微孔注塑成型制品具有质轻、吸音隔热、耐冲击、力学性能好等优点，在微孔注塑成型中，将超临界氮气或二氧化碳注入机筒中并溶解到聚合物熔体中以产生单相-聚合物气体溶液，在低注射压力、较短的循环时间下能够成型具有微孔结构的制品[1-4]。相对于传统注塑成型技术，可减少传统注塑成型制品出现的翘曲、收缩性不均匀等缺陷，得到具有尺寸稳定性的塑料制品[5]。但是制品的表面质量缺陷限制了微孔注塑成型技术进一步的商业化应用。微孔注塑成型制品表面质量缺陷形成机制主要分为两个方面：自由流动前沿表面气泡破裂和模具内表面与熔体之间由于剪切而形成的气泡[6-7]。基于形成机制，许多研究者提出共注塑成型技术、气体反压技术、快速热成型循环技术、涂覆模具涂层等工艺来改善微发泡制品表面质量[8-11]。本研究以微发泡注塑成型塑件制品表面质量为研究对象，利用微发泡注塑成型工艺的特性，抓住温度是影响制品表面缺陷最主要的因素，改变传统解决方案的架构，基于传热学理论，从模具型腔传热方向出发，通过直接改变聚合物/超临界流体(SCF)均相熔体与模具型腔间的传热环境，延缓界面传热速率，延缓均相熔体温度的降低速率，提高熔体的流动速率，同时确保了富含气体的熔融物料的熔体强度不会急剧增大，给逸出气体回融提供了契机，达到改善微发泡注塑成型制品表面质量的目的。通过正交试验模拟，探究氧化锆(ZrO2)涂层下最佳的熔体温度、涂层厚度和模具温度组合，为隔热模具涂层改善微孔注塑成型制品表面质量提供借鉴。1模拟理论1.1隔热温度场分析理论1.1.1无涂层型腔温度场无涂层型腔温度场与气体扩散现象相似。在此只考虑填充阶段，在这个填充阶段，接口温度的行为模拟为：∂T聚∂t=∂∂XK聚∂T聚∂X0≤X≤b (1)∂T模∂t=∂∂XK模∂T模∂X0≤X≤b+m (2)T聚=T模X=b (3)K聚∂T聚∂X=K模∂T模∂XX=b (4)式中：T聚为聚合物熔融温度，oC；T模为模具温度，oC；K聚为聚合物热导率，W/(m·oC)；K模为模具热导率，W/(m·oC)；B为部件的半厚度，mm；m为从冷却通道到腔表面的距离，mm。1.1.2型腔表面涂层温度分布分析图1为涂层传热示意图。从图1可以看出，涂层将引入传热延迟。假设在薄涂层内，温度变化近似为线性。在熔体涂层界面，温度和热通量必须是连续的-必须满足兼容的边界条件。K聚∂T聚∂X=K涂∂T涂∂XX=b (5)T涂=T模X=b+f (6)10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.F001图1涂层传热示意图Fig.1Schematic diagram of coating heat transfer类似地，在模具涂层界面处，温度和热通量必须是连续的，并且必须满足兼容的边界条件：K涂∂T涂∂X=K模∂T模∂XX=b+f (7)T涂=T模X=b+f (8)式中：T涂为涂层温度，oC；K涂为涂层热导率，W/(m·oC)；f为涂层厚度。1.2模拟的参数设置本次选择聚合物材料是聚丙烯(PP)，设置模具材料是3Cr2Mo(P20)，隔热涂层材料是ZrO2陶瓷。表1为模拟仿真材料的热物理属性。空气与模具之间传热方式设置为对流，室温设置为22 oC。在假设熔体填充是瞬时传热的情况下，使用ANASYS Workbench软件进行全面分析。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.T001表1材料热物理属性Tab.1Thermophysical properties of materials材料密度/(kg·m-3)热导率/[W·(m·oC)-1]比热容/[J·(kg·oC)-1]聚合物(PP)12000.212100涂层(ZrO2)60002.1620模具(3Cr2Mo)785033.4450为了更加准确得到最优的工艺参数，依据凯尔文总结微发泡注塑成型工艺结果[12]，结合ZrO2涂层的属性，特选取模具温度(A)、熔体温度(B)、涂层厚度(C)三个因素建立正交试验，表2为正交试验因素水平设计。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.T002表2ZrO2陶瓷涂层影响因素水平Tab.2Influencing factors and levels of ZrO2 ceramic coating水平因素模具温度(A)/oC熔体温度(B)/oC涂层厚度(C)/mm1602200.302702300.353802400.401.3实验模拟模型采用SolidWorks软件建立1 mm厚圆形薄片模型。该模型包括定模板、动模板、隔热涂层、圆形薄片样件。将实验模型导入Ansys Workbench中进行网格划分以及模拟仿真分析。图2为圆形薄片分析模型。图2圆形薄片分析模型Fig. 2Analysis model of circular slice10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.F002(a)圆形薄片模具图10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.F003(b)圆形薄片网格图对模型采用四面体网格进行划分，经网格细化后，网格纵横比1.18，匹配率96.3%。为了更准确地探明不同厚度涂层下以及有无涂层下熔体表层温度场分布情况，特在仿真模型上选取五个点，观察温度场变化，并取其平均值进行数据处理。图3为在熔体模型中选取五个点示意图。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.F004图3熔体模型取点示意图Fig. 3Schematic diagram of the melt model taking pointsCha等[13]指出在填充阶段确保模具温度高于聚合物熔体的玻璃化转变温度，可以得到A级微发泡注塑制品。根据传统注塑成型经验，1 mm厚的圆形薄片充模时间在0.3 s左右，因此，在0.3 s的时间内，PP熔体温度需要保持在玻璃化转变温度(145 oC)以上才能改善微发泡注塑成型制品的表面质量，故选择0.3 s时熔体表层温度与145 oC差值作为其中一个评价标准。2结果与讨论2.1延缓传热本次模拟仿真分析不考虑熔体充模阶段。在模拟仿真实验中，根据延缓传热标准，经过数据处理得到正交试验下温度差，表3为采取3因素3水平方法建立的L9(34)的正交试验表格及各因素对涂层延缓熔体传热的影响，图4为各因素水平对延缓传热的影响趋势图。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.T003表3因素对涂层延滞传热的影响Tab.3The influence of factors on the delayed heat transfer of the coating编码因素温度差/oCABC111142122123133264213852212462321073122283238933116k114.00011.3337.333k214.00014.66712.000k315.33317.33324.000R1.3336.00016.66710.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.F005图4因素对延缓熔体传热的趋势Fig.4The trend of factors on delaying melt heat transfer从表3可以看出，涂层厚度(C)对延缓熔体传热效果影响最大。这主要是因为熔体传热过程中，相对于模具的导热率，涂层导热率比较小，延迟传热的效果更好，熔体表层的热量短时间内难以快速穿过涂层传递到模具内，从而使得大量热量堆积在涂层区域，因而达到比较好的延滞熔体传热的效果。而对模具温度来说，其只是将模具保持在一个恒温，并没有从本质上改善传热熔体传热的速率，因而对于延缓熔体传热的效果微乎其微。从图4可以看出，模具温度对熔体延缓传热的影响不大，虽然模具温度(A)水平中综合平均值最大是60 oC，但是三个水平因素之间差值很小，从生产成本的角度出发，选取模具温度60 oC为最佳；对于熔体温度(B)，比较该因素的三水平综合平均值，选取240 oC为熔体温度的最优水平。涂层厚度(C)对延缓传热的影响趋势与熔体温度基本一致，故亦选取0.4 mm为厚度的最优水平。因此，最佳工艺参数组合为A1B3C3，即模具温度60 oC，熔体温度240 oC，涂层厚度0.4 mm。为了更好地排除误差对实验结果的影响，进行相应的方差分析，表4为方差分析结果。从表4可以看出，涂层厚度(C)对熔体延缓传热的效果最为显著，熔体温度(B)次之，模具温度(C)影响不显著。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.T004表4延缓传热效果方差分析Tab.4Variance analysis of heat transfer delay effect方差来源偏差平方和自由度F值P值误差E0.892F0.05(2.2)=19.000 F0.01(2.2)=99.000A3.55624.000P0.05B54.222260.9920.05P0.01C443.5562498.938P0.012.2成型周期图5为最优工艺参数下成型周期时间。从图5可以看出，横坐标代表距熔体芯层的距离，纵坐标代表熔体温度。两条直线的交点代表熔体表层温度下降到90 oC的时间。设定脱模温度为90 oC，由前文所得最优工艺参数组合下成型周期结束所需时间为2 s以上，不会超过3 s。相比于无涂层下的成型周期，隔热涂层在一定程度上延缓了熔体热量自然向外传递的速率，熔体温度的下降速率也相应放缓，从而导致型腔熔体的冷却时间也相应变长，但对于微发泡注塑成型工艺来说，聚合物/SCF均相熔体的充模时间会适当延长成型时间，2 s相对于整个成型的周期来说影响程度较小。因此，在型腔内加入隔热涂层可以有效延缓熔体温度下降的同时，其对成型周期的影响可以接受。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.F006图5最优工艺参数组合的成型周期Fig.5The molding cycle of the optimal process parameter combination在传统微发泡注塑成型工艺过程中，当PP/SCF均相熔体进入型腔后温度下降迅速，零点几秒便已经低至玻璃化转变温度，因此型腔内逸出气体回融的时间变得十分短，表面质量很难得到改善。通过传热分析可以得知，保持型腔内温度几十微秒对于传统注塑成型工艺意义不大，但对于微发泡注塑成型工艺情况却可以取得显著成果。在此次隔热涂层下温度场分析中，ZrO2涂层可以达到预期隔热效果，能够有效延缓型腔中熔体热量向外快速传递，提高了熔体的流动速率，同时确保了富含气体的熔融物料的熔体强度不会急剧增大，给逸出气体回融提供了契机，因此可以预测隔热涂层在改善微发泡注塑成型塑件制品表面质量上能得到很好应用。3结论(1)通过正交模拟方差分析可以得出模具涂层的厚度对熔体的界面传热速率影响显著，模具温度、熔体温度影响不显著。(2)通过正交模拟优化得出ZrO2涂层下最优模拟微孔注塑参数为熔体温度240 oC，模具温度60 oC，涂层厚度0.4 mm。(3)设定脱模温度为90 oC，在最优工艺组合参数下成型周期结束所需时间为2 s以上，虽然一定程度上增加了成型周期，但是通过添加隔热涂层可以延滞熔体传热，改善微发泡制品的表面质量，因而增加的成型周期带来的影响在一定程度上可以忽略。