發泡押出工藝
Works With Foam Extrusion
陳幸郎博士
新端實業有限公司 協理
中山大學化學研究所
發泡押出產品在押出過程，氣泡的形成是非常重要的階段，影響因素包括熔體的黏性、彈性、氣泡的蒸氣壓、以及氣泡與熔體的透氣性、發泡劑與熔體的溶解度等。無論是化學或物理性發泡劑，當熔體流出押出機之前，發泡劑產生的氣體會一直溶解在熔體中，而且是呈現過飽和狀態，一旦離開押出機，出口處的壓力降，會使氣體與熔體分離，如汽水瓶蓋被打開一般，氣體會迅速形成無數氣泡。這些氣泡會逐漸成長，直到氣泡的氣壓與氣泡壁的表面張力達成平衡，當然，這與氣泡的氣體濃度及熔體黏度之間有相互的關係；氣泡在達到平衡時，平衡的時間很短，必須儘快固化，否則很快又會失去平衡，氣泡會繼續膨漲而破裂。
一般常用冷水，快速冷卻押出製品，使氣泡結構安定化，在冷卻初期及硬化過程，就會決定其表面狀態，如光滑、粗超程度等，而冷卻過程中，製品形狀必須靠各種成型裝置呈現，製品質地(包括密度及結構)的調整，則可藉由發泡配方、模具設計及押出機操作條件的設定來達成。
在發泡劑的選擇上，若產品設計為中、高發泡倍率，如此低密度的製品，應以選用物理發泡劑為主；反之，產品若設計為低發泡倍率製品，則建議選用化學發泡劑，其中高、中、低發泡倍率的區分是指，發泡產品比重分別小於0.1、0.1至0.4、及大於0.4者，而發泡結構也區分為，閉孔式發泡結構與開孔式發泡結構，前者是指形成的氣泡是分開的，彼此的氣體無法流通；後者是指氣泡相通，氣體可在彼此氣泡間自由流動。另發泡押出成型，普遍包括四種方法：1.利用含浸氣體顆粒混入熔體、2.熔體混入化學發泡劑、3.將高壓氣體壓入押出機與熔體混練、4.押出成型後再進行發泡。新端公司是採用第2種方法產生閉孔發泡結構的產品。
圖一、結晶型與非晶型塑料的發泡押出加工溫度範圍示意圖
每種塑膠材料熔融後的可加工黏度範圍都不一樣，當氣泡擴張膨漲速度愈快，氣泡能夠穩定的時間愈短，這時黏度的控制極為重要，太高則無法發泡與流動，太低則氣體會從塑料一出而破泡，這種情形以結晶性高的塑膠最為明顯，例如PP或HDPE的加工窗(operating or processing window)就非常窄，如圖一，非結晶型(amorphous)的溫度加工範圍就比結晶型(crystalline)大很多，所以用於發泡押出加工材料的選擇，應以材料的流動性及黏性為依據，而一些結晶型塑料為了達到低密度高發泡倍率的效果，除了使用物理發泡押出加工外，亦可以添加架橋劑，來擴大加工溫度範圍，達到最佳發泡目的。
工廠在選擇安裝發泡押出機時，必須注意「壓縮比(compression ratio)不要太高」，溫度也必須能準確控制，入料口要能保持低溫。所謂壓縮比，簡單的說，是押出機進料段的螺溝容積比計量段的螺溝容積，一般約在3~4之間，視塑料進料時的假比重而定，各種塑料形狀與假比重的關係，如表一。壓縮比的功能是將塑料在假比重狀態下，熔融加壓成真比重狀態，所以壓縮比的設計，必須大於塑料的假比重與真比重之比，計算公式如下：
A：螺桿壓縮比 Hf：進料段的螺桿溝深 Hm：計量段的螺桿溝深 D：螺桿外徑
而理想的操作狀況是能將塑料儘速熔融，並將發泡劑產生的氣體保持溶於熔體之中，當塑料出模口後，即能適度發泡。
表一、各種塑料形狀之假比重
由於塑膠熔體的流動行為對發泡成型過程的影響很大，所以研究塑膠聚合物的流變行為，可選擇較好的塑膠成型方法。1971年，研究人員發現，聚合物熔體若存在氣體時，黏度會下降。他們是用LDPE及HDPE添加化學發泡劑，在毛細管流變儀所做的實驗，發現添加0.5%的發泡劑，產生的氣體會溶解於熔體中，熔體黏度會下降約20%，這可能是因為熔體的自由體積增加的結果。因此，在發泡成型過程中，含有氣體的熔體聚合物，由於黏度低、流動性好，所以可在較低的溫度下押出發泡成型。在實際製程中，押出機出口模頭溫度可降得比較低，就是這個原因。 生產線製程的操作條件，當然也會影響發泡押出加工，如果押出速度低，愈靠近模具發泡，發泡表面就會呈現較粗糙狀；押出速度高，離模具愈遠發泡，可以得到較光亮的發泡表面。另外，塑料在押出機內的滯留時間愈長，料溫就愈高，氣泡會較大，所以如果溫度設定較高，相同道理，會產生氣泡大的不良品。
