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

壓力

(psi)

平均氣泡大小

(mm)

氣泡數/cc

密度

(g/cc)

250

350

540

750

1,050

1,520

2,010

0.14

0.12

0.09

0.07

0.06

0.05

0.04

116,000

334,000

845,000

1,790,000

3,040,000

5,730,000

10,600,000

0.80

0.67

0.65

0.65

0.63

0.60

0.62

 

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

溫度

(℃)

平均氣泡大小

(mm)

氣泡數/cc

密度

(g/cc)

180

185

190

195

200

0.09

0.05

0.09

0.27

0.80

82,000

274,000

3,340,000

11,200,000

1,340,000

0.93

0.75

0.48

0.50

0.52

 

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。
                                  n025

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

成核劑添加量

(%)

平均氣泡大小

(mm)

氣泡數/cc

密度

(g/cc)

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

0.26

0.13

0.11

0.10

0.09

43,100

352,000

595,000

840,000

1,200,000

0.58

0.57

0.56

0.54

0.52


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