微发泡注塑注气系统气涌现象的可视化研究

安华亮，信春玲，乔林军，何亚东，闫宝瑞

(北京化工大学机电工程学院，北京 100029)

0 前言

微发泡注塑是从20世纪八九十年代开始发展的一种高聚物加工技术[1]，主要原理是将超临界状态的气体与熔融的高聚物在机筒中混合均匀形成单相熔体，并注射入模腔内，最终形成充满微小泡孔的制品。微发泡制品中泡孔密度可达109个/cm3，泡孔尺寸小于10 μm[2]，因为制品中泡孔尺寸小于缺陷的尺寸，所以微发泡制品能在不降低制品力学性能的情况下尽可能的减小制品质量[3]，同时泡孔的存在还可以优化材料的隔音和隔热效果，并增加材料的能量吸收性能[4]。微发泡注塑的各种优点使其得到了广泛应用。

微发泡注塑技术中的一个非常关键的环节便是超临界流体的间歇注入，现有的注气系统中，因为结构限制，会有一部分高压气体储存于气体注射器中，每次注气开始，气体注射器打开的瞬间，该部分气体不受限制且与机筒中的熔体压力差较大，因此会快速释放进入机筒，形成气涌[5]。气涌现象会为单相熔体的制备造成困难，使产品出现缺陷。李忠鹏和李亦哲通过排水实验证明了气涌现象的存在[6-7]。但是他们的实验条件局限于开放的常压环境，实验效果也不够直观。本文通过组建一个密闭的可视化实验装置来更直观的验证在不同压力条件下气涌现象普遍存在，并初步探讨气涌量大小与不同压力条件的关系。

1 实验部分

1.1 微发泡注塑注气系统

微发泡注塑注气系统如图1所示，是微发泡注塑系统中的重要组成部分，其主要功能是将气源处的氮气经过压力调节、输送最终转变为超临界流体，并根据注塑过程的需要，将超临界流体间歇、稳定、可控的注入到机筒中。

图1 微发泡注塑注气系统示意图Fig.1 Schematic diagram of microcellular injection molding gas injection system

1.2 可视化装置

图2 可视化装置模型Fig.2 Visual device model

本次实验用到的可视化装置模型如图2所示，在长方体钢块中加工和机筒内径相同的孔来构成装置的壳体，在壳体两侧开长条孔作为视窗孔，多个螺钉通过托架将有机玻璃固定到视窗孔上，壳体两端配合有端盖实现装置密封，壳体上面和一侧的端盖上开有注射孔，使得气体注射器能在装置上表面或侧面注气，不用的注射孔可以用堵头堵住，配合专门的支架可以实现整个装置的正放、倒放、竖直注气。同时在壳体上表面开有4个1/4NPT孔，用来连接排气和加水(模拟熔体)管路以及放置压力传感器，多余的孔可以用堵头密封。

1.3 其他实验装置

数据采集卡：NI数据采集卡配合LabVIEW程序可以实现每秒千次以上的高速信号采集。本次使用型号为NI 6221的数据采集卡，通过数据采集卡上的模拟量输入端口采集注气系统和可视化装置上压力传感器的数据，同时使用数据采集卡上的数字量输出端口通过继电器控制电磁换向阀实现气体注射器的启闭。

高速摄像头：气泡在水中的状态变化速度非常快，为了准确捕捉气泡变化，需要使用高速摄像头来进行快速录像。本次使用英视科技USB3.0工业相机在可视化装置的一侧视窗进行高速录像采集，采集速度400帧/秒，同时为了配合录像采集，在可视化装置的另一侧视窗使用照明灯进行照明。

减压阀：可视化装置内部在注气开始前需要保持一定的初始压力来模拟机筒内的高压环境，为方便装置内的压力调节，使用上海天川仪表的氮气高压减压器YQD-370在注气开始前将可视化装置内的压力调节到指定值。

整个可视化实验装置如图3所示。

图3 可视化实验装置Fig.3 Visual experiment device

1.4 可视化实验方案

本次可视化实验的观察对象是气体注射器射出气体在液体中形成的气泡，通过观察不同条件下气泡状态的相对变化来判断气体流量的变化。虽然同等气量条件下不同液体的性质会对气泡的状态造成一定影响，但是只要整个实验过程中保持液体为同一种，则其中产生气泡的大小变化还是可以对应出气体流量的变化。为了方便气泡的观察以及实验操作，本次使用清水来代替高聚物熔体进行可视化实验。

经过前期实验对比，发现将可视化装置竖直放置，气体注射器从下向上注气时实验效果较好；注气开始前调整压力，将可视化装置内的压力即初始水压分别调整为0、2、4、6 MPa，注气系统与可视化装置内初始水压的压差即初始注气压差调整为1、3、5 MPa；每次实验连续注气10 s，采集注气时的高速录像数据和压力传感器数据。

2 结果与讨论

2.1 高速录像数据分析

对获得的高速录像数据进行处理，截取不同时刻的气泡状态图并进行对比。首先，对同一个注气过程不同注气时间的图像进行对比分析，选取一次注气过程如图4所示。

注气时间/s：(a)0.4225 (b)5.0725 (c)10 (初始水压2 MPa，初始注气压差3 MPa)图4 注气开始后不同时刻的气泡状态瞬时图像Fig.4 Instantaneous images of the air bubbles at different time after the start of gas injection

从图像可以看出，在同一个注气过程中，注气开始时产生的前几个气泡体积相对注气中后期普遍较大，还会发生多个小气泡聚集成大气泡的情况，而注气中后期的气泡则相对较小而且比较分散，不会聚合在一起，从注气开始到结束，气泡直径明显呈现出从大到小的趋势。这种现象可以从气涌现象产生的机理进行说明：每次注气开始时，气体注射器的出气口打开后，积聚在气体注射器空间内的气体会快速释放形成大气泡，此时对应的气体流量会非常大，即气涌现象，积聚的气体释放完后，气体注射器进气口处的限流元件会发挥作用，使后续来自注气系统的高压气体均匀的注入到装置内，此时注气过程趋于稳定，注气量较小，气泡体积相比开始时变小。

其次，对比相同初始水压，不同初始注气压差条件下，注气开始时的图像，如图5、6所示。

初始注气压差/MPa：(a)1 (b)3 (c)5(初始水压4 MPa)图5 不同初始注气压差条件下注气开始时气泡状态瞬时图像Fig.5 Instantaneous images of the air bubbles at the beginning of gas injection under different initial injection pressures

初始注气压差/MPa：(a)1 (b)3 (c)5(初始水压6 MPa)图6 不同初始注气压差条件下注气开始时气泡状态瞬时图像Fig.6 Instantaneous image of the air bubbles at the beginning of gas injection under different initial injection pressure

由图像可以看出，在装置内初始水压一定的情况下，随着初始注气压差的增大，在注气开始时产生的气泡也会越来越大。通过气涌现象的产生机理可以看出：当初始水压一定时，初始注气压差越大，积聚在气体注射器中的气体量越大，则气体注射器打开瞬间释放的气体也就越多，因此注气开始时的气泡体积变大，气涌现象更明显。

2.2 气体流量数据分析

在注气过程中，气体不断注入密封的可视化装置内，使可视化装置内的压力值升高，因此可以使用可视化装置内的压力数据间接推导注入装置内的气体流量。在此使用范德华方程，其原始公式如式(1)所示：

(1)

展开的结果如式(2)所示：

(2)

R——气体普适常数，取值8.314 J/(mol·K)

Tc——氮气的临界温度，取值126.1 K

Pc——氮气的临界压力，取值3.4 MPa

T——实验时装置内温度约为15 ℃，即288.15 K

P——实验时实时获得的装置内压力值，MPa

Vm——装置内氮气的气体摩尔体积，L/mol

实验时可以确定除Vm外其他条件，此时对式(2)求解，可以得到一个实数解和一对共轭复数解，取其中的实数解作为Vm，且有装置内气体质量m的求解如式(3)所示：

(3)

式中V——装置内气体体积，约为0.135 L

M——氮气相对分子量，取值28.013

因此装置内每一个时刻的压力值都能求得一个对应时刻装置内气体的总质量值，对不同时刻求出的气体总质量求差， 即得到进入可视化装置的气体质量流量。对实验中的压力数据进行处理， 得到可视化装置内的进气流量曲线，首先分析一次完整注气过程中的流量曲线，如图7所示。

图7 初始水压0 MPa，初始注气压差5 MPa时的进气流量曲线Fig.7 Intake flow curve at initial water pressure 0 MPa and initial injection pressure difference 5 MPa

对应流量曲线的时间轴，气体注射器是在0.5 s处打开，在10.5 s处关闭。在注气开始的瞬间，进入可视化装置的气体流量非常大，随后气体流量快速下降并趋于稳定，流量曲线显示的结果与高速录像结果一致，也证明了气涌现象的真实存在。在注气结束时，会出现流量值快速降到零以下的现象，这是因为压力传感器测得的压力值在注气过程中一直上升，注气突然结束时，压力传感器数值会稍有回落，使求得的流量出现负值。

其次，比较相同初始水压，不同初始注气压差条件下的流量曲线，如图8所示。

初始注气压差/MPa：1—1 2—3 3—5初始水压/MPa：(a)0 (b)6图8 进气流量曲线Fig.8 Intake flow curves

由不同实验条件下的流量曲线图可知，在可视化装置内的初始水压相同的情况下，随着初始注气压差的增加，注气开始时达到的瞬时流量最大值变大，与注气结束时的注气量差距变大，气涌现象越来越明显，与高速录像数据结果一致。

最后，比较相同初始注气压差，不同初始水压下的流量曲线，如图9所示。

初始水压/MPa：1—0 2—2 3—4 4—6初始注气压差/MPa：(a)1 (b)5图9 进气流量曲线Fig.9 Intake flow curves

由流量曲线图可知，在可视化装置内的初始注气压差相同的情况下，随着初始水压的增加，注气开始时瞬时流量最大值变大，气涌现象越来越明显。可以根据气涌现象的产生机理做出解释：当初始注气压差一定时，初始水压越大，由范德华方程可推导出储存在气体注射器空间内的高压气体越多，则在注气开始时，产生的气涌越大。

2.3 气涌的定量表示

在前面的分析中，通过气泡状态变化以及流量曲线定性的证明了气涌现象的存在以及其在不同压力条件的变化，为了更好地解释气涌现象与压力条件的关系，方便后续试验中对气涌量进行调节，需要对气涌进行定量分析。在此定义气涌量Q为注气开始2.5 s内的注气量，统计不同初始水压p和初始注气压差Δp条件下的气涌量Q大小，得到结果如图10所示。

p/MPa：■—0 ●—2 ▲—4 ▼—6图10 不同初始水压p和初始注气压差Δp条件时气涌量Q的大小Fig.10 The amount of gas surge under different initial water pressure and initial injection pressure difference

对得到的数据进行多元线性拟合，得到气涌量Q与初始水压p和初始注气压差Δp的关系如式(4)所示：

Q=0.10651·p+0.16294·Δp-0.13125

(4)

由图10以及式(4)可以看出初始水压p和初始注气压差Δp这两个压力条件对气涌量Q的大小都有着明显的影响，主要原因是初始水压p和初始注气压差Δp越大，积聚在气体注射器空间内的气体量越大，随之产生的气涌量Q也就越大，因此，在实验中可以通过设置合理的压力条件来控制气涌量。

3 结论

(1)通过可视化的实验装置，模拟了不同压力条件下的气体注射过程，采集高速录像以及压力数据，并用压力数据推导出装置内的进气流量；

(2)通过分析高速录像数据和进气流量曲线，定性的证明气涌现象的存在，并解释不同压力条件对气涌大小的影响；

(3)通过定义气涌量，定量的求得气涌量Q与初始水压p和初始注气压差Δp的关系，后续试验可以此为依据来控制气涌量。