B07 超临界流体微细发泡射出成型制程对聚丙烯/SWN复合材料机械性质之

一、前言

1.1 发泡塑料

发泡塑料主要是以塑料作为基材，因塑件内部含有大量气泡，所以发泡塑料也可以说是以气体作为填充材料的复合塑料。与纯塑料相比，它具有许多的优点，如比强度高、质轻、具有吸收冲击强度的能力、隔音和隔热性能好等。发泡塑料可以透过改变配方及成型技术来改变其性能及用途。

1.2 超临界流体（Supercritical Fluid, SCF）

近年来，最新的发泡技术，则是使用超临界流体(Supercritical Fluid, SCF)取代传统发泡剂，利用降压过程产生之热力学不稳定性，可以快速地自发性形成相分离，所得之气泡颗粒微小，分布密度甚高且十分均匀，并且不会降低原有塑料物性。

在日常生活中，一般的纯物质在不同的压力与温度环境下，物质会呈现不同的相态，当该物质超过其本身的临界温度与临界压力时，该物质特性已非众人所熟知的气、液、固三相态，此时的物质特性亦非气体或液体，也非固体，通常此相态被称为超临界相态〔2〕，如图一所示。

超临界相态下物质的物理特性并非气相或者液相，超临界流体的物理特性介于气相与液相之间，超临界流体具有近似液体般的密度，因此超临界流体具有像液体般的溶解能力（solvating power）；同时具有近似气体般的扩张系数（diffusion coefficient），因此其空间内质传速率较液体快；另外超临界流体的黏度（viscosity）近乎气体，因此其质传阻抗（mass transfer resistance）比翼体小而具有像气体般的渗透力。其气体、液体与超临界流体之间的特性表如表1所示〔5〕。

1.2 超临界流体微细发泡制程原理

超临界流体微细发泡射出成型制程（Microcellular Injection Molding Process），最早由1984 年由麻省理工学院机械系Nam Suh 教授所发展出来，在1993 年MIT授权美国Trexel 公司将技术商品化，Trexel 称将这项微细发泡制程技术称为MuCell制程［1,2］。

微细发泡射出成型制程利用N2 或CO2 具有低超临界压力与温度的本质，以超临界状态注入螺杆中，藉由其扩散性佳的超临界流体扩散效应及螺杆混炼，让超临界流体与熔融塑料混合成均匀单相体，在射出过程中因瞬间高压降导致超临界流体在模内成核而长成均匀微细气泡，塑料经模具冷却固化将气泡包于塑料内，达到微细发泡的效果，如图二所示。

(1) 建立单相溶液均匀成核

在螺杆预塑化的过程中，在超临界流体产生器中将氮气或者二氧化碳加以高压后注入螺杆中与熔胶均匀混合成单一相溶液。

(2) 均匀成核

熔胶注入到模穴时，利用压力降所产生的热力学不稳定性，使其快速地自发性形成相分离，使气体自熔胶中析出，瞬间形成无数个成核点而形成大量微细气泡

(3) 气泡核膨胀成长

成核作用产生后，气体扩散至气泡使其气泡成长，其中压力与温度可用来调节气室成长的条件。

(4) 成型

熔胶注塑到模穴内后经由模具冷却至产品固化。

微细发泡射出成型与传统射出成型相比，微细发泡射出成型主要有以下四个主要经济优势〔2〕：

(1) 成型周期缩短：

使用SCF（超临界流体），能降低塑料约20 ~ 50% 的黏度，加工温度最高也可降低约 60~80 ℃，因黏度下降可使射出压力最高可下降约40%〔3,4〕，锁模力也可下降约60%。

(2) 机台成本降低

微细发泡射出成型制程可以降低射出压力以及锁模力，因此在生产原产品尺寸时射出机可选用较小射出机即可生产。

(3) 替代料选用

当产品肉厚设计较薄时，塑料的选择相当重要，往往需要选用特殊规格高流动性的工程材料，当使用微细发泡射出成型时，因可使塑料黏度降低，因此可选用次规格材料及可生产，降低材料费用。

(4) 降低产品变形

因产品内部均有细小气泡存在，因此能使产品变形量较小以及尺寸安定性高，同时也解决传统射出型在超薄件与大尺寸产品成型上的缺点。

由于Mucell制程可降低塑料黏度、熔胶温度，改善流动性；大幅缩短保压所需时间；熔胶温度降低使塑件所需冷却时间也相对减短，加上热塑性射出件不会有收缩、翘曲、凹陷等不良的问题产生，除了能在动力能源上节省有相当大的帮助，使不良品与劣质品降低，而且稳定性高和快速冷却可缩短成型周期高达10 % ~ 50 %，大幅降低生产成本。

本研究主要以聚丙烯/SWN插入型奈米复合材料做为基材，以氮气（N2）作为发泡剂，以一次一因子实验探讨在不同SWN添加量、超临界流体添加量（SCF）、熔胶温度以及射出速度等制程条件下，讨其制程条件对于拉伸强度的影响。