新型微發泡注塑成型技術
前言
微孔聚合物泡沫是含有十億微小氣泡的塑料，它們的孔 隙直徑小於100μm，每單位體積密度大於108/cm3。 第一個商業微發泡注塑成型技術(即Trexel公司的 MuCell注塑工藝)於20世紀90年代，以麻州研究所進 行的研究為基礎被開發出來。在這種原始的最常用的微 孔泡沫注塑工藝中，超臨界流體(SCF)的泵單元用於加 壓物理髮泡劑 (PBA)( 氮 (N2) 或二氧化碳 (CO2)) 至超臨 界壓力水平。然後PBA通過一個噴射器閥引入到含熔融 聚合物的機筒中。以這種方式，該氣體在註射前便溶解 到聚合物中。這種泡沫生成工藝的好處是，塑料回收被 允許，使得它們的碳消耗減少，原材料的成本降低。由 於引入了MuCell技術，不同的微孔發泡技術已經研發 成功，並且該方法已在汽車、計算機和家電領域取得了 巨大成功。但是，在這些較新的技術中，我們仍然需要 使用SCF泵單元(將氮或二氧化碳加壓到超臨界狀態)， 它引起了機器和操作成本的不斷增加。
新的泡沫注射成型的方法
在這一研究領域中，儘管毫無根據，但仍存在較強的觀 念認為微孔泡沫的準備需要超臨界CO2或N2，這樣的 SCFS提供了特殊的性能。與此相反，已經有實驗證明， CO2和N2在熱塑性聚合物中的溶解度滿足亨利定律 (即，氣體甚至可以在低於臨界壓力下溶解在聚合物中)。 因此，理論上，即使當飽和壓力(對應於溶解PBA濃度)
圖1：(a)新型泡沫注塑機示意圖(不含超臨界流體泵單元)比臨界壓力值低，我們也可以進行物理髮泡。但是， 不含高壓泵系統的注射成型機還沒有被開發出來。在 我們的工作中，我們已經開發出一種新的泡沫注射成 型的方法(不含SCF泵單元)用於生產微孔泡沫。
我們通過將PBA(即，CO2或N2)直接從氣罐傳輸到 熔融聚合物中來簡化注射成型過程。此輸送通過一個 噴射閥，我們可以通過使用專門設計的操作順序和螺 桿配置來實現。我們的發泡注射成型裝置如圖1所示， 包括一個通風孔，具有通氣容器，在機器的中間。通 過該通氣孔，多餘的PBA氣體(即，存在熔融聚合物 中的氣體殘留PBA)可以從熔融聚合物排出到大氣中。
相應的，它也可以被用來將PBA氣體引入至該熔融聚 合物中(當聚合物在PBA中的濃度低於飽和點時)。 具體地，我們可以通過調整通氣容器內的壓力來調整 溶解在熔融聚合物中的PBA濃度。我們可以通過排出 管線端部的背壓調節器來調控通氣容器的壓力。
以我們的技術製造的芯後泡沫注塑製品的掃描電子顯 微鏡(SEM)圖像如圖2所示，我們以三個不同的膨 脹比製備了這些泡沫(2、3、5)。此外，我們使用了 CO2或N2作為PBA，開閥時間為0.2秒的噴射器， 壓力為5MPa的通氣容器以及二次壓力為8MPA的氣
瓶。這些SEM圖像表明，該泡沫體的泡孔尺寸與常 規泡沫注射成型方法得到的泡沫體大致相同，甚至更 小。因此，我們表明，我們的泡沫注塑機和方法可以 成功地用於生產微孔發泡製品。僅通過從通氣孔輸送 PBA，我們也可以用我們的系統生產微泡沫。
聚丙烯注塑製品及其相應的微孔泡沫的一個例子如圖 3所示，我們通過從通氣容器和孔向熔融聚合物中輸 送空氣的方式製備微孔泡沫，同時噴射閥完全關閉。 空氣由空氣壓縮機提供，其中，空氣被簡單地從大 氣壓壓縮至4MPa。通過我們的工藝，原始盤形板的 大小(直徑為100mm，厚度為1mm)擴大到厚度為 2mm。此外，該板由於微型氣泡反射而呈現出白色。
結論
總之，我們已經開發出一種新的注射成型系統，無 需SCF泵單元即可完成微孔聚合物泡沫的製造。在我 們的技術中，我們可以使用非超臨界氮氣、二氧化碳 或壓縮空氣作為物理髮泡劑來生產穩定的微孔泡沫材 料。因此，我們已經表明，加壓N2或CO2至超臨界 狀態不是微孔注射成型的必要條件。
在我們即將進行的工作中，我們將通過優化螺桿設計 和通氣容器的PBA傳輸來改進我們的技術。這將使我 們能夠以較低的成本輕鬆地實現現有的注塑成型機向 我們的系統設計的轉換。■
作者信息
▪ AtsushiYusa-TechnologyDevelopmentDepartmen t,HitachiMaxell,Ltd.
▪SatoshiYamamoto-TechnologyDevelopmentDepa rtment,HitachiMaxell,Ltd.
▪ HidetoGoto-TechnologyDevelopmentDepartmen t,HitachiMaxell,Ltd.
▪ HiromasaUezono-InjectionMoldingMachineDivisi on,JapanSteelWorksLtd.
▪ LongWang-DepartmentofChemicalEngineering,K yotoUniversity.
▪ ShotaIshihara-DepartmentofChemicalEngineerin g,KyotoUniversity.
▪ MasahiroOhshima-DepartmentofChemicalEngin eering,KyotoUniversity&MasahiroOhshimaisaprofess orandthevicedeanoftheFacultyofEngineeringatKyoto University.