微孔注射成型结合模内装饰(IMD)过程中薄膜-基材界面鼓包缺陷的形成机理及其抑制方法

《Journal of Materials Research and Technology》：Mechanism of bulge defect formation and its suppression at film-substrate interface in microcellular injection molding process combined with in-mold decoration

　　

摘要：微孔注射成型结合模内装饰(Microcellular Injection Molding/ MIM combined with In-Mold Decoration /IMD)是制备轻量化聚合物制品的重要技术，但其面临装饰膜与聚合物基材间强界面结合难以实现的挑战——薄膜-基材界面处气体截留常导致鼓包(bulge)及弱界面粘接缺陷。为解决上述缺陷，本研究考察了MIM/IMD工艺中气泡胞元(gas cell)的动态行为，并提出通过修改成型条件抑制鼓包的策略。具体而言，研究表明较高熔体温度与模具温度可降低熔体粘度、减缓冷却速率，使界面截留气体在熔体凝固前重溶入(re-dissolution)熔体中。通过数值模拟与成型实验评估了熔体粘度、冻结层分数(frozen layer fraction)、鼓包覆盖率(bulge coverage ratio, R)及界面剥离强度(interfacial peel strength)。结果表明：截留气体的重溶是防止鼓包的关键；当熔体温度由180 °C升至240 °C、模具温度由35 °C升至80 °C时，表层(skin layer)胞元密度翻倍以上，鼓包覆盖率降至近零，剥离强度显著提升；但过高温度会导致胞元过大、胞元密度降低、成型周期延长及力学性能减弱。该方法可有效减少界面鼓包，为MIM/IMD工艺优化提供可行途径。

论文解读：微孔注射成型结合模内装饰过程中薄膜-基材界面鼓包缺陷的形成机理及其抑制方法

该研究由Shengrui Yu、Liming Qiu、Lei Xu等来自景德镇陶瓷大学及华中科技大学的研究团队完成，发表于《Journal of Materials Research and Technology》。微孔注射成型(Microcellular Injection Molding, MIM)结合模内装饰(In-Mold Decoration, IMD)可在隐藏泡沫熔体表面缺陷（如旋纹、银纹）的同时赋予制品精美外观，广泛应用于对外观要求高的轻量化聚合物产品。然而在实际生产中，装饰薄膜贴合于模具型腔壁，阻挡了发泡过程中破裂胞元释放气体的排出，致使气体截留在薄膜与聚合物基材的界面处，形成鼓包(bulge defect)并使有效接触面积减小，严重削弱界面粘接强度。已有研究多关注通过表面改性（电晕、激光、等离子处理等）提高界面结合力，但未针对"气体截留→高压气腔形成→鼓包"这一根本成因进行处理。而传统MIM中对模具钢-熔体界面气体截留的研究结论不能直接迁移至MIM/IMD——装饰薄膜热导率(0.2–0.3 W/(m·K))远低于模具钢(30–50 W/(m·K))，产生隔热保温效应，改变界面传热与气体迁移动力学，使薄膜-基材界面的气体释放、积聚、重溶及鼓包形成机制尚不明晰。为此，研究人员系统阐明MIM/IMD薄膜-基材界面气体动态演化过程，提出通过协同升高熔体温度与模具温度延缓界面熔体凝固、促进截留气体重溶(re-dissolution)，从而抑制鼓包并提高界面结合强度，并通过数值模拟与实验验证其有效性。

主要关键技术方法

研究人员以聚丙烯(PP, FPC75, SABIC)为基体、0.1 mm厚PP装饰膜为IMD薄膜、超临界氮气(Supercritical Fluid, SCF, N₂)为发泡剂，在全电动注塑机搭载微孔发泡控制系统及静电贴膜装置上开展十一腔模具成型实验，制得以矩形平板(113 mm×40 mm×3.2 mm)与拉伸样条(165 mm×19 mm×3.2 mm)为对象的MIM/IMD试样。采用单因素实验（熔体温度180/200/220/240 °C固定模温35 °C；模具温度35/50/65/80 °C固定熔温200 °C）与两因素三水平全因子实验设计(DoE)，结合Moldflow三维仿真分析熔体粘度与冻结层分数。通过ImageJ软件计算鼓包覆盖率R＝∑S_i/S₀×100%、扫描电镜(SEM)统计整体与装饰侧表层胞元尺寸(cell size, D)与胞元密度(cell density, N)、万能试验机90°剥离测试评价界面剥离强度、排水法测发泡/未发泡密度，并以实测最小冷却时间评估生产效率影响。

研究结果

2.1 鼓包的形成机制(Formation of bulges)

研究人员基于流场分析与界面气体行为指出：填充阶段流锋处因压力最低促使胞元优先形核长大，喷泉流(fountain flow)效应使熔体翻转铺展至薄膜表面，前缘薄弱胞元破裂释放气体；装饰膜阻碍排气，气体被封闭于薄膜与聚合物基材间隙形成局部截留区。若熔体在压力下未达气体重溶压力且迅速进入玻璃态固化，残存气体形成高压气腔；脱模后内外压差使薄膜发生弹塑性凸起即鼓包，残余应力松弛仅微调形貌。鼓包形成需同时满足：熔体处于粘流态（具足够分子链活动性与自由体积供气体扩散）及熔体压力超过气体重溶压力(gas re-dissolution pressure)。

2.2 鼓包的抑制机制(Suppression of bulges)

研究人员提出同时升高熔体温度和模具温度，重点满足上述条件一——延长熔体在粘流态停留时间以降低粘度、增大自由体积与分子链活动性，推迟凝固并为截留气体重溶争取时间窗口。升高熔温增加熔体内能、延长冷却至冻结温度的时间并降低粘度；升高模温减小熔体-模具温差、按傅里叶定律降低传热速率、延缓界面凝固；装饰膜隔热效应使装饰侧比非装饰侧凝固更慢。二者协同为气体向熔体表层扩散重溶创造热力学与动力学条件，消除高压气腔从而抑制鼓包。

5.1 冻结层分数(Frozen layer fraction)

Moldflow模拟提取样条几何中心数据表明：熔温由180 °C升至240 °C，装饰面冻结层分数由0.392降至0.093(降76.3%)，非装饰面由0.511降至0.260(降49.1%)；模温由35 °C升至80 °C，装饰面由0.321降至0.014(降95.6%)，非装饰面由0.395降至0.157(降60.3%)。说明升温和装饰膜隔热均可有效延缓界面熔体凝固，且装饰侧效果更显著。

5.2 熔体粘度(Melt viscosity)

填充末刻面取样显示：熔温180→240 °C，装饰侧粘度由240 kPa·s降至3.54 kPa·s(降98.5%)，芯层降80.1%，非装饰侧降60%；模温35→80 °C，装饰侧粘度由220 kPa·s降至约2.58 kPa·s(降98.8%)，芯层几乎不变(<1%)，非装饰侧略降(约4.6%)。升温与薄膜隔热黏性耗散热保留使装饰侧维持低粘度，有利气体扩散重溶。

5.3 鼓包缺陷(Bulge defects)

单因素实验中熔温180/200/220/240 °C对应鼓包覆盖率R分别为43.48%、6.96%、0.81%、0%(标准偏差递减)；模温35/50/65/80 °C(熔温200 °C固定)对应R为6.96%、4.94%、2.35%、0.58%。两因素DoE显示熔温180→220 °C配合模温35→65 °C可使R从43.48%降至0.12%，ANOVA证实熔温(p<0.01, F=14829.43)为主控因素，模温(p<0.01, F=1338.34)及二者交互作用(p<0.01, F=764.49)均显著。证明升温和延时粘流态可促气体重溶，双因素协同抑制效果最优。

5.4 微观形貌(Microscopic morphology)

整体截面胞元密度随熔温升高呈先增后减(180 °C: 4.5×10⁵cells/cm³; 200 °C: 1.0×10⁶cells/cm³; 240 °C: 4.1×10⁵cells/cm³)，平均胞元尺寸先减后增；模温升高至65 °C密度上升、80 °C下降。装饰侧表层(skin layer)胞元密度随熔温180→240 °C由6.06×10⁵增至1.40×10⁶cells/cm³(+132.6%)，随模温35→80 °C由8.07×10⁵增至1.14×10⁶cells/cm³(+41.3%)，表层胞元尺寸同步略增，证实界面截留气体经重溶后在表层二次成核，微观上佐证气体重溶抑制鼓包的机制。

5.5 力学性能(Mechanical properties)

熔温180→240 °C，界面90°剥离强度由205.5 N/m升至1181.2 N/m(+474.8%)，拉伸强度先微升(16.1→16.8 MPa)后略降至15.1 MPa；模温35→80 °C，剥离强度由501.3 N/m升至597.4 N/m(+19.2%)，拉伸强度先升至17.2 MPa再降至15.8 MPa。鼓包消除增大有效接触面积并促进界面分子链互扩散缠结，显著提高界面结合，适度温度改善泡孔均匀性对本体强度影响较小。

5.6 冷却时间(Cooling time)

最短冷却时间随熔温180→240 °C由23 s增至25 s(+8.6%)，随模温35→80 °C由24 s增至33 s(+37.5%)。虽轻微延长成型周期，但可将R降至接近零并使剥离强度大幅提升，工程上具可行性。

总结与结论翻译(Conclusions)

本研究探究MIM/IMD过程中薄膜-基材界面鼓包的形成并提出通过升高熔体与模具温度的缓解策略，主要结论如下：

(1) 升高熔体或模具温度降低薄膜-基材界面熔体粘度、延缓凝固，为截留气体向熔体表层扩散重溶提供充足时间从而抑制鼓包。具体：熔温180→240 °C，冻结层分数降76.3%，装饰侧填充末粘度降98.5%，鼓包覆盖率R由43.48%降至0%；模温35→80 °C，冻结层分数装饰侧降95.6%，填充末粘度降98.8%，R由6.96%降至0.58%。

(2) 升温显著提高薄膜-基材界面剥离强度，过高温度略降拉伸强度。熔温180→240 °C剥离强度由205.5升至1181.2 N/m，拉伸强度16.1→15.1 MPa；模温35→80 °C剥离强度501.3→597.4 N/m，拉伸强度先16.3→17.2 MPa再15.8 MPa。

(3) 升温对泡孔结构双重影响：整体截面胞元密度先升后降，适中条件(熔温200 °C、模温65 °C)提升密度与均匀性，过高温度致胞元过度生长合并使整体密度降59.0%(熔温240 °C)与56.7%(模温80 °C)，平均尺寸分别增47.9%与31.6%；装饰侧表层胞元密度随熔温升132.6%、随模温升41.3%，为截留气体扩散重溶入表层提供微观证据。

(4) 所提升温策略可有效抑制鼓包，实现轻量化产品高表面质量与强界面结合，为轻量化高性能聚合物材料工业应用提供理论指导与实用依据。