超臨界流體在高分子發泡之應用

刊登日期:2017/6/5
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超臨界流體(Supercritical Fluid; SCF)黏度接近於氣體、密度接近於液體,具高質傳效率、低表面張力以及溶解度可隨溫度、壓力調控等特性,因此在工業上已經廣泛應用於食品和醫藥等領域。其中二氧化碳流體其臨界溫度接近室溫,不具毒性,亦不會自燃,來源廣泛且價格不高,加上有效地利用二氧化碳將有助於循環經濟的發展,因此,利用二氧化碳來進行萃取、染色、發泡等是目前熱門發展的工業綠色製程技術。由於高分子發泡材料具有質量輕、彈性好、可撓曲性、緩衝防震、比強度高、隔音、隔熱等優點,在3C家電資訊、汽車產業、建築施工、運輸包裝以及運動器材等產業獲得廣泛應用。

超臨界流體發泡技術
物理發泡劑的發泡理論,可依進入相分離不穩定區的路徑不同而區分為壓力導引相分離(Pressure-Induced Phase Separation; PIPS)、溫度導引相分離(Temperature-Induced Phase Separation; TIPS)以及溶劑導引相分離(Solvent-Induced Phase Separation; SIPS)等三種方法(2)。其中以壓力導引相分離(PIPS)方法最為便利,通常我們將溫度設於略高於軟化溫度(玻璃轉換溫度),並灌入高壓氣體,待溶入高分子內的氣體達平衡後,再急速洩壓,即可獲得高分子發泡材料。使用PIPS製造多孔性高分子材料,根據圖二的相圖有A、B、C三種路徑進入相分離,分別可生成開孔型與封閉型結構之發泡體。

圖二、壓力導引相分離製備多孔性高分子材料路徑示意圖
圖二、
壓力導引相分離製備多孔性高分子材料路徑示意圖

1. 押出微細發泡技術
目前工業發展的押出微細發泡製程技術主要的廠商有Trexel、MuCell Extrusion、PROMIX、KraussMaffei、Sekishui、Sinco、GenPak、Sentinel等公司。其中Trexel和MuCell Extrusion公司為移轉MIT技術,發展MuCell®製程,主要開發PVC、PE、PP、PS等高分子材料微細發泡製程,其製程為採用長徑比35~46倍之單螺桿押出機,具有設備簡單容易操作、較少洩漏點等優勢(表五)。而PROMIX等其他廠商則採用子母螺桿押出機以及雙螺桿作為高分子與超臨界流體的混練元件,雖然設備較為複雜,但可生產高熔點之PET微細發泡製品,且具有高製程穩定性以及可提高產能等特色。圖四為單螺桿以及子母螺桿押出發泡機示意圖,其中單螺桿押出發泡機由於加熱的混練單元以及微細發泡的冷卻單元是在同一支螺桿,因此需要精密的螺桿設計,且其冷熱控制視窗十分窄小,為最大缺點。

2. 射出微細發泡技術
在射出的過程中,超臨界流體同時扮演著發泡劑和塑化劑的角色,並具有下列優點:①降低射出操作溫度;②降低射出壓力;③降低鎖模力;④不需保壓,無收縮問題;⑤冷卻時間短,可降低生產週期。表六是Trexel公司驗證塑膠部件在使用了微細發泡射出製程技術的塑膠產品部件減重情形,圖六則是比較傳統射出製程和微細發泡射出製程之生產週期之差異。

超臨界流體Laden Pellets注塑發泡技術
美國威斯康辛大學的童教授所帶領的研發團隊開發了可製造高發泡倍率、射出成型塑膠部件的新方法。童教授所開發之超臨界流體Laden Pellets注塑發泡技術(Supercritical Fluid Laden Pellets Injection Molding Foaming Technology; SIFT)(圖十三),可將超臨界微發泡技術拓展到使用一般常規的射出機即可實現微細發泡射出塑膠件之生產,並且可改善射出件表面品質的問題(圖十四)。

圖十三、超臨界流體Laden Pellets注塑發泡技術
圖十三、超臨界流體Laden Pellets注塑發泡技術

SIFT技術的另一項優勢為可使用共發泡劑(Co-blowing Agent)。童教授發現當PP/HDPE組成比為75/25,並使用CO2/N2共發泡劑其組成比為80/20時,可獲得超高韌聚烯發泡材料,如圖十五所示。進一步的研究發現…以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。

作者:廖聖茹/工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」366期,更多資料請見下方附檔。


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