工艺参数与纳米SiO2含量对MIM成型聚合物产品泡孔结构及力学性能影响

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2025.10.008

中国塑料 ›› 2025, Vol. 39 ›› Issue (10): 39-48.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2025.10.008

工艺参数与纳米SiO₂含量对MIM成型聚合物产品泡孔结构及力学性能影响

陈飞¹, 李昊东¹, 喻敏¹, 滑海涛¹, 李青洲¹, 董春法¹, 徐磊¹, 汪智勇²^,³, 贺武清⁴, 于盛睿¹()

^1.景德镇陶瓷大学机械电子工程学院，江西景德镇 333403
^2.中国科学院深圳先进技术研究院，广东深圳 518055
^3.中国科学院大学，北京 100049
^4.群达塑胶电子（深圳）有限公司，广东深圳 430074

收稿日期:2024-11-15 出版日期:2025-10-26 发布日期:2025-10-21
通讯作者: 于盛睿（1976—）男，博士，教授，从事聚合物先进成型与创新设计、模具设计等领域研究工作， ysr.hotdog@163.com
E-mail:ysr.hotdog@163.com
基金资助:
国家自然科学基金项目(52565037);国家自然科学基金项目(52065029);国家自然科学基金项目(51741505);江西省自然科学基金项目(20212ACB204013);江西省自然科学基金项目(20202BABL204038);景德镇陶瓷大学大学生创新创业训练计划项目(S202310408036)

Effects of process parameters and nano⁃SiO₂ content on cellular structure and mechanical properties of MIM polymer products

CHEN Fei¹, LI Haodong¹, YU Min¹, HUA Haitao¹, LI Qingzhou¹, DONG Chunfa¹, XU Lei¹, WANG Zhiyong²^,³, HE Wuqing⁴, YU Shengrui¹()

^1.School of Mechanical and Electronic Engineering，Jingdezhen Ceramic University，Jingdezhen 333403，China
^2.Shenzhen Institute of Advanced Technology，Chinese Academy of Sciences，Shenzhen 518055，China
^3.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China
^4.Kunda Plastic Electronics （Shenzhen） Co，Ltd，Shenzhen 518018，China

Received:2024-11-15 Online:2025-10-26 Published:2025-10-21
Contact: YU Shengrui E-mail:ysr.hotdog@163.com

摘要/Abstract

摘要：

为制取泡孔致密均匀、力学性能优良的微孔发泡注射成型（MIM）制品，本文基于正交试验设计方法，综合应用单因素分析法与对比试验，以典型样条为试验对象，研究熔体温度、注射速度、超临界流体（SCF）浓度、注射压力与纳米二氧化硅（SiO2）含量对泡孔结构与力学性能影响，利用矩阵分析法以泡孔直径、泡孔密度、拉伸强度、弯曲强度为评价指标进行多指标优化分析。结果表明，SCF浓度对泡孔结构影响最大，其增大可使泡孔直径减小、泡孔密度上升；注射速度对力学性能影响最大，其增大导致拉伸强度先减小再增大，弯曲强度逐渐下降。采用综合评价的最优工艺参数组合，其泡孔直径36.82 μm、泡孔密度1.40×10⁶ 个/cm3、拉伸强度19.69 MPa、弯曲强度36.49 MPa，较优化前分别提升79.27 %、8 135.29 %、39.94 %、12.87 %；较正交试验的最佳结果亦分别提升1.47 %、3.70 %、3.09 %、0.69 %。

关键词: 泡孔结构, 力学性能, 纳米二氧化硅, 工艺优化, 多指标优化

Abstract:

This study aims to optimize the microcellular injection molding （MIM） process for producing polymer components with uniform cell structure and enhanced mechanical properties. Using a combination of single⁃factor and orthogonal experimental designs， the effects of melt temperature， injection velocity， supercritical fluid （SCF） concentration， injection pressure， and nano-silica （SiO₂） content on cellular morphology and mechanical performance were systematically investigated. Matrix analysis was employed for multi⁃objective optimization based on cell diameter， cell density， tensile strength， and flexural strength. Results show that SCF concentration most significantly affects cellular structure， reducing cell diameter and increasing cell density with increasing concentration. Injection velocity has the greatest impact on mechanical properties， causing tensile strength to first decrease and then increase， while flexural strength decreases monotonically. The optimized process yields components with a cell diameter of 36.82 μm， cell density of 1.40×10⁶ cells/cm³， tensile strength of 19.69 MPa， and flexural strength of 36.49 MPa. These represent a 79.27 % reduction in cell diameter， an 8 135.29 % increase in cell density， and improvements of 39.94% in tensile strength and 12.87 % in flexural strength over pre⁃optimized values. Furthermore， all four metrics are enhanced by 1.47 %， 3.70 %， 3.09 %， and 0.69 %， respectively， compared to the best orthogonal experimental result.

Key words: cellular structure, mechanical property, nano?SiO₂, process optimization, multi?criteria analysis

中图分类号:

TQ320.66⁺2

陈飞, 李昊东, 喻敏, 滑海涛, 李青洲, 董春法, 徐磊, 汪智勇, 贺武清, 于盛睿. 工艺参数与纳米SiO₂含量对MIM成型聚合物产品泡孔结构及力学性能影响[J]. 中国塑料, 2025, 39(10): 39-48.

CHEN Fei, LI Haodong, YU Min, HUA Haitao, LI Qingzhou, DONG Chunfa, XU Lei, WANG Zhiyong, HE Wuqing, YU Shengrui. Effects of process parameters and nano⁃SiO₂ content on cellular structure and mechanical properties of MIM polymer products[J]. China Plastics, 2025, 39(10): 39-48.

图/表 10

参考文献 13

[1]	WANG Y， CHEN S， MI J， et al. Effect of the crystallization of modified polybutylene terephthalate on its foaming using supercritical CO₂： Transition from microcellular to nanocellular foam［J］. The Journal of Supercritical Fluids， 2022， 181： 105463.
[2]	YU S， WANG K， XU L， et al. Fabrication of lightweight polymer products with excellent mechanical properties using a novel double⁃sided in⁃mold decoration combined with fiber⁃reinforced microcellular injection molding process［J］. Journal of Materials Research and Technology， 2024， 28： 4 289⁃4 298.
[3]	YANG C， WANG G， ZHAO J， et al. Lightweight and strong glass fiber reinforced polypropylene composite foams achieved by mold⁃opening microcellular injection molding［J］. Journal of Materials Research and Technology， 2021， 14： 2 920⁃2 931.
[4]	于盛睿，刘钦迪，徐磊，等. 双面覆膜与纤维含量对MIM/IMD工艺翘曲变形及力学性能的影响［J］. 中国塑料， 2023， 37（5）： 55⁃61.
	YU S R， LIU Q D， XU L， et al. Effects of double⁃side film and fiber content on warpage and mechanical properties of products prepared by MIM/MID［J］. China Plastics， 2023， 37（5）： 55⁃61.
[5]	张纯，于杰，何力，等. 注塑工艺参数对HDPE化学发泡行为的影响［J］. 高分子材料科学与工程， 2010， 26（10）： 107⁃111.
	ZHANG C， YU J， HE L， et al. Effect of injection processing parameter on HDPE foaming behavior［J］. Polymer Materials Science & Engineering， 2010， 26（10）： 107⁃111.
[6]	LIN X， CATON⁃ROSE F， REN D， et al. Shear⁃induced crystallization morphology and mechanical property of high density polyethylene in micro⁃injection molding［J］. Journal of Polymer Research， 2013， 20： 1⁃12.
[7]	WANG G， DONG M， YUAN M， et al. Effects of process conditions and nano⁃fillers on the cell structure and mechanical properties of co⁃injection molded polypropylene⁃polyethylene composites［J］. Polymer， 2024， 299： 126935.
[8]	何小芳，黄文景，罗四海，等. 超高相对分子质量聚乙烯的耐磨性改性研究进展［J］. 中国塑料， 2013， 27（3）： 19⁃24.
	HE X F， HUANG W J， LUO S H， et al. Research progress in wear resistance modification of ultrahigh molecular weight Polyethylene［J］. China Plastics， 2013， 27（3）： 19⁃24.
[9]	武毅，贾仕奎，朱艳，等. SiO₂粒径对PP发泡行为和力学性能的影响［J］. 塑料工业， 2011， 39（4）： 87⁃90+5.
	WU Y， JIA S K， ZHU Y， et al. Effect of the grain⁃size of SiO₂ on the PP foaming behavior and mechanical properties［J］. China Plastics Industry， 2011， 39（4）： 87⁃90+5.
[10]	WANG G， ZHAO G， DONG G， et al. Lightweight and strong microcellular injection molded PP/talc nanocomposite［J］. Composites Science and Technology， 2018， 168： 38⁃46.
[11]	LIU Y， GUAN Y， LI Y， et al. Rheological/crystallization behavior of PP/graphite nanosheet composites and performance of microcellular foaming plastics［J］. Composites Communications， 2022， 32： 101133.
[12]	WANG K， KAN Y， ZHU Y， et al. Optimization of synthesis parameters for C⁃S⁃H/PCE nanocomposites： a comprehensive study using orthogonal experiments and multi⁃analysis approaches［J］. Construction and Building Materials， 2024， 417： 135332.
[13]	祁睿格，何春霞，付菁菁，等. 无机纳米粒子对木粉/高密度聚乙烯木塑复合材料热学及力学性能的影响［J］. 上海交通大学学报， 2019， 53（3）： 373⁃379.
	QI R G， HE C X， FU J J， et al. Effect of inorganic nanoparticles on the thermal and mechanical properties of wood fiber/HDPE composites［J］. Journal of Shanghai Jiaotong University， 2019， 53（3）： 373⁃379.

水平	A/℃	B/mm·s^-1	C/%	D/MPa	E/%
1	180	100	0.1	90	1
2	200	150	0.2	110	2
3	220	200	0.3	130	3
4	240	250	0.4	150	4

水平	A/℃	B/mm·s^-1	C/%	D/MPa	E/%
1	180	100	0.1	90	1
2	200	150	0.2	110	2
3	220	200	0.3	130	3
4	240	250	0.4	150	4

试验号	试验方案	泡孔直径/μm	泡孔密度/10⁵个·cm^-3	拉伸强度/MPa	弯曲强度/MPa
1	A₁B₁C₁D₁E₁	82.86	0.22	17.35	34.64
2	A₁B₂C₂D₂E₂	87.70	0.46	16.70	34.01
3	A₁B₃C₃D₃E₃	92.88	0.65	16.01	33.95
4	A₁B₄C₄D₄E₄	42.45	7.05	15.78	33.82
5	A₂B₁C₂D₃E₄	51.04	4.00	15.89	35.11
6	A₂B₂C₁D₄E₃	118.43	0.26	15.72	34.55
7	A₂B₃C₄D₁E₂	50.21	6.89	17.84	34.51
8	A₂B₄C₃D₂E₁	100.03	0.39	17.00	33.28
9	A₃B₁C₃D₄E₂	66.16	2.46	19.10	36.24
10	A₃B₂C₄D₃E₁	52.98	7.34	18.16	35.63
11	A₃B₃C₁D₂E₄	103.74	0.39	15.16	33.69
12	A₃B₄C₂D₁E₃	108.26	0.50	16.07	33.62
13	A₄B₁C₄D₂E₃	37.37	13.53	18.35	35.67
14	A₄B₂C₃D₁E₄	88.23	1.33	17.07	35.22
15	A₄B₃C₂D₃E₁	124.58	0.27	15.00	34.92
16	A₄B₄C₁D₃E₂	122.64	0.19	15.25	34.17

试验号	试验方案	泡孔直径/μm	泡孔密度/10⁵个·cm^-3	拉伸强度/MPa	弯曲强度/MPa
1	A₁B₁C₁D₁E₁	82.86	0.22	17.35	34.64
2	A₁B₂C₂D₂E₂	87.70	0.46	16.70	34.01
3	A₁B₃C₃D₃E₃	92.88	0.65	16.01	33.95
4	A₁B₄C₄D₄E₄	42.45	7.05	15.78	33.82
5	A₂B₁C₂D₃E₄	51.04	4.00	15.89	35.11
6	A₂B₂C₁D₄E₃	118.43	0.26	15.72	34.55
7	A₂B₃C₄D₁E₂	50.21	6.89	17.84	34.51
8	A₂B₄C₃D₂E₁	100.03	0.39	17.00	33.28
9	A₃B₁C₃D₄E₂	66.16	2.46	19.10	36.24
10	A₃B₂C₄D₃E₁	52.98	7.34	18.16	35.63
11	A₃B₃C₁D₂E₄	103.74	0.39	15.16	33.69
12	A₃B₄C₂D₁E₃	108.26	0.50	16.07	33.62
13	A₄B₁C₄D₂E₃	37.37	13.53	18.35	35.67
14	A₄B₂C₃D₁E₄	88.23	1.33	17.07	35.22
15	A₄B₃C₂D₃E₁	124.58	0.27	15.00	34.92
16	A₄B₄C₁D₃E₂	122.64	0.19	15.25	34.17

指标	项目	A/℃	B/mm·s^-3	C/%	D/MPa	E/%
泡孔直径/μm	k₁	76.47	59.36	106.92	82.39	90.11
	k₂	79.93	86.84	92.89	82.21	81.68
	k₃	82.78	92.85	86.83	79.88	89.23
	k₄	93.20	93.34	45.75	87.91	71.37
	R₁	16.73	33.99	61.17	8.02	18.75
	因素主次	C>B>E>A>D
	最优方案	A₁B₁C₄D₃E₄
泡孔密度/10⁵个·cm^-3	k₁	2.10	5.05	0.27	2.24	2.06
	k₂	2.89	2.35	1.31	3.69	2.50
	k₃	2.67	2.05	1.21	3.05	3.74
	k₄	3.83	2.03	8.70	2.51	3.19
	R₂	1.74	3.02	8.44	1.46	1.68
	因素主次	C>B>A>E>D
	最优方案	A₄B₁C₄D₂E₃
拉伸强度/MPa	k₁	16.46	17.67	15.87	17.08	16.88
	k₂	16.61	16.91	15.92	16.80	17.22
	k₃	17.12	16.00	17.30	16.33	16.54
	k₄	16.42	16.02	17.53	16.40	15.98
	R₃	0.71	1.67	1.66	0.75	1.25
	因素主次	B>C>E>D>A
	最优方案	A₃B₁C₄D₁E₂
弯曲强度/MPa	k₁	34.11	35.42	34.26	34.50	34.62
	k₂	34.36	34.85	34.42	34.16	34.73
	k₃	34.80	34.27	34.67	34.72	34.45
	k₄	35.00	33.72	34.91	34.88	34.46
	R₄	0.89	1.69	0.64	0.72	0.28
	因素主次	B>A>D>C>E
	最优方案	A₄B₁C₄D₄E₂

工艺参数与纳米SiO₂含量对MIM成型聚合物产品泡孔结构及力学性能影响

Effects of process parameters and nano⁃SiO₂ content on cellular structure and mechanical properties of MIM polymer products

RichHTML

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 10

参考文献 13

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价

试验编号	泡孔直径/ μm	泡孔密度/ ×10⁵个·cm^-3	拉伸强度/ MPa	弯曲强度/ MPa
S_1⁃1	27.89	16.10	18.25	35.25
S_1⁃2	36.82	14.00	19.69	36.49
S_1⁃3	39.82	13.30	19.72	35.81
S_1⁃4	42.11	8.24	19.00	36.94
S_2⁃1	177.60	0.17	14.07	32.33
S_3⁃1	117.90	0.80	16.73	34.02
S_3⁃2	76.88	1.82	16.38	33.78
S_3⁃3	87.66	1.86	16.81	33.66
S_4⁃1	106.83	0.50	17.00	32.67
S_4⁃2	101.06	1.37	16.27	33.48
S_4⁃3	106.83	1.80	17.02	34.65
S_4⁃4	121.99	0.81	16.74	34.34

[1]	王硕, 袁文博, 陈弋翀, 臧云涛, 冷栋梁, 李海艳, 赵玲, 胡冬冬. 支化结构聚丙烯的超临界CO₂模压发泡及其力学性能[J]. 中国塑料, 2025, 39(9): 1-6.
[2]	林明华, 王华, 郭建兵, 郑斌, 王瑶. 环氧大豆油/桐油酸酐协同增韧聚乳酸⁃木质素复合材料[J]. 中国塑料, 2025, 39(9): 38-43.
[3]	郑世伦, 周启伟, 刘斌, 梁旭之, 袁明园. 超支化聚酯改性碳纳米管/水性不饱和聚酯复合材料的结构与性能研究[J]. 中国塑料, 2025, 39(9): 63-67.
[4]	闵家璇, 江学良, 游峰, 陆刚. PPC/PHBV共混材料的力学及热学性能研究[J]. 中国塑料, 2025, 39(8): 6-11.
[5]	尚云龙, 王东浩, 任志彬. 湿法橡胶沥青存储稳定性研究综述[J]. 中国塑料, 2025, 39(8): 75-82.
[6]	刘霖, 寿韬, 廖飞扬, 郑梓康, 冯馨禾, 赵秀英. 高韧性生物基聚乳酸/聚氨酯共混物的制备及性能研究[J]. 中国塑料, 2025, 39(7): 1-5.
[7]	王政, 肖东, 黄锐, 孙孝谦. 废弃塑料颗粒含量对混凝土力学性能的影响[J]. 中国塑料, 2025, 39(7): 130-134.
[8]	王文昊, 仇思源, 李亚娇, 孙靖尧, 吴大鸣, 王树远, 许红, 盖云卿. 基于渐进失效模型的RTP管力学性能分析[J]. 中国塑料, 2025, 39(7): 44-48.
[9]	宁丁怡, 赵恬娇, 董亚鹏, 王美珍, 郝新宇, 王波. 共混改性调控聚乳酸结晶及力学性能的研究进展[J]. 中国塑料, 2025, 39(6): 126-132.
[10]	朱奎霖, 吕冲, 郭雷, 陈艺琳, 黄易峰, 赵培琦, 江学良, 游峰. 氧化铈改性聚丙烯复合材料的介电及力学性能研究[J]. 中国塑料, 2025, 39(6): 19-23.
[11]	甄琪, 秦子轩, 张恒, 崔景强, 王国锋, 程文胜, 李晗. 医疗包装用聚乳酸熔喷超细纤维材料的退火工艺研究[J]. 中国塑料, 2025, 39(6): 24-30.
[12]	周琦, 李全, 李雅静, 刘新安, 谷新春, 黄守莹. PPC与PLA共混物的流变学及力学性能研究[J]. 中国塑料, 2025, 39(6): 31-35.
[13]	马海龙, 代明欣. 废旧塑料骨料在水泥混凝土中的应用研究进展[J]. 中国塑料, 2025, 39(6): 89-99.
[14]	吴希然, 贾志欣, 刘立君, 李继强, 赵川涛, 陈博杰. PP⁃CGFR/PP⁃LGFR热压⁃注塑一体成型制品力学性能分析[J]. 中国塑料, 2025, 39(5): 1-8.
[15]	郭伟超, 辛晓行, 曾山林, 高新勤, 汤奥斐. 区域分割打印对FDM 3D打印件性能的影响[J]. 中国塑料, 2025, 39(5): 57-62.