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

二、实验设备与方法

2.1 实验设备与仪器

在本研究中所使用的射出成型机为ARBURG公司的射出成型机，如图三所示(420 C 1000-350，最大射出量177 ccm，最大射压2330 bar，最大射速168 ccm/s)，此射出成型机不仅可以进行传统射出成型，射出成型机所附加的Trexel公司所生产SCF超临界流体产生器如图四所示，可以做超临界流体微细发泡射出。

在这次的研究中我们主要是以氮气作为发泡剂。而材料试验机方面我们使用的是冲击试验机(弘达制造公司出品，机型为HT-9102，如图五)。

2.2 实验材料

实验中所使用的材料为台湾化学纤维股份有限公司所生产的聚丙烯，该型号为K1011，在230℃以及2.16Kg负重的测试条件下其材料熔融指数(Melt Flow Index, MFI)为15，密度为0.9g/cm3，建议熔胶工作温度为200~250℃，建议模具温度为30~50℃，收缩率约为1.4~1.8%。

2.3 机械性质测试

本研究所采用之机械性质试验为拉伸试验，在拉伸强度方面我们采用了符合ASTM D 638-99标准的标准试片，制程参数设定如表二，其中变更参数0~3改变SWN含量比例0、3、6、9 %，变更参数4~6改变SCF含量比例1、1.5、2%，变更参数7~9改变熔胶温度210、220、230℃，变更参数10~12改变射出速度80、100、120ccm/s，并纪录拉伸强度数据值，并取其平均值作比较，数据结果如表二所示。

三、结果与讨论

3.1 SWN含量对拉伸强度的影响 

图六为不同SWN含量对于最大拉伸力量之影响图，从图观察可得知聚丙烯/SWN奈米复合材料之最大抗拉强度会随着SWN含量的提高而增加，但在添加至一定比例后则会下降。其中硅酸盐片层具有成核剂的效果，因此添加适当的SWN有助于促进结晶速率，使结晶形成较小尺寸的结晶形式，使气泡密度提升，因此可以得知3%为较适当添加比例。

3.2 SCF含量对拉伸强度的影响 

图七左图为SCF含量为1%的拉伸试片断面SEM图，图七右图为SCF含量为2%的拉伸试片断面SEM图，从图中可以发现SCF含量为2%的气泡密度明显比1%多，以聚丙烯/SWN奈米复合材料而言，SCF含量愈多时，塑件减重愈大，同时代表内部所含气泡愈多，内部气泡尺寸愈大，密度愈低，故微细发泡聚丙烯/SWN奈米复合材料最大抗拉强度随着SCF含量愈高而有降低的趋势，如图八所示。

3.3 熔胶温度对拉伸强度的影响

图九左图为熔胶温度为210℃的拉伸试片断面SEM图，图九右图为熔胶温度为230℃的拉伸试片断面SEM图，从图中可以发现熔胶温度为230℃的试片，气泡大小明显比210℃还要大，同时气孔结构大都为开孔式结构。以聚丙烯/SWN奈米复合材料而言，熔胶温度的提高有助于SCF溶解度，并且帮助气泡的成长，但熔胶温度的提高则会容易因为黏度下降而使表面张力下降，而使气泡容易形成大气泡或破裂，进而使得密度下降，故微细发泡聚丙烯/SWN奈米复合材料最大抗拉强度随着熔胶温度愈高而有降低的趋势，如图十所示。

3.4 射出速度对拉伸强度的影响

图十一左图为射出速度为80ccm/s的拉伸试片断面SEM图，图十一右图为射出速度为120ccm/s的拉伸试片断面SEM图，从图中可以发现射出速度为120ccm/s的试片，中间区域气泡大小明显比80ccm/s还要大，同时气孔结构大都为开孔式结构；同时靠近侧壁的断面有明显气泡往模壁移动的痕迹。

以聚丙烯/SWN奈米复合材料而言，射出速度的提高会引起高剪切作用，使气泡容易往模壁移动或流失，无法形成稳定气孔；同时射出速度的提高会引起黏度下降，使表面张力下降，近而容易导致气泡破裂；同时高速射出时容易使分子链配向程度增加，使塑件内部存在内应力，导致可承受力量降低，故微细发泡聚丙烯/SWN奈米复合材料最大抗拉强度随着射出速度愈高而有降低的趋势，如图十二所示。

四、结论

本研究探讨聚丙烯/SWN奈米复合材料发泡后其机械性质之特性，并针对SWN含量、SCF含量、熔胶温度及射出速度的改变对于拉伸强度的影响。由实验结果，可以得到以下结论：

1. 添加适当含量的SWN有助于材料改质，同时增加气泡核数目，进而提升拉伸强度；当添加比例超过6%时，因容易使黏土产生团聚效应，因此拉伸强度反而会降低，以聚丙烯/SWN奈米复合材料而言，3%以下的添加比例较为恰当。

2. 随着SCF、熔胶温度以及射出速度的增加，容易使塑件内部产生较大尺寸或较不均匀的气泡，同时产品密度降低，导致拉伸强度会随之降低。

五、参考文献

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