PLA发泡过程中，机械设备的作用到底有多大？
生物降解材料研究院原创报道，微孔发泡注塑成型工艺的先决条件是泡孔的成核速率要大大高于发泡剂扩散进泡孔的速率；高的成核剂速率需要在高压下将发泡剂溶进聚合物熔体中，使其在料筒中以一种单相溶液方式存在。
普通螺杆由于塑化不良或物料局部过热等缺点难以满足，并且新型螺杆会提高熔体温度的不均匀性，从而造成发泡剂与熔体混合不均匀，甚至可能使发泡熔体中的气体逸出。
01
微孔注塑成型工艺过程
工艺具体过程
（1）单相溶液的形成
（2）均匀成核
（3）微孔长大 成核作用完成后，微孔就开始长大。
（4）制品成型
02
微孔发泡注塑成型特点
在微孔发泡注塑成型中，溶入到塑料熔体中的超临界气体对塑料熔体的黏度、注塑成型周期、注塑件重量和注塑件的综合机械性能都有着显著的积极影响。
（1）降低熔体黏度，便于成型加工
（2）缩短成型周期，减小制品的翘曲变形
（3）减小了制品壁厚和产品重量
03
注塑螺杆的结构与特点
1）、螺杆结构
螺杆式注塑机塑化部件主要由螺杆、料筒、喷嘴等组成，如下图所示。
螺杆式塑化部件的工作原理：
预塑时，从料口落入螺槽中的粒料被旋转的螺杆连续地向前推进，固体粒料在外加热和螺杆旋转剪切双重作用下，经过螺杆各功能段的热历程，达到塑化和熔融。
熔料推开止逆环，经过螺杆头的周围通道流入螺杆的前端，并产生背压。
推动螺杆后移完成熔料的计量，在注射时，螺杆起柱塞的作用，在油缸作用下，迅速前移，将储料室中的熔体通过喷嘴注入模具。
2）、螺杆特点
作为塑化关键部件的螺杆具有如下特点：
（1）螺杆具有塑化和注射两种功能，在塑化时仅作预塑用；
（2）塑料在塑化过程中，所经过的热历程要比挤出长；
（3）螺杆在塑化和注射时，均要发生轴向位移，同时螺杆又处于时转时停的间歇式工作状态，因此形成了螺杆塑化过程的非稳定性。
3）、注塑螺杆
为适应加工塑料性能方面的不同要求(如软化温度范围、硬度、粘度、摩擦系数、比热、热稳定性、导热性等)，而需要将螺杆设计成不同形式。一般注塑螺杆分为普通型螺杆和新型螺杆。
A：普通型螺杆
普通型螺杆的特点是三段式，即加料段（输送段）、压缩段（塑化段）、均化段（计量段），其螺杆分为渐变式螺杆、突变型式螺杆和通用型式螺杆。
渐变型式螺杆的压缩段比较长，其特征是塑化时能量转化比较缓和，适合于加工非结晶型塑料。
突变型式螺杆的压缩段比较短，其塑化时能量转化比较剧烈，适合于加工聚烯烃类结晶型塑料。
通用型式螺杆其压缩段介于渐变与突变之间，能对渐变与突变螺杆所能加工的物料进行加工。普通螺杆的特点是塑化能力较低，塑化质量波动且难以适应特殊工艺要求。
B：新型螺杆
随着人们对注塑制品要求的不断提高，物料的成分越来越复杂，各种新型注塑螺杆开始被应用于塑料注塑成型的生产中。现在较常见的新型螺杆有混炼环螺杆，分离型螺杆和双波螺杆。
混炼环螺杆的特点是在均化段位置上设置混炼元件，主要起混合、均化作用。
利用销钉的分流作用，多次混合，可得到塑化好的熔料；利用进料槽与出料槽之间屏障棱对物料的剪切作用，可对残留的未塑化好的微小碎块得到进一步的塑化，同时物料得以混合均匀。
分离型螺杆的结构特点是在压缩段增加一条副螺棱，将主螺纹槽分为两部分。增大了固相料与机筒内壁的热交换面积。
双波螺杆的结构特点是在单波螺杆的螺槽中附加一条平行副螺棱，且螺距相等，副螺棱低于主螺棱，一条螺槽的波峰对应另一条螺槽的波谷。
在塑化过程中、主副螺棱上的物料发生周期性的剪切作用，且可不断汇合，有利于均化，所以相对其它螺杆而言，不仅可提高塑化能力，而且能增加混炼效果。
螺杆是注塑机塑化装置的核心部件，螺杆的结构也是决定微孔发泡注塑成型产品质量的关键之一，所以对于微孔发泡注塑成型来说，专用注塑螺杆的设计和研究显得尤为重要。
04
微孔发泡专用螺杆
在开发微孔发泡注塑成型专用螺杆时应主要考虑以下四个因素：
A：提高螺杆的塑化能力；
B：改善提高螺杆的分布分散混合能力；
C：降低熔体温度的不均匀性；
D：防止发泡熔体中的气体逆流、逸出。
1）、螺杆对料桶内物料的塑化
对于螺杆式的注塑装置，螺杆的转动能产生剪切摩擦热量，使物料温度提高，同时由于螺杆转动促进物料产生各种运动，物料位置的交换起到搅拌混合作用，使物料温度和混合更加均匀。
在螺杆加料段，主要是固体粒子与料筒内壁和螺杆表面摩擦生热；在全部为聚合物熔体与发泡剂充满的均化段，主要是混合物粘性流动，由于剪切作用粘性耗散而析出热量；在压缩段，固液共存，因而两种摩擦生热都有。
从物料状态而言，以上三段可以看成是物料的固态与熔态的差异而产生的摩擦热量的不同，而后者对料筒内物料加热系数的影响更为重要。
当聚合物已处于粘流态时(主要在螺杆的均化段)，粘度很高的熔体因受剪切作用而产生大量的热，使熔体温度很可能大幅度上升。螺杆转动对聚合物塑化的强化作用，可以用料筒内物料沿料筒轴向升温曲线表示出来。
如上图所示，聚合物在料筒内从加料口到喷嘴处的温度变化与螺杆的作用密切相关。对柱塞式注射装置仅靠料筒的外部加热，可以看出与料筒接触的物料升温较快，靠近轴线的中心物料升温很慢，直到流经分流梭附近时，温度才迅速上升，并逐渐减小物料各点的温差，但仍低于料筒壁温度。
对于螺杆式注射装置，开始升温速度并不太大，因为此时物料处于固体状态。摩擦发热不很大，并以料筒的传热为主，但当出现熔融物料时，粘性流体剪切发热量比较大。
促使其温度很快上升，所以在料筒前方或在压缩段以后，由于螺杆的剪切和混合作用，熔体温度不断上升，螺槽中物料熔融后，由于剪切摩擦导致聚合物熔体温度升高，其值可近似计算为：
由式可见：当浅槽螺杆转速很高时，可使温升大大提高，强烈的剪切可使熔体温度接近甚至高于料筒壁温度，这种情况在离喷嘴较远处已发生。
螺杆对塑化的强化作用，除与螺杆转速有关外，阻止螺杆后退的背压对剪切摩擦热的产生也有影响。
背压提高时，螺杆旋转后退所受的阻力增大，为克服增大的阻力，势必要增大驱动螺杆转动的功率，使更多的机械功转化为热量，螺杆对聚合物塑化的作用，除了能提高熔体的温度外，还可以提高熔体温度的均匀性。
微孔发泡注塑成型前提就是要形成单一的聚合物熔体/气体均相体系，所以物料的塑化均匀是其基本条件，塑化均匀包括物料的熔融速率、混炼温度的稳定性、发泡剂的均匀分散性。要实现塑化均匀，最重要的塑化装置中的螺杆结构和形式。
要提高塑料的熔融速率，螺杆必须具有高剪切能力；要提高塑料混炼温度的稳定性，螺杆必具有低温塑化能力；要提高发泡剂的均匀分散性，螺杆必须具有在背压低情况下，高速旋转塑化能力。此三方面能力缺一不可。
螺杆在塑化过程中，除了转动之外还发生轴向位移，减少了螺杆的有效工作长度，增加了螺杆塑化的不稳定性与轴向温差。均化段较短，会导致螺杆塑化能力不强、塑化不均匀。
综上所述：提高螺杆转速，优化螺杆的结构参数和提高背压，如增加螺杆的工作长度，增大螺杆直径，增加均化段的长度等等，有助于提高聚合物与发泡剂的塑化均匀效果，同时提高背压还可以降低熔体温度不均匀性。
2）、螺杆对料桶内物料的混合效果
混合是在整个系统的全部体积内，各组份在其基本单元没有本质变化的情况下分散混合和非分散混合。非分散混合是通过重复地排列少组分，在原理上可把非均匀性减少到分子水平。它又分为分布性混合和层状混合，以分布混合为主。
分布性混合是在不改变组份颗粒尺寸的条件下，获得其在基本组份空间位置上的广延性和均匀性。分布混合借助的是对料流的多次分割，多次折叠，多次再取向。
分布性混合主要发生在固体与固体、固体与液体、液体与液体之间。它可能是无轨的，如发生在将固体与固体混合的混合机中，也可能是有序的，如发生在将熔体与熔体混合的静态混合器中；
分散性混合借助于拉伸应力和剪切应力使颗粒尺寸减小细化，不断使料流形成新的界面。发生在固体液体之间和液体液体之间。在这种混合中，粒子有粒度的减小，也有位置的变化。
在实际混合过程中，分散混合和分布混合往往同时发生，通常因结构、材料和配方的不同，所要求的混合作用的强度不同，混合作用的持续时间也不同。从混合的角度看，由于注塑螺杆长径比较小，所以在螺杆转动过程中，物料在螺槽内的运动时间较短，导致螺杆分布混合能力较差。
注塑螺杆的均化段较短，均化段螺槽较深，塑化时螺杆头部压力很低，导致注塑螺杆剪切作用相对较弱，不利于分散混合。再加上螺杆还有轴向的后退速度，使注塑螺杆的回流和反流减小，也影响其混合效果。
综上所述：提高螺杆的长径比，增加均化段长度，降低均化深度，减小轴向的后退速度，有助于提高混合效果，还可以增加混炼元件。
3）、螺杆对熔体温度均匀性的影响
注塑成型过程中，工艺参数的选择和调整对制品的质量将产生直接的影响，而这些工艺条件中，最重要的是温度、压力和速度。
尤其是熔体温度是这些加工变量中最重要的变量之一，它直接影响熔体的性质，如粘度和密度等性能；并且熔体温度也决定了其他的加工变量，如熔体流动率、喷嘴口的压力、型腔压力、冷却时间和注塑制品的质量特性等。
因此，研究熔体温度均匀性和其他螺杆参数、加工变量的关系就显得尤为重要，研究这些关系将为为正确设计制造注塑螺杆、调整加工工艺参数和改善制品质量提供理论依据。
塑化行程是影响熔体温度均匀性的一个重要因素，随着塑化行程的增大，熔体温度不均匀性增大。随着背压的增大，熔体温度整体升高，同时熔体温度均匀性提高。此外注射熔体的温度均匀性还与加工工艺条件密切相关。
对于普通三段式螺杆，随螺杆转速、注射行程的增加，熔体温度不均匀性加大；但随着背压的增大和物料在螺杆中停留时间的增大，熔体温度均匀性呈提高趋势。
螺杆的几何参数与熔体温度均匀性的关系密切，提高螺杆长径比、减小均化段槽深、减小螺距等都会提高熔体温度均匀性，从而提高注射制品的质量。
研究结果表明：合理改进微孔发泡注塑注塑螺杆的几何参数和结构，建立一个始终稳定的螺杆背压，将有助于提高注塑螺杆的分布分散混合效果，提高注塑机的塑化能力和降低熔体温度的不均匀性。
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