微發泡注塑成型技術在基本保證制品性能不降低的基礎上，能夠明顯減輕制件重量，并具有內應力小、不易產生表面缺陷、對壁厚差別較大的制品具有特殊成型優越性的特點。其與常規注塑、結構發泡注塑、化學發泡注塑以及氣輔注塑相比擬在多個方面都獨具劣勢，成為近年來注塑技術發展的一個重要方面。
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（PVC助劑）由于其孔徑較大，通常不屬于這一范疇，與一般泡沫塑料（PVC助劑）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（臺塑MBS）麻省理工學院（MIT）首先提出微發泡塑料（PVC助劑）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；由于氣體均衡濃度的降低，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，這種辦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波及微發泡擠出、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（臺塑MBS）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（PVC助劑）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寬泛的認可，許多世界出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等出名公司和企業（ACR）。能夠說，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。盡管這個階段經驗了將近20年的工夫，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。正如微發泡技術的開創人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略，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，能夠說是高校和產業界攜手合作的榜樣。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能夠得到很康復的克制。而且，由于能有效地避免收縮痕，因此對制品壁厚平均度的要求大大降低，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（PVC助劑）制品和一局部結構性塑料（PVC助劑）制品都能夠采用微發泡注塑成型工藝制備。但考慮到市場（MBS）需求及經濟（PVC穩定劑）性等因素，目前美國（臺塑MBS）、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、動員機罩、電器開關、電器控制模塊、薄壁容器、醫用注射器等。
特點及劣勢
與常規注塑成型制品的比擬
對國外現有采用Trexel公司專利的微發泡注塑成型機進行剖析及相關的數據比擬能夠看出，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老本可降低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%，從而降低了加工老本。同時注塑制品的下腳料比例降低，設備的能耗也更低。
2. 對于雷同類型的制品，微發泡注塑工藝能夠使用更小和更少的機器，模具（羅門哈斯）老本更低，從而降低投資老本。
3. 由于微發泡注塑制品的密度降低，能夠設計具有更薄壁結構的制品，降低制品的材料老本。
4. 由于減少或打消了常規模塑在合模和保壓過程中產生的模內應力，因此微發泡注塑能夠制備更平、更直和尺寸精度更高的制品，從而為制品的品質和價格（霍尼韋爾）提升提供了更大空間。
與其他注塑成型工藝的比擬
許多其他的注塑成型工藝過程也使用或波及氣體或發泡劑，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。
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。其制品的重量減輕能夠達到10%或更多。微發泡注塑在某些方面比結構發泡注塑更有劣勢，如對于大多數材料包括常用的工程塑料（PVC助劑）來說，其材料的減少和注塑循環工夫的降低更加顯著。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劣勢。
微發泡注塑與氣體輔助注塑
氣體輔助注塑能夠成型表面質量非常高的制品，通過對模具（羅門哈斯）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劣勢，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打消制品的收縮痕，因此從這方面來說，微發泡注塑可能是一個更康復的選擇，能夠更多地降低制品重量，以更短的循環工夫成型，并且制品翹曲較少，同時也能夠打消收縮痕。
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打消收縮痕，同時也能夠降低制品密度。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（PVC穩定劑）性角度出發，化學發泡不能夠大幅度降低密度。
而微發泡注塑的劣勢在于，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避免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（羅門哈斯）排氣孔梗塞。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謹慎。
微發泡注塑成型技術發展簡介
2019-01-24 13:08
