注射成型（注塑）能一次成型外形復(fù)雜、尺寸精確的塑料制品，且成型過程自動化程度高，在塑料成型加工中有著廣泛的應(yīng)用。但隨著塑料制品的應(yīng)用日益廣泛，人們對塑料制品的精度、形狀、功能、成本等提出了更高的要求，傳統(tǒng)的注射成型工藝已難以適應(yīng)這種要求，主要表現(xiàn)在：①生產(chǎn)大面積結(jié)構(gòu)制件時，高的熔體粘度需要高的注塑壓力，高的注塑壓力要求大的鎖模力，從而增加了機器和模具的費用；②生產(chǎn)厚壁制件時，難以避免表面縮痕和內(nèi)部縮孔，塑料件尺寸精度差；③加工纖維增強復(fù)合材料時，缺乏對纖維取向的控制能力，基體中纖維分布隨機，增強作用不能充分發(fā)揮。因而在傳統(tǒng)注射成型技術(shù)的基礎(chǔ)上，又發(fā)展了一些新的注射成型工藝，如氣體輔助注射、剪切控制取向注射、層狀注射、熔芯注射、低壓注射等，以滿足不同應(yīng)用領(lǐng)域的需求。筆者擬對上述成型新工藝作一簡要介紹。 1氣體（水）輔助注射成型 氣體輔助注射成型是自往復(fù)式螺桿注塑機問世以來，注射成型技術(shù)最重要的發(fā)展之一。它通過高壓氣體在注塑制件內(nèi)部產(chǎn)生中空截面，利用氣體保壓，減少制品殘余內(nèi)應(yīng)力，消除制品表面縮痕，減少用料，顯示出傳統(tǒng)注射成型無法比擬的優(yōu)越性。氣體輔助注射的工藝過程主要包括三個階段： 起始階段為熔體注射。該階段把塑料熔體注入型腔，與傳統(tǒng)注射成型相同，但是熔體只充滿型腔的60%～95%，具體的注射量隨產(chǎn)品而異。 第二階段為氣體注入。該階段把高壓惰性氣體注入熔體芯部，熔體前沿在氣體壓力的驅(qū)動下繼續(xù)向前流動，直至充滿整個型腔。氣輔注塑時熔體流動距離明顯縮短，熔體注塑壓力可以大為降低。氣體可通過注氣元件從主流道或直接由型腔進入制件。因氣體具有始終選擇阻力最?。ǜ邷亍⒌驼常┑姆较虼┩傅奶匦?，所以需要在模具內(nèi)專門設(shè)計氣體的通道。 第三階段為氣體保壓。該階段使制件在保持氣體壓力的情況下冷卻，進一步利用氣體各向同性的傳壓特性在制件內(nèi)部均勻地向外施壓，并通過氣體膨脹補充因熔體冷卻凝固所帶來的體積收縮（二次穿透），保證制品外表面緊貼模壁。 氣輔技術(shù)為許多原來無法用傳統(tǒng)工藝注射成型的制件采用注塑提供了可能，在汽車、家電、家具、電子器件、日常用品、辦公自動化設(shè)備、建筑材料等幾乎所有塑料制件領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，并且作為一項帶有挑戰(zhàn)性的新工藝為塑料成型開辟了全新的應(yīng)用領(lǐng)域。氣輔技術(shù)特別適用于制作以下幾方面的注塑制品： （1）管狀、棒狀制品 如手柄、掛鉤、椅子扶手、淋浴噴頭等。采用中空結(jié)構(gòu)，可在不影響制品功能和使用性能的前提下，大幅度節(jié)省原材料，縮短冷卻時間和生產(chǎn)周期。 （２）大型平板制件 如汽車儀表板、內(nèi)飾件格柵。商用機器的外罩及拋物線形衛(wèi)星天線等。通過在制件內(nèi)設(shè)置內(nèi)置式氣道，可以顯著提高制品的剛度和表面質(zhì)量，減小翹曲變形和表面凹陷，大幅度降低鎖模力，實現(xiàn)用較小的設(shè)備成型較大的制件。 （３）厚、薄壁一體的復(fù)雜結(jié)構(gòu)制品 如電視機、計算機用打印機外殼及內(nèi)部支撐和外部裝飾件等。這類制品通常用傳統(tǒng)注塑工藝無法一次成型，采用氣輔技術(shù)提高了模具設(shè)計的自由度，有利于配件集成，如松下74cm電視機外殼所需的內(nèi)部支撐和外部裝飾件的數(shù)量從常規(guī)注塑工藝的17個減至8個，可大幅度縮短裝配時間。 水輔助注射成型是IKV公司在氣體輔助注射成型技術(shù)基礎(chǔ)上開發(fā)的新技術(shù)，是用水代替氮氣輔助熔體流動，最后利用壓縮空氣將水從制件中壓出。與氣體輔助注射成型相比，水輔助注射成型能夠明顯縮短成型時間和減小制品壁厚，可應(yīng)用于任何熱塑性塑料，包括那些分子量較低、容易被吹穿的塑料，且可以生產(chǎn)大直徑（40mm以上）棒狀或管狀空心制件。例如，對于直徑為10mm的制件，生產(chǎn)周期可從60s減至10s（壁厚1～1.5mm）；而直徑為30mm的制件，生產(chǎn)周期則可由180s減到40s（壁厚2.5～3.0mm）。IKV公司和Ferromatik Milacron公司目前正在完善樣機，其他一些氣輔注塑廠商如Battenfeld公司和Engel公司最近也加入到開發(fā)的隊伍中來。水輔助注射成型主要用于生產(chǎn)內(nèi)表面光滑、重復(fù)性好的介質(zhì)導(dǎo)管，其質(zhì)量和經(jīng)濟效益都是氣體輔助注射技術(shù)所不及的。 ２ 模具滑動注射成型 模具滑動注射成型法是由日本制鋼所開發(fā)的一種兩步注射成型法，主要用于中空制品的制造。其原理（圖1）是首先將中空制品一分為二，兩部分分別注射形成半成品，然后將兩部分半成品和模具滑動至對合位置，二次合模，在制品兩部分結(jié)合縫再注入塑料熔體（２次注射），最后得到完整的中空制品。與吹塑制品相比，該法成型制品具有表面精度好、尺寸精度高、壁厚均勻且設(shè)計自由度大等優(yōu)點。 注射成型（注塑）能一次成型外形復(fù)雜、尺寸精確的塑料制品，且成型過程自動化程度高，在塑料成型加工中有著廣泛的應(yīng)用。但隨著塑料制品的應(yīng)用日益廣泛，人們對塑料制品的精度、形狀、功能、成本等提出了更高的要求，傳統(tǒng)的注射成型工藝已難以適應(yīng)這種要求，主要表現(xiàn)在：①生產(chǎn)大面積結(jié)構(gòu)制件時，高的熔體粘度需要高的注塑壓力，高的注塑壓力要求大的鎖模力，從而增加了機器和模具的費用；②生產(chǎn)厚壁制件時，難以避免表面縮痕和內(nèi)部縮孔，塑料件尺寸精度差；③加工纖維增強復(fù)合材料時，缺乏對纖維取向的控制能力，基體中纖維分布隨機，增強作用不能充分發(fā)揮。因而在傳統(tǒng)注射成型技術(shù)的基礎(chǔ)上，又發(fā)展了一些新的注射成型工藝，如氣體輔助注射、剪切控制取向注射、層狀注射、熔芯注射、低壓注射等，以滿足不同應(yīng)用領(lǐng)域的需求。筆者擬對上述成型新工藝作一簡要介紹。 1氣體（水）輔助注射成型 氣體輔助注射成型是自往復(fù)式螺桿注塑機問世以來，注射成型技術(shù)最重要的發(fā)展之一。它通過高壓氣體在注塑制件內(nèi)部產(chǎn)生中空截面，利用氣體保壓，減少制品殘余內(nèi)應(yīng)力，消除制品表面縮痕，減少用料，顯示出傳統(tǒng)注射成型無法比擬的優(yōu)越性。氣體輔助注射的工藝過程主要包括三個階段： 起始階段為熔體注射。該階段把塑料熔體注入型腔，與傳統(tǒng)注射成型相同，但是熔體只充滿型腔的60%～95%，具體的注射量隨產(chǎn)品而異。 第二階段為氣體注入。該階段把高壓惰性氣體注入熔體芯部，熔體前沿在氣體壓力的驅(qū)動下繼續(xù)向前流動，直至充滿整個型腔。氣輔注塑時熔體流動距離明顯縮短，熔體注塑壓力可以大為降低。氣體可通過注氣元件從主流道或直接由型腔進入制件。因氣體具有始終選擇阻力最?。ǜ邷?、低粘）的方向穿透的特性，所以需要在模具內(nèi)專門設(shè)計氣體的通道。 第三階段為氣體保壓。該階段使制件在保持氣體壓力的情況下冷卻，進一步利用氣體各向同性的傳壓特性在制件內(nèi)部均勻地向外施壓，并通過氣體膨脹補充因熔體冷卻凝固所帶來的體積收縮（二次穿透），保證制品外表面緊貼模壁。 氣輔技術(shù)為許多原來無法用傳統(tǒng)工藝注射成型的制件采用注塑提供了可能，在汽車、家電、家具、電子器件、日常用品、辦公自動化設(shè)備、建筑材料等幾乎所有塑料制件領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，并且作為一項帶有挑戰(zhàn)性的新工藝為塑料成型開辟了全新的應(yīng)用領(lǐng)域。氣輔技術(shù)特別適用于制作以下幾方面的注塑制品： （1）管狀、棒狀制品 如手柄、掛鉤、椅子扶手、淋浴噴頭等。采用中空結(jié)構(gòu)，可在不影響制品功能和使用性能的前提下，大幅度節(jié)省原材料，縮短冷卻時間和生產(chǎn)周期。 （２）大型平板制件 如汽車儀表板、內(nèi)飾件格柵。商用機器的外罩及拋物線形衛(wèi)星天線等。通過在制件內(nèi)設(shè)置內(nèi)置式氣道，可以顯著提高制品的剛度和表面質(zhì)量，減小翹曲變形和表面凹陷，大幅度降低鎖模力，實現(xiàn)用較小的設(shè)備成型較大的制件。 （３）厚、薄壁一體的復(fù)雜結(jié)構(gòu)制品 如電視機、計算機用打印機外殼及內(nèi)部支撐和外部裝飾件等。這類制品通常用傳統(tǒng)注塑工藝無法一次成型，采用氣輔技術(shù)提高了模具設(shè)計的自由度，有利于配件集成，如松下74cm電視機外殼所需的內(nèi)部支撐和外部裝飾件的數(shù)量從常規(guī)注塑工藝的17個減至8個，可大幅度縮短裝配時間。 水輔助注射成型是IKV公司在氣體輔助注射成型技術(shù)基礎(chǔ)上開發(fā)的新技術(shù)，是用水代替氮氣輔助熔體流動，最后利用壓縮空氣將水從制件中壓出。與氣體輔助注射成型相比，水輔助注射成型能夠明顯縮短成型時間和減小制品壁厚，可應(yīng)用于任何熱塑性塑料，包括那些分子量較低、容易被吹穿的塑料，且可以生產(chǎn)大直徑（40mm以上）棒狀或管狀空心制件。例如，對于直徑為10mm的制件，生產(chǎn)周期可從60s減至10s（壁厚1～1.5mm）；而直徑為30mm的制件，生產(chǎn)周期則可由180s減到40s（壁厚2.5～3.0mm）。IKV公司和Ferromatik Milacron公司目前正在完善樣機，其他一些氣輔注塑廠商如Battenfeld公司和Engel公司最近也加入到開發(fā)的隊伍中來。水輔助注射成型主要用于生產(chǎn)內(nèi)表面光滑、重復(fù)性好的介質(zhì)導(dǎo)管，其質(zhì)量和經(jīng)濟效益都是氣體輔助注射技術(shù)所不及的。 ２ 模具滑動注射成型 模具滑動注射成型法是由日本制鋼所開發(fā)的一種兩步注射成型法，主要用于中空制品的制造。其原理（圖1）是首先將中空制品一分為二，兩部分分別注射形成半成品，然后將兩部分半成品和模具滑動至對合位置，二次合模，在制品兩部分結(jié)合縫再注入塑料熔體（２次注射），最后得到完整的中空制品。與吹塑制品相比，該法成型制品具有表面精度好、尺寸精度高、壁厚均勻且設(shè)計自由度大等優(yōu)點。 與一般的注射成型相比，注射一壓縮成型的特點是： （1）熔體注射是在模腔未完全閉合情況下進行的，因而流道面積大，流動阻力小，所需的注塑壓力也小。 （２）熔體收縮是通過外部施加壓力給模腔使模腔尺寸變?。Ｇ恢苯訅嚎s熔體）來補償?shù)模蚨颓粌?nèi)壓力分布均勻。 因此，注射一壓縮成型可以減少或消除由充填和保壓產(chǎn)生的分子取向和內(nèi)應(yīng)力，提高制品材質(zhì)的均勻性和制品的尺寸穩(wěn)定性，同時降低塑料件的殘余應(yīng)力。注射一壓縮成型工藝已廣泛用于成型塑料光學(xué)透鏡、激光唱片等高精度塑料件以及難以注射成型的薄壁塑料件。此外注射一壓縮成型在玻璃纖維增強樹脂成型中的應(yīng)用也日益普及。 ６剪切控制取向注射成型 剪切控制取向注射成型實質(zhì)是通過澆口將動態(tài)的壓力施加給熔體，使模腔內(nèi)的聚合物熔體產(chǎn)生振動剪切流動，在其作用下不同熔體層中的分子鏈或纖維產(chǎn)生取向并凍結(jié)在制件中，從而控制制品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和微觀形態(tài)，達到控制制品力學(xué)性能和外觀質(zhì)量的目的。將振動引入模腔的方法有螺桿加振和輔助裝置加振兩種。 （1）螺桿加振螺桿加振的工作原理是給注射油缸提供脈動油壓，使注射螺桿產(chǎn)生往復(fù)移動而實現(xiàn)振動，注射螺桿產(chǎn)生的振動作用于熔體，并通過聚合物熔體把振動傳入模腔，從而使模腔中的熔體產(chǎn)生振動，這種振動作用可持續(xù)到模具澆口封閉。此種裝置比較簡單，可以利用注塑機的控制系統(tǒng)，或?qū)ψ⑺軝C的液壓和電氣控制系統(tǒng)加以改造來實現(xiàn)。 （２）輔助裝置加振輔助裝置加振是將加振裝置（見圖３）安裝在模具與注塑機噴嘴之間，注射階段與普遍注塑一樣，通常熔體僅通過一個澆口，此澆口活塞后退以保持流道通暢，另一活塞則切斷另一流道；模腔充滿后，兩個保壓活塞在獨立的液壓系統(tǒng)驅(qū)動下開始以同樣的頻率振動，但其相位差180度。通過兩個活塞的往復(fù)運動，把振動傳入模腔，使模腔中的熔體一邊冷卻，一邊產(chǎn)生振動剪切流動。實驗證明這種工藝有助于消除制品的常見缺陷（如縮孔、裂紋、表面沉陷等），提高熔接線強度；利用剪切控制取向成型技術(shù)，通過合理設(shè)置澆口位置和數(shù)量，可以控制分子或纖維的取向，獲得比普通注射成型制品強度更高的制品。 剪切控制取向注射成型過程中聚合物熔體被注入模腔后，模腔內(nèi)開始出現(xiàn)固化層。由于固化層附近速度梯度最大，此處的熔體受到強烈的剪切作用，取向程度最大。中心層附近速度梯度小，剪切作用小，因而取向程度也小。在保壓過程中引入振動，使模腔中的聚合物熔體一邊冷卻，一邊受振動的剪切作用，振動剪切產(chǎn)生的取向因模具的冷卻作用而形成一定厚度的取向?qū)?。同沒有振動作用相比，振動剪切流動所產(chǎn)生的取向?qū)雍穸冗h遠大于普通注射所具有的取向?qū)雍穸?，這就是模腔內(nèi)引入振動剪切流動能使制品的力學(xué)性能得到提高的原因。此外，由于振動產(chǎn)生的周期性的壓縮增壓和釋壓膨脹作用，可在薄壁部分產(chǎn)生較大的剪切內(nèi)熱，延緩這些部分的冷卻，從而使厚壁部分的收縮能從澆口得到足夠的補充，有效防止縮孔、凹陷等缺陷。 ７推一拉注射成型 德國Klockner公司開發(fā)的推－拉注射成型是另一種將振動引入注射成型的工藝，這種成型方法可消除塑料件中熔臺縫、空隙、裂紋以及顯微疏松等缺陷，并可控制增強纖維的排列，其原理如圖４所示。它采用主、輔兩個注射單元和一個雙澆口模具。工作時，主注射單元推動熔體經(jīng)過一個澆口過量充填模腔，多余的料經(jīng)另一澆口進入輔助注射單元，輔助注射螺桿后退以接受模腔中多余熔體；然后輔助注射螺桿往前運動向模腔注射熔體，主注射單元則接受模腔多余熔體。主、輔注射單元如此反復(fù)推拉，形成模腔內(nèi)熔體的振動剪切流動，當靠近模壁的熔體固化時，芯部的熔體在振動剪切的作用下產(chǎn)生取向并逐漸固化，形成高取向度的制品。一般制品成型需10次左右的循環(huán)，最高的可達40次。 推一拉注射成型的周期比普通注射成型的周期長，但由于在推拉運動中材料被冷卻固化，保壓階段對于控制收縮和翹曲已不是很重要了。在推一拉注射成型中，注射階段和保壓階段合二為一。用此種注射工藝對玻璃纖維增強LCP的推一拉注射成型結(jié)果表明，與常規(guī)的注射成型相比，材料的拉伸強度和彎曲彈性模量可分別提高420%和270%。 ８層狀注射成型 層狀注射成型是一種兼有共擠出成型和注射成型特點的成型工藝，該工藝能在復(fù)雜制件中任意地產(chǎn)生很薄的分層形態(tài)。層狀注射成型同時實施兩種不同的樹脂注射，使其通過一個多級共擠模頭（圖５），各股熔體在共擠模頭中逐級分層，各層的厚度變薄而層數(shù)增加，最終進入注塑模腔疊加，保留通過上述過程獲得的層狀形態(tài)，即兩種樹脂不是沿制品厚度方向呈無序共混狀態(tài)存在的，而是復(fù)合疊加在一起。據(jù)報道，層狀注射可成型每層厚度為0.1～10μm、層數(shù)達上千層的制品。因?qū)訝钭⑸涑尚偷闹破肥腔趦煞N或多種材料形成的層狀結(jié)構(gòu)，保留了各組分材料的特性，比傳統(tǒng)共混料更能充分發(fā)揮材料性能，使其制品在阻隔氣體滲透、耐溶劑、透明性方面各具突出優(yōu)點。 ９微孔發(fā)泡注射成型 在傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)發(fā)泡注射成型中，通常采用化學(xué)發(fā)泡劑，由于其產(chǎn)生的發(fā)泡壓力較低，生產(chǎn)的制件在壁厚和形狀方面受到限制。微孔發(fā)泡注射成型采用超臨界的惰性氣體（CO2、N2）作為物理發(fā)泡劑，其工藝過程分為四步： （1）氣體溶解 將惰性氣體的超臨界液體通過安裝在機筒上的注射器注入聚合物熔體中，形成均相聚合物/氣體體系； （２）成核 充模過程中氣體因壓力下降從聚合物中析出而形成大量均勻氣核； （３）氣泡長大 氣核在精確的溫度和壓力控制下長大； （４）定型 當氣泡長大到一定尺寸時，冷卻定型。 微孔發(fā)泡與一般的物理發(fā)泡有較大的不同。首先，微孔發(fā)泡加工過程中需要大量惰性氣體如CO2、N2溶解于聚合物，使氣體在聚合物中呈飽和狀態(tài)，采用一般物理發(fā)泡加工方法不可能在聚合物-氣體均相體系中達到這么高的氣體濃度。其次，微孔發(fā)泡的成核數(shù)要大大超過一般物理發(fā)泡。通常，一般物理發(fā)泡成型采用的是熱力學(xué)狀態(tài)逐漸改變的方法，易導(dǎo)致產(chǎn)品中出現(xiàn)大的泡孔以及泡孔尺寸分布不均勻的弊病。微孔塑料成型過程中熱力學(xué)狀態(tài)迅速地改變，其成核速率及泡核數(shù)量大大超過一般物理發(fā)泡成型。 與一般發(fā)泡成型相比，微孔發(fā)泡成型有許多優(yōu)點。其一是它形成的氣泡直徑?。?～10μm），可以生產(chǎn)因一般泡沫塑料中微孔較大而難以生產(chǎn)的薄壁（1mm）制品；其二是微孔發(fā)泡材料的氣孔為閉孔結(jié)構(gòu)，可用作阻隔性包裝產(chǎn)品：其三是生產(chǎn)過程中采用CO2或N2，因而沒有環(huán)境污染問題。 美國Trexel公司在MIT微孔發(fā)泡概念的基礎(chǔ)上，將微孔發(fā)泡注射成型技術(shù)實現(xiàn)了工業(yè)化，形成了MuCell專利技術(shù)。MuCell工藝用于注塑的主要優(yōu)點是，反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，熔體粘度低，熔體和模具溫度低，因此制品成型周期、材料消耗和注塑壓力及鎖模力都降低了，而且其獨特之處還在于這種技術(shù)可用于薄壁制品以及其他發(fā)泡技術(shù)無法發(fā)泡制品的注塑。MuCell在注射成型技術(shù)上的突破為注塑制品生產(chǎn)提供了以前其他注塑工藝所不具有的巨大能力，為新型制品設(shè)計、優(yōu)化工藝和降低產(chǎn)品成本開拓了新的途徑。采用MuCell技術(shù)的注塑制品正被用于許多工業(yè)領(lǐng)域，包括汽車、醫(yī)藥、電子。食品包裝等各個行業(yè)。 轉(zhuǎn)自：塑料加工工業(yè)信息中心