超臨界微細發泡 (中華水電冷凍空調雜誌104年1月號)

超臨界微細發泡
Microcellular with Supercritical Fluid

陳幸郎博士
新端實業有限公司 協理
中山大學化學研究所


       發泡塑膠是一種以塑膠為基本材料,內部含有大量氣泡,所以發泡塑膠也可以說是以氣體為填充材料的複合塑膠。與純塑膠相比,發泡塑膠具有很多優良可貴的性能,包括比強度高、質輕、具有吸收衝擊強度的能力、隔音和隔熱性能好等,是以發泡塑膠可以透過改變配方及成型技術來改變其性能及用途。微細發泡塑膠與小泡孔塑料或低發泡塑膠相比,由於其泡孔極小,進行微孔處理過的塑膠製品,更具有抗衝擊、耐疲勞、隔熱、隔音和吸震等功能,且產品壽命較長,是不發泡或普通發泡塑料無法相比的。

       過去製造發泡塑膠方法,大都採用物理或化學添加劑,在加熱過程釋出氣體,形成氣泡孔洞。由於氣化過程反應激烈,且成品內溫度分佈並非均勻,製得氣泡泡孔較大。近年來,較新的方法,是使用超臨界流體(Supercritical Fluid, SCF)取代傳統發泡劑,利用降壓過程產生之熱力學不穩定性,快速自發性形成相分離,所得氣泡顆粒微小,分佈密度甚高、十分均勻,而且不會降低原有塑膠物性。這種微細發泡射出成型技術,目前應用於往復式螺桿射出成型機上,已相當成熟,包括汽車、消費製品、及一些工業用品,都可以見到微細發泡射出產品。
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 圖一 壓力對溫度相圖


       「超臨界」一般是指氣態物質超過臨界溫度及臨界壓力以上,會達到一個均勻相之流體,性質會趨近氣體與液體之間,如圖一是CO2的壓力對溫度相圖。超臨界流體可以像氣體一樣發生瀉流,而且又兼具有類似液體的流動性,密度一般都介於0.1到1.0g/ml之間,由於其擴散性強,所以溶解能力很強,物理性質比較如表一。

  表一、超臨界流體、液體及氣體性質比較表

性質

氣體 (STP)

超臨界流體

液體

密度 (g/cm3)

(0.6~2) × 10-3

0.2 ~ 0.5

0.6 ~ 2

擴散係數 (m2/s)

(1 ~ 4) × 10-1

10-3 ~ 10-4

(0.2 ~ 2) × 10-5

黏度 (g/cm3s)

(1 ~ 3) × 10-4

(1~3) × 10-4

(0.2 ~ 3) × 10-2

 

       超臨界流體微細發泡製程(Microcellular Injection Molding Process)最早是由麻省理工學院(MIT)機械系Nam Suh教授於1984年所發展出來的。此製程之特點是節省材料,不會降低抗拉強度,增加耐衝擊能力。究其原因,雖然塑膠材料強度會因發泡而降低,但是當氣泡小於塑膠本身缺陷時,就不會影響抗拉強度。

       超臨界流體微細發泡的設計,主要是在射出(或押出)機螺桿的計量段,被注入的單相流體,並與塑料混鍊成均勻熔體,當含有溶解氣體的熔膠被注入模穴的同時,氣體由於熱力學上的不穩定狀態,會在熔融態塑料中成核,並擴散發泡,此一製程可以在不犧牲機械性質的前提下減輕產品重量,通常還可以提升抗衝擊強度。

       提到微細發泡製程,經常會提及由Trexel. Inc™開發的MuCell製程,工法大致上是藉由加熱、及對N2或CO2等不燃性氣體加壓至超臨界狀態,注入料管,藉由擴散性極佳的超臨界流體擴散效應及螺桿混煉,讓超臨界流體與熔融塑料均勻混合成單相膠體(Gas dissolution),如圖二(a)及(b)部分所示。膠體在射出(或押出)過程中,會因瞬間高壓降引發氣相分離,導致超臨界流體在模內成核(Nucleation)、長成均勻微細氣泡(bubble growth),塑料經冷卻、固化後,將氣泡留置於塑料內,達到微發泡的效果。此製程不但能大幅降低產品內部應力、降低塑料黏度,使流動性提升,更能大幅改善因流動不均勻、熱效應及產品設計不良造成的變形。

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       在發泡製程產品設計中,經常會添加纖維或奈米複合材料,以提升產品品質,但由於含有該異方向性的高剛性纖維無機添加物,所以纖維補強塑料之射出件,往往無法表現出均勻方向性的物性,尤其在纖維排向效果明顯下,異方向性會更加嚴重。微細發泡製程可以提升纖維的分散性,預防產品發生翹曲或收縮情形,並可以減少流動引起的纖維排向性,如此纖維材質的塑材在各方向上的機械性質,會更顯得均勻一致性。

       為了提升模具設計及製程參數設定的最佳化,以確保微細發泡射出成型件的品質,必須明確了解微細發泡製程的種種細節,並進行預先模擬作業。傳統的微細發泡模擬,均須假設產品含有特定的氣泡數目與均勻的密度分布,與實際作業狀況有較大落差,現在大概都採用模擬軟體,如Moldex3D R11微細發泡射出成型模組MuCell®等,可更接近真實的氣泡成長實況。

       微細發泡成型產品,泡孔密度非常高(106~109 cells/cm3),發泡體密度可控制在0.03~0.95之間,且具有高抗張力及壓縮強度,在高熱下穩定性高、熱傳導係數低、適用於低溫,介電常數低,訊號傳輸性能佳。另由於其無污染、潔淨度高,非常適合製造生醫多孔性材料,所以在該領域極具開發潛力,大家可頗為關注。


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