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。
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
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性質 |
氣體 (STP) |
超臨界流體 |
液體 |
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密度 (g/cm3) |
(0.6~2) × 10-3 |
0.2 ~ 0.5 |
0.6 ~ 2 |
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擴散係數 (m2/s) |
(1 ~ 4) × 10-1 |
10-3 ~ 10-4 |
(0.2 ~ 2) × 10-5 |
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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。
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。