由于具有材料利用率高、成型周期短、產品設計靈活及自動化程度高等優點，注塑成型已被廣泛應用于家電、汽車、醫療、航空及電子等領域[1-3]。為了保證塑料產品力學性能并實現降低材料使用量的要求，美國麻省理工學院(Massachusetts Instituteof Technology ， MIT) 的MARTINI-VVEDENSKY等[4]于20 世紀80 年代使用超臨界流體(Supercriticalfluids，SCF)作為發泡劑成功研制出了微孔發泡塑料。與未發泡的塑料相比，微孔發泡塑料具有許多優點[5]，諸如更長的疲勞壽命、更低的塑件密度、更高的斷裂韌度和更好的能量吸收能力等。

20 世紀末，Trexel公司與MIT合作率先展開了微發泡注塑成型技術研究，并將此工藝命名為Mucell。與常規注塑相比，微發泡注塑成型工藝具有節省材料、降低鎖模噸位、提高產品尺寸精度、縮短成型周期等諸多優勢[6]。微發泡注塑成型工藝一經推出，便獲得了研究者們的廣泛關注，并分別從注塑機設備改進[7]、發泡劑種類[8]、材料改性[9]、模具結構優化[10]、工藝參數優化[11]及數值模擬方法[12]等多個方面進行了深入研究，并逐步將微發泡注塑工藝應用于電子、通信、汽車等領域的注塑件成型。

微發泡注塑成型工藝雖然有許多優勢，但是此工藝生產的產品表面存在螺旋紋及銀紋等缺陷[13]，嚴重阻礙了此新技術在外觀產品中的推廣應用。為了提高微發泡注塑件的表面質量，研究者們從不同方向進行了工藝改進。LEE等[14]通過減少熔體中SCF的質量分數來降低填充過程中的成核率，減少了填充過程中熔體前沿的泡孔破裂，明顯提高了微發泡注塑件的表面質量。但是，這種方法獲得的微發泡制件泡孔密度較低，不利于產品的減重。PENG等[15]利用水作為物理發泡劑、微細鹽顆粒作為成核劑進行了微發泡注塑試驗，獲得了比氮氣作為物理發泡劑時表面質量更高的微發泡注塑件。但此方法使用的水及微細鹽顆粒均需要進行特殊處理，并且僅局限在實驗室條件下進行，這使得此方法在實際生產中推廣應用尚有一定難度。TURNG等[16]通過共注塑工藝獲得了皮層為實體層、芯部為發泡層的表面質量良好的微發泡注塑件，此方法可以獲得與常規注塑產品表面質量相當的微發泡塑件，但是共注塑成型設備昂貴，導致注塑產品的生產成本過高。CHEN等[17]通過模具表面覆蓋絕熱層的方法來維持熔體填充過程中模具型腔表面的高模溫，減少了微發泡塑件表面的螺旋紋及銀紋缺陷，提高了塑件的表面質量。但此方法使用的絕熱層容易產生應力損壞，這不利于延長模具的使用壽命。

目前提高微發泡注塑件表面質量的方法大多基于簡單的塑件模型，并且是在實驗室條件下進行的，這對于指導復雜結構件的微發泡注塑生產仍具有一定的局限性。為了尋求更好地提高微發泡注塑產品表面質量的方法，本文在對超臨界流體成核機理分析的基礎上，提出了一種利用高壓氮氣進行加壓并使用高壓容器進行穩壓的模具型腔氣體壓力控制方法，選用一種結構復雜的醫療器械外觀產品作為微發泡注塑工藝的研究對象，研究了微發泡注塑成型過程中熔體前沿壓力對塑件表面質量的影響規律，獲得了最佳的模具型腔氣體壓力，并指導生產實際獲得了表面質量良好的微發泡注塑產品。

1 氣體反壓微發泡注塑工藝原理

在微發泡注塑成型過程中，泡孔成核的誘發是由于發泡熔體的壓力突降引起的，因此泡孔均相成核理論對微發泡注塑過程是比較適合的。根據經典成核理論和COLTON等[18]的研究可知，體系發生相分離后，要形成一個穩定的泡孔核所需克服的臨界自由能壘ΔG*hom可表示如下

結合計算出的活化能及經典成核理論方程可以推導出均相成核速率公式如下

從式(1)和式(2)可以看出，泡孔內外壓差越大，即在相同的注射壓力下熔體的壓力越低，形成穩定的泡孔核所需克服的臨界自由能壘越小。從物理學上講，發泡體系的壓力降越大，意味著聚合物中的大量氣體可以輕松成核，泡孔成核速率越高。

在微發泡注塑成型工藝中，塑件的表面缺陷主要是由發泡熔體填充模具型腔過程中流動前沿的泡孔發生破裂而形成的。根據式(1)和式(2)可知，提高填充過程中熔體流動前沿泡孔周圍的熔體壓力，可以增大形成穩定泡孔核所需克服的臨界自由能壘，降低熔體的成核速率，從而減少熔體流動前沿破裂泡孔的數量。同時，流動前沿熔體壓力的提高，可以增大泡孔破裂所需的泡孔內壓力，能夠有效抑制前沿泡孔的破裂行為。因此，提高熔體填充過程中流動前沿壓力可以減少因泡孔破裂而形成的表面螺旋紋及銀紋缺陷，從而提高微發泡注塑件的表面質量。目前，常用的提高填充過程中熔體流動前沿壓力的方法為模具型腔氣體壓力控制技術，即所謂的氣體反壓壓力控制技術[19]，本文采用圖1所示的曲線對比了常規微發泡注塑過程中熔體壓力的變化與氣體反壓微發泡注塑過程中熔體壓力的變化。

2 模具型腔氣體壓力控制技術

常規微發泡注塑的工藝過程主要分為模具閉合、注射填充、模具冷卻、開模、頂出取件5個階段，其工藝周期循環過程如圖2a所示。與常規微發泡注塑的工藝過程相比，氣體反壓微發泡注塑的工藝過程增加了模具型腔氣體壓力的控制過程，主要包括模具型腔氣體加壓階段、氣體高壓保持階段和模具型腔氣體卸壓階段。在模具型腔氣體加壓階段，需利用模具型腔氣體壓力控制裝置將型腔內氣體壓力迅速提高到設定高壓，以充分改善微發泡注塑件的表面質量問題。熔體的注射需要在模具型腔氣體加壓完成之后進行。因此，氣體反壓微發泡注塑工藝中氣體加壓時間直接影響整個注塑生產周期，其主要影響因素有模具型腔氣體壓力控制裝置的加壓能力、設定的模具型腔氣體壓力大小、模具型腔體積及模具氣路管道尺寸等。在模具型腔氣體壓力控制裝置及模具氣路管道尺寸一定的情況下，模具型腔氣體壓力大小是影響注塑生產周期的主要因素。圖2b給出了氣體反壓微發泡注塑成型的周期循環示意圖，從圖2b可以看出，在熔體填充模具型腔的過程中，需要保持熔體前沿較高的氣體反壓壓力，達到抑制熔體流動前沿泡孔破裂的目的。另外，在模具冷卻之前對模具型腔氣體快速卸壓，使熔體充分發泡，避免成型制件表面因冷卻而發生收縮。

2.1 模具型腔氣體壓力控制裝置

在氣體反壓微發泡注塑工藝中，理想的模具型腔氣體壓力控制是在熔體填充過程中保持較高的模具型腔氣體壓力，并且保證此高壓壓力的穩定，而在熔體填充階段后期或填充剛結束時對模具型腔氣體進行快速卸壓。因此，模具型腔氣體壓力控制裝置應當具備動態反饋和實時控制模具型腔氣體壓力的功能。

根據氣體反壓微發泡注塑的工藝流程及模具型腔氣體壓力的控制要求，構建了如圖3所示的氣體反壓微發泡注塑生產線。從圖3可看出，模具型腔氣體壓力控制系統主要通過控制高壓容器進氣閥、高壓容器穩壓閥、模具進氣閥及模具出氣閥的啟閉，實現微發泡注塑工藝各個階段的模具型腔氣體壓力的動態變化。

2.2 模具型腔氣體壓力控制系統設計

模具型腔氣體壓力控制系統的設計需要綜合考慮微發泡注塑生產工藝、注塑機控制系統、系統操作的安全性及方便性等方面。根據上述氣體反壓微發泡注塑工藝對于模具型腔氣體壓力的控制要求，本文提出并構建了由壓力傳感器、A/D轉換模塊、控制主機、輸入輸出模塊、監控模塊、閥門轉換裝置等組成的模具型腔氣體壓力控制系統，其控制系統結構組成如圖4所示。

3 試驗設計

3.1 模具結構及產品三維模型設計

實際的工業生產中，大多數注塑產品為結構復雜制件，為了提高對實際生產的指導意義，選用結構較復雜的某醫療器械外觀產品作為研究對象，進行相關的氣體反壓微發泡注塑試驗。在常規微發泡注塑成型工藝中，通常采用排氣良好的模具設計，以保證填充過程中模具型腔氣體壓力為大氣壓力。而在氣體反壓微發泡注塑成型工藝中，模具型腔氣體壓力是動態變化的，為了提高成型過程中模具型腔氣體壓力的控制精度，對試驗所用的氣體反壓微發泡注塑模具進行密封設計。圖5a所示為模具分型面及頂出機構的密封設計，其中，模具頂出機構的密封位置為型芯板背面，型腔對應的頂桿均需要加工密封槽，并在密封槽內放置O形圈進行模具密封。塑件的三維模型尺寸及表征測量位置P1～P9如圖5b所示。

3.2 成型設備

選用中國廣州博創機械股份有限公司生產的型號為BS800-Ⅲ的微發泡專用伺服節能精密注塑機作為微發泡注塑成型設備。注塑機配備美國Trexel公司生產的超臨界流體輸送系統，實現成型過程中超臨界流體的計量和注入。使用純度為99.99%的瓶裝工業氮氣作為物理發泡劑。模具型腔氣體壓力控制裝置及控制系統為本課題組自主研發，實現成型過程中模具型腔氣體壓力的動態變化。

3.3 試驗材料

ABS樹脂不僅具有抗沖擊性、耐熱性、耐低溫性、耐化學藥品性等優良性能，還具有易加工、制品尺寸穩定、表面光澤性好等特點，已被廣泛應用于機械、汽車、電子電器、儀器儀表、紡織和建筑等工業領域，是一種用途極廣的熱塑性工程塑料。選用LG公司生產的牌號為HF380的ABS作為成型材料。材料在80℃環境下烘干10h后進行氣體反壓微發泡注塑成型。

3.4 試驗方案

為了降低其他工藝參數的干擾，采用單因素變化的方法，研究熔體填充過程中不同模具型腔氣體壓力對微發泡注塑件表面質量的影響規律。結合ABS材料的推薦成型工藝，氣體反壓微發泡注塑成型參數設定如表1所示。

3.5 測量及表征

為了更好地對比不同模具型腔氣體壓力對微發泡注塑件表面質量的影響，分別選用直接觀察、表面光澤度測量和表面粗糙度測量三種方式進行塑件的表面質量表征。微發泡注塑件表面光澤度測量選用中國天津市金孚倫科技有限公司生產的JFL-BZ60°光澤度儀。使用白光干涉儀(WykoNT9300)進行不同工藝參數下微發泡注塑件表面粗糙度的測量。塑件表面光澤度和表面粗糙度測量位置如圖5b所示的P1～P9，計算每個成型工藝條件下塑件九個位置測量數值的平均值作為塑件整體的表面光澤度值和表面粗糙度值。

4 試驗結果與討論

4.1 表面觀察

圖6給出了不同的模具型腔氣體壓力下微發泡注塑件表面觀察照片的對比情況。由圖6可以看出，模具型腔氣體壓力控制技術可以有效提高微發泡注塑件的表面質量。隨著填充過程中模具型腔氣體壓力的增大，微發泡注塑件表面的螺旋紋及銀紋逐漸減少直至消失，塑件的表面視覺效果逐漸變好。氣體反壓工藝對微發泡注塑產品表面質量的影響主要包括兩個方面，一方面，氣體反壓工藝影響發泡熔體的泡孔成核和泡孔長大，另一方面，氣體反壓工藝影響熔體流動前沿的泉涌效應。

圖7給出了微發泡注塑成型過程中模具型腔氣體壓力對微發泡塑件成型過程中前沿泡孔的影響機理。由式(1)、(2)和圖7可以看出，在微發泡注塑成型過程中，提高模具型腔氣體壓力可以有效提高形成臨界泡孔所需克服的臨界自由能壘，降低熔體前沿的形核速率。同時，模具型腔氣體壓力的提高能夠增大泡孔破裂所需要的泡孔內壓力。當模具型腔氣體壓力較小時(本文為1MPa和2MPa)，熔體流動前沿的部分泡孔仍會發生破裂行為，從而形成塑件表面的螺旋紋及銀紋缺陷；當模具型腔氣體壓力較大(本文為3MPa和4MPa)，并且超過泡孔破裂的臨界熔體壓力值(pa)時，熔體流動前沿的泡孔破裂行為將被完全抑制，從而成型表面視覺效果良好的、無任何螺旋紋及銀紋缺陷的微發泡注塑產品。

圖8給出了常規微發泡注塑工藝和氣體反壓微發泡注塑工藝中熔體流動前沿的泉涌效應對比。由圖8可以看出，氣體反壓工藝可以減小熔體前沿的泉涌效應，有效降低流動前沿熔體的剪切速率，從而減少了模具型腔表面的因剪切效應發生破裂的氣泡數量，最終提高了成型產品的表面質量。

4.2 表面光澤度

試驗獲得的微發泡注塑成型過程中，模具型腔氣體壓力對微發泡注塑件表面光澤度的影響規律如圖9所示。由圖9可以看出，提高模具型腔氣體壓力可以大幅度提高微發泡注塑件的表面光澤度。當模具型腔氣體壓力達到一定值(本文為3MPa)后，模具型腔氣體壓力的提高對微發泡注塑件表面光澤度的影響較小。

熔體填充過程中流動前沿破裂的泡孔形成的塑件表面螺旋紋及銀紋缺陷是影響微發泡注塑件表面光澤度的主要因素。在氣體反壓微發泡注塑成型工藝中，提高模具型腔氣體壓力，可以有效抑制熔體填充過程中前沿泡孔的破裂行為，從而大幅度提高塑件的表面光澤度。當模具型腔壓力達到一定的臨界值(pa)時，熔體流動前沿的泡孔破裂行為被完全抑制，塑件表面螺旋紋及銀紋缺陷完全消失，在此基礎上模具型腔氣體壓力的提高對微發泡注塑件表面光澤度影響不大。

4.3 表面粗糙度

圖10所示為試驗獲得的模具型腔氣體壓力對微發泡注塑件表面粗糙度的影響規律。由圖10可以看出，提高模具型腔氣體壓力可以有效降低微發泡注塑件的表面粗糙度。但當模具型腔氣體壓力達到一定值(3MPa)后，模具型腔氣體壓力對微發泡注塑件表面粗糙度已幾乎沒有影響。

在氣體反壓微發泡注塑成型工藝中，模具型腔氣體壓力對塑件表面粗糙度的影響主要有以下幾個方面。首先，模具型腔氣體壓力的提高可以有效減少微發泡注塑件表面螺旋紋及銀紋缺陷，從而大幅度降低塑件的表面粗糙度。其次，氣體反壓工藝有助于減小模具型腔表面加工粗糙度對成型塑件表面粗糙度的影響，其影響機理如圖11所示。在氣體反壓工藝中，模具型腔表面的加工凹槽內部會存有一定壓力的氣體，可以有效阻止填充過程中熔體的進入，從而提高塑件表面的整體平整程度，有利于降低塑件的表面粗糙度。第三，氣體反壓微發泡注塑成型過程中，較高的模具型腔氣體壓力對熔體具有一定的保壓補縮作用，可以減小塑件填充過程中因冷卻而產生的表面收縮，有利于提高塑件表面的平整度，同樣可以降低塑件的表面粗糙度。

5 應用

對于氣體反壓微發泡注塑工藝，當模具型腔氣體壓力控制裝置的加壓能力一定時，所需的模具型腔氣體壓力越大，模具型腔氣體的加壓時間越長，意味著注塑生產周期越長。由以上研究內容可知，對于本文所選用的ABS材料，當模具型腔氣體壓力為3MPa時，微發泡注塑件表面已無螺旋紋及銀紋缺陷，獲得的塑件具有較高的表面光澤度和較低的表面粗糙度。綜上考慮，使用3MPa的模具型腔氣體壓力進行此醫學器械外觀產品的實際生產，圖12為實際生產的常規微發泡注塑產品和氣體反壓微發泡注塑產品。由圖12可以看出，常規微發泡注塑產品表面存在大量的螺旋紋和銀紋，而氣體反壓微發泡注塑工藝獲得的產品表面光滑，無任何螺旋紋和銀紋。因此，采用氣體反壓工藝和微發泡注塑工藝相結合的方法可以有效提高微發泡注塑產品的表面質量，獲得可直接使用的微發泡注塑外觀產品。

6 結論