[0058]步骤II，合模加压/加热。闭合预制坯成型型腔A，开通主气管22和支气管23，向预制坯成型型腔A内加注高压气体26，使型腔在注射前保持高压环境。闭合最终产品成型型腔B，通过动模侧型芯板3和动模侧型腔板4内的蒸汽加热型腔。
[0059]步骤III，充填/发泡。开启微孔发泡注塑机喷嘴和热流道系统12，向预制坯成型型腔内注入聚合物熔体和发泡剂的混合体系，采用较高的注射压力，防止混合体系发泡。随着模板温度的上升，最终产品成型型腔B内的预制坯25软化后开始发泡，并且通过体积膨胀填充最终产品成型型腔B。
[0060]步骤IV，保压/冷却。预制坯成型型腔A充填完毕，为防止混合体系发泡，需要注塑机施加较高保压压力和较长的保压时间。保压结束后，预制坯进入冷却阶段。等到混合体系冷却至无法发泡，主气管22和支气管23内的气体压力卸去。最终产品成型型腔B内充满后，开启动模侧型腔板3和动模侧型芯板4内的冷却部件，快速冷却模具，完成最终产品27的定型。
[0061 ]步骤V，开模取件。打开最终产品成型型腔，获得最终产品27 ο打开预制坯型腔，取出预制坯25，将其安放到动模侧型芯板3上并固定。进入下一生产周期。
[0062]上述工艺步骤中，预制坯成型型腔A是最终产品成型型腔B的体积的60%、注气质量百分比为2%;模具最高温度值为150°C。
[0063]上述工艺步骤中，模具A的筋柱结构比模具B的筋柱结构尺寸略小，可控制在0.05-
0.1mm;预制坯25在发泡前不触碰最终产品成型型腔B壁面。
[0064]上述工艺步骤中，预制坯成型型腔A在注射前，型腔压力要达到4?1MPa之间，防止预制坯24成型过程中发泡。
[0065]上述虽然结合附图对本发明的【具体实施方式】进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
【主权项】
1.一种用于微孔发泡工艺的叠层模具，其特征在于，包括依次相连的动模组件、中间组件和定模组件;在定模组件上设有与预制坯成型型腔相连通的热流道系统和气体进出预制坯成型型腔的管道，所述的管道包括主气道和支气道，所述的支气道通过分型面缝隙和制件筋柱结构处的镶块缝隙与预制坯成型型腔内部联通，主气道将支气道与模具外部气压控制装置相连;所述的动模组件和中间组件内设置有对最终产品成型型腔壁进行加热和冷却的部件，所述的加热部件为电加热棒或蒸汽管道，所述冷却部件为冷却水管道或热导率较尚的金属块。2.如权利要求1所述的用于微孔发泡工艺的叠层模具，其特征在于，所述的动模组件，包括动模座板、动模侧垫块和动模型芯板;所述的模座板、动模侧垫块和动模型芯板依次通过导套和导柱相连，在动模侧垫块内有空腔，在所述的空腔内设有推板和推板固定板，所述的顶杆一端插在推板固定板上，另一端穿过芯板，到达最终产品成型型腔。3.如权利要求1所述的用于微孔发泡工艺的叠层模具，其特征在于，所述的定模组件，包括定模型芯板、定模侧垫块、热流道板、定模座板和顶杆;所述的定模座板、热流道板、定模侧垫块和定模型芯板依次通过导套和导柱相连，在定模侧垫块内有空腔，在所述的空腔内设有推板和推板固定板，所述的顶杆一端插在推板固定板上，另一端穿过定模型芯板，到达预制坯成型型腔。4.如权利要求3所述的用于微孔发泡工艺的叠层模具，其特征在于，所述的热流道系统依次穿过定模座板、热流道板、推板、推板固定板和芯板到达预制坯成型型腔。5.如权利要求1所述的用于微孔发泡工艺的叠层模具，其特征在于，所述的中间组件，包括依次相连的动模侧型腔板、隔热层和定模侧型腔板;所述的动模侧型腔板与动模型芯板形成了最终产品成型型腔;所述的定模侧型腔板与定模型芯板形成了预制坯成型型腔。6.如权利要求1所述的用于微孔发泡工艺的叠层模具，其特征在于，所述的预制坯成型型腔数量与最终产品成型型腔数量相等，两种型腔的总数量为大于2的偶数;所述的预制坯成型型腔的体积是最终产品成型型腔的体积的40-99%。7.如权利要求1所述的用于微孔发泡工艺的叠层模具，其特征在于，所述的预制坯成型型腔和最终产品成型型腔能同时开模合模，或错时开模合模;所述套叠层模具的开模合模动作需要外加的开模合模机构控制;所述的开模合模机构为齿轮齿条式、机械连杆式或液压辅助式。8.利用权利要求1-7任一所述的叠层模具进行微孔发泡注塑成型工艺的方法，其特征在于，包括如下具体步骤: 步骤I，合模前准备;通过注塑机螺杆搅拌功能将发泡剂均匀混入聚合物熔体中，储存在料筒中并保持高压，将上一生产周期获得的预制坯安放固定在最终产品成型型腔中，动模侧型腔板通过加热部件提前预热； 步骤II，合模加压和加热；闭合预制坯成型型腔，开启主气管和支气管，向预制坯成型型腔内加注高压气体，使型腔保持高压环境，闭合最终产品成型型腔，通过动模侧型芯板和动模侧型腔板内的加热部件加热模具型腔表面； 步骤III，充填和发泡;开启注塑机喷嘴和模具热流道，向预制坯型腔内注入聚合物熔体和发泡剂的混合体系；随着模板温度的上升，最终产品成型型腔内的预制坯软化后开始发泡，并且通过体积膨胀填充最终产品成型型腔。 步骤IV，保压和冷却;预制坯成型型腔充填完毕，注塑机施加设定的保压压力和设定的保压时间；保压结束后，预制坯进入冷却阶段;等到混合体系冷却至无法发泡，主气管和支气管内的气体压力卸去;最终产品成型型腔内充满后，开启动模侧型腔板和动模侧型芯板内的冷却部件，快速冷却模具，完成最终产品的定型； 步骤V，开模取件；打开最终产品成型模具型腔，获得最终产品；打开预制坯模具型腔，取出预制坯，将其安放到动模侧型芯板上并固定;进入下一生产周期。9.如权利要求8所述的微孔发泡注塑成型工艺的方法，其特征在于，所述的预制坯采用非等厚结构，避免因混气量不均造成的局部发泡不均，同时预制坯的形状要保证预制坯发泡前不触碰最终产品型腔壁面，防止表面泡坑的产生。10.如权利要求8所述的微孔发泡注塑成型工艺的方法，其特征在于，预制坯成型型腔注射前，型腔压力要到达到2?20MPa，防止预制坯成型过程中发泡;最终产品成型型腔的温度要达到50?200°C，保证熔体进入高弹态发泡，高温保持时间要保证型腔充分填充。
【文档编号】B29C44/34GK105835293SQ201610273486
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年4月27日
【发明人】赵国群, 张磊
【申请人】山东大学