押出發泡的條件探討 (中華水電冷凍空調雜誌103年11月號)

發泡押出工藝
Exploring of Foam Extrusion Conditions

陳幸郎博士
新端實業有限公司 協理
中山大學化學研究所

      發泡的方法，主要包括成核、成長、與定型等階段，不論押出、射出或模壓等加工方式，均需經過這些程序，才能成為所希望的發泡塑體。當然，押出發泡要比不發泡押出的技術更嚴格，發泡在成型過程，氣體壓力與環境的壓力，包含押出機及熔體壓力，都會影響發泡的品質，如密度、均勻度、氣泡大小與氣泡多寡等。

發泡是一門專業的領域，要做出極佳的發泡產品，諸多加工變數均需要了解，包括押出壓力、發泡溫度、發泡滯留時間、成核劑使用量等，這些都會影響發泡的品質，摘要說明如後。

一、押出壓力

       當發泡劑或氣體熔於塑料後，會因為產生的氣體或補充的氣體不斷的增加，使氣泡數量增加，至逐漸增大氣泡，但是假如氣泡成長的環境壓力太大，或是塑料熔體壓力太大，都會影響氣泡的數量與大小。表一是使用0.75%AC發泡劑、押出溫度180℃、押出機滯留時間8分鐘、流變儀套筒(rheometer barrel)內滯留時間7分鐘，在不同壓力下押出製品的氣泡大小、數量、及密度，數據顯示當壓力愈大時，氣泡愈小、氣泡數量愈多、密度愈低。而在押出機內，塑料熔體的壓力須比氣體壓力高，才不會使氣泡過早發泡，形成氣泡過大，甚而破泡。

表一、不同壓力押出製品之氣泡大小、數量及密度

二、發泡溫度

       押出機溫度愈高時，塑料熔體強度會降低，表面張力下降，此時發泡劑越容易分解氣泡數量會增多且增大，然而由於溫度的升高，熔體強度降低，會容易造成破泡，小氣泡因破泡合併為大的氣泡，但由於氣體不斷的補充，所以密度會先降而後緩升，主要是因為在高溫下，一旦熔體強度變低，氣體就容易逸散出熔體，導致密度上升。如表二所示，押出溫度從190℃昇溫到200℃，氣泡平均直徑從0.09mm大到0.80mm，當氣泡愈來愈大，卻發現發泡體密度從0.48上升至0.52，此時應是產生破泡的結果，從氣泡數也可看出，溫度從195℃到200℃，氣泡數從11,200,000掉到1,340,000個。

表二、不同溫度押出製品之氣泡大小、數量及密度

三、發泡滯留時間

       塑料熔體在押出機內的滯留時間愈長，受熱就愈多，氣泡愈容易增多與膨漲，這種影響與提高押出機的溫度作用相同，但從研究者在流變儀的實驗發現(如圖一)，氣泡體的密度，從滯留時間7分鐘之後，密度一直下降至10分鐘，也許時間再拉長，密度可能會回升，但從熱力學的觀念來看，溫度的效應會比時間來得顯著。而氣泡數量在7分鐘後也急遽下降，氣泡大小會反向增大。
                                  

圖一、熔體在押出機滯留時間對氣泡大小、數量及密度的影響

四、成核劑(nuclei)使用量

       發泡過程中，加入一些固體微粒作為成核劑，可使熔體產生局部熱點(hot spot)，可有效降低熔體表面張力，使氣泡容易形成、增多，但不會使氣泡變得更大，如表三所示，成核劑添加量愈多，氣泡愈小，每cc氣泡數愈多，製品密度愈低。這種發泡機制，會使氣泡更細、氣泡數目增多、製品密度更低，所以適度添加成核劑，可製造較優良的發泡產品，一般成核劑包括碳酸鈣、滑石粉、鋅氧粉等。

表三、不同成核劑添加量產生製品之氣泡大小、數量及密度