微發泡注塑成型技術

微發泡聚合物材料是指以聚合物材料為基體，其中含有泡孔尺寸從小于一微米到幾十微米的多孔聚合物材料。常規的物理或化學發泡法制備的泡沫塑料由于其孔徑較大，通常不屬于這一范疇，與一般泡沫塑料毫米級的泡孔相比，微發泡聚合物的泡孔要小得多，而泡孔密度要大得多，因而稱為微發泡聚合物。

發展概述

上世紀80年代初，美國麻省理工學院（MIT）首先提出微發泡塑料的概念并發展了相應的成型技術。提出該概念是希望在聚合物基體中引入大量比聚合物原已存在的缺陷尺度更小的空隙，從而在減少材料用量的同時提高其剛性，并避免對強度等性能造成明顯的影響。這種工藝制備的微發泡材料孔徑一般小于10微米，尤其突出的是泡孔密度非常高，達到109-1015個/cm3。微發泡成型過程可分成三個階段，首先是將超臨界流體（主要是二氧化碳和氮氣）溶解到聚合物中，并形成聚合物/氣體的單相溶液；然后，通過溫度或壓力等條件引發體系的熱力學不穩定性，使得氣體在溶液中的溶解度下降；由于氣體平衡濃度的降低，從而在聚合物基體中形成大量的氣泡核，然后逐漸長大生成微小的孔洞。

許多人認為超臨界流體應用于聚合物加工只是處于實驗室的研究，實際上，這種方法的商業應用早就開始了。20世紀50年代始，超臨界乙烯就已用于大規模制造低密度聚乙烯。進入21世紀，Trexel公司與MIT合作，首先利用這種技術實現了微發泡注塑的商業化應用。據報道，Reedy國際公司也開發了類似的擠出微發泡裝置。

關于聚合物微發泡成型技術已有大量的文獻報道，研究以無定型和半結晶型聚合物微發泡材料的成型過程為主，如聚氯乙烯（PVC）、聚苯乙烯（PS）、聚碳酸酯（PC）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）和聚碸（Polysulfone）等。加工技術方面的研究主要涉及微發泡擠出、微發泡注塑、微發泡吹塑及旋轉模塑等。從事微發泡技術研究并取得較顯著研究成果的單位主要有美國的麻省理工學院、威斯康辛—邁迪遜大學、佐治亞理工大學、加拿大的多倫多大學、德國的GKSS 研究中心、荷蘭的特文特大學等。

發展現狀

1997年，在與MIT合作的基礎上，Trexel公司率先開始了微發泡注塑成型技術的產業化研究。其第一臺用于研究的注塑機是Engel的150噸螺桿和活塞式注塑機，后來采用了往復螺桿式注塑機。直到2000年，Trexel公司在芝加哥的國際塑料博覽會上首次推出其微發泡注塑成型機的商業產品。與此同時，許多日本、歐洲和韓國等國家的公司也一直致力于微發泡注塑成型工藝的開發。目前以Trexel公司的Mucell®為代表的超臨界流體制備聚合物微發泡材料技術已經得到了廣泛的認可，許多世界知名的設備和原料廠商都購買了這種技術的專利使用權，包括Arbug、Demag、Engel、Milacron、Husky、Krauss Maffei、Battenfeld、Dupont、JSW、Toshiba等知名公司和企業。可以說，微發泡注塑成型技術正在由單純的理論和實驗研究轉向成熟的商品化開發。盡管這個階段經歷了將近20年的時間，但這種商業化開發的模式及其成功經驗預示著新的加工技術在今后要實現產業化將變得越來越容易。正如微發泡技術的創始人MIT的Nam P. Suh教授所說，這種技術絕非僅僅是能夠節約材料那么簡單，其所帶來的各種益處將在今后各種應用中逐步體現出來。這種技術的成功開發，可以說是高校和產業界攜手合作的典范。實踐證明，只要在一個經過嚴格論證的框架下進行合作，研究單位和產業界都能夠從類似這樣的合作中獲益。

微發泡注塑成型制品的主要特點是在基本保持制品原有力學性能的基礎上減輕重量。同時，由于制品內部幾乎沒有任何殘馀應力，因此制品的翹曲和變形可以得到很好的抑制。而且，由于能有效地防止收縮痕，因此對制品壁厚均勻度的要求大大降低，從而為制品設計提供了更大的空間。

從理論上說，幾乎目前所有的非結構性塑料制品和一部分結構性塑料制品都可以采用微發泡注塑成型工藝制備。但考慮到市場需求及經濟性等因素，目前美國、日本等國家所開發的微發泡注塑制品主要集中在汽車及內部裝飾材料、電子電器產品、醫用產品等領域，如汽車進氣歧管、保險盒、發動機罩、電器開關、電器控制模塊、薄壁容器、醫用注射器等。

特點及優勢

與常規注塑成型制品的比較

對國外現有采用Trexel公司專利的微發泡注塑成型機進行分析及相關的數據比較可以看出，與常規的模塑制品相比，除去購買許可證和增加設備的投資以外，微發泡模塑制品的平均成本可降低16%-20%。而這主要通過四個方面實現：

1. 微發泡注塑循環周期可減少50%，從而降低了加工成本。同時注塑制品的下腳料比例降低，設備的能耗也更低。

2. 對于相同類型的制品，微發泡注塑工藝可以使用更小和更少的機器，模具成本更低，從而降低投資成本。

3. 由于微發泡注塑制品的密度降低，可以設計具有更薄壁結構的制品，降低制品的材料成本。

4. 由于減少或消除了常規模塑在合模和保壓過程中產生的模內應力，因此微發泡注塑可以制備更平、更直和尺寸精度更高的制品，從而為制品的品質和價格提升提供了更大空間。

與其他注塑成型工藝的比較

許多其他的注塑成型工藝過程也使用或涉及氣體或發泡劑，這些工藝主要有：結構發泡注塑、氣體輔助注塑和化學發泡成型。


許多世界知名的設備廠商都購買了微發泡注塑技術的專利使用權（相片提供 Photo Courtesy: JSW）

微發泡注塑與結構發泡注塑

結構發泡注塑通常用于成型較大的制品，最常見的是采用特殊的低壓注塑機加工高密度聚乙烯（HDPE）原料。其制品的重量減輕可以達到10%或更多。微發泡注塑在某些方面比結構發泡注塑更有優勢，如對于大多數材料包括常用的工程塑料來說，其材料的減少和注塑循環時間的降低更加顯著。微發泡注塑能夠成型同時具有薄壁和厚壁的結構，制品設計方面的靈活性更大。但微發泡注塑對于具有大長厚比的制品和厚壁（大于6毫米）制品方面則沒有太多優勢。

微發泡注塑與氣體輔助注塑

氣體輔助注塑可以成型表面質量非常高的制品，通過對模具和制品進行特殊設計，在厚壁制品的內部設計空腔實現氣體輔助注塑。而微發泡對于厚壁制品的成型沒有優勢，而且其制品的表面質量也無法達到非常完善。

但氣體輔助注塑通常只用于消除制品的收縮痕，因此從這方面來說，微發泡注塑可能是一個更好的選擇，能夠更多地降低制品重量，以更短的循環時間成型，并且制品翹曲較少，同時也能夠消除收縮痕。

微發泡注塑與化學發泡成型

化學發泡劑在特定的溫度下分解而產生氣體發泡劑。不同類型的發泡劑適用于不同溫度下分解發泡。其通常用于厚壁制品成型以消除收縮痕，同時也可以降低制品密度。對于薄壁制品使用化學發泡劑會使表面質量劣化，同時會顯著降低其力學性能。而且，從經濟性角度出發，化學發泡不能夠大幅度降低密度。

而微發泡注塑的優勢在于，許多吸熱型的化學發泡劑會生成水（也產生CO2氣體），因此需要添加吸水劑以防止由于水的存在而造成聚合物熔體的降解現象。氣體發泡劑生產批號的不同致使在生產過程中不得不隨時調整生產工藝。另外，由于化學發泡劑本質上的熱穩定性不佳，因而很難用于加工高溫型樹脂。化學發泡劑通常會在樹脂中有所殘留，或產生副產品。帶有副產品或未分解化學發泡劑的樹脂通常會使制品耐老化性能降低，并可能導致模具排氣孔堵塞。而且，其加工過程中產生的下腳料很難就地回收使用。

當然，微發泡注塑成型技術也并非完美無缺，對于要求透明性強和表面質量非常高的制品，采用微發泡注塑成型技術需要更加慎重。