微孔加工視覺化技術回顧：材料世界網

葉樹開／臺灣科技大學材料科學與工程系

在現今社會，高分子發泡材料與我們的生活密不可分，從建築物的地板及家具、汽車內部零件，到鞋業製造及材料包裝，因其具備良好的隔音隔熱、抗衝擊性、輕量化、回彈性及耐磨性等，被廣泛應用在各領域中。然而，高分子的發泡過程，在現今仍舊無詳細的探討，我們只能透過冷卻後的樣品去分析泡孔的型態來回推高分子的發泡行為。而在這方面的研究，全球只有少數的團隊有所著墨，因此本篇會帶著讀者一起回顧高分子發泡的視覺化技術發展歷程。

【內文精選】

前　言

高分子發泡(Foaming)材料一直是高分子材料中極受重視的領域，根據其結構型態，能應用在不同的領域上，例如高度相通的開孔泡（即氣體和固體都有連續相）材料適用於過濾、催化、緩衝、吸音等，而閉孔泡材料則適用於結構應用和熱絕緣上。發泡材料不僅在隔音、減重、絕熱，在生醫、光電、能源、航太材料上也有著極多樣化的用途，如此多樣化的用途使得發泡材料在各領域都能維持長期的成長動能，每年塑膠的消耗量大約有10%是用於製造各種不同的高分子泡材。根據Global Industry Analysts, Inc的產業報告，即便2020年遭遇新冠肺炎的打擊，全球發泡材料市場嚴重衰退15.8%至851億美元，但直至2027年，全球發泡材料市場預計將會從851億美金成長至1,210億美金，維持5.2%的高成長率。因此，每年全球的高分子發泡材料市場成長，即高達50億美金左右，近年來高分子泡材與輕量化研究可說是達到了前所未有的黃金時期。

發泡工藝簡介

發泡共分四個階段：①高分子在高壓CO₂中含浸；②洩壓；③發泡；④冷卻。而依製程又可分為批次發泡、押出發泡和射出發泡。批次發泡的最大好處在於設備便宜，可以避免如連續式發泡過程中有高分子流動問題，特別是高分子在流動的情況下，會發生應力誘導成核效應，流動、洩壓、發泡三者同時發生，會使得連續式加工的成核效應討論更加複雜。對大多數的研究者和發泡業者而言，發泡過程仍然是一個黑盒子，大部分的研究方法集中於改變加工參數，經由操縱不同的加工參數，改變泡孔結構。由於並不了解泡孔實際的成核和成長的動力學過程，也沒有辦法使用模流分析的方式對產品進行優化，對於發泡加工的模擬工作，可以說才剛剛開始。上述提到常見的高分子發泡加工方式有批次發泡、射出發泡及押出發泡，本篇會聚焦於前兩種加工方式，帶領讀者回顧發泡材料視覺化(Visualization)的發展。

發泡視覺化

在1978年，Han等人打造透明的狹縫模頭與模具，直接攝影觀察高分子發泡過程，開始了發泡視覺化研究的先河。直到2000年以後，才有Taki等人以高速攝影機拍攝批次發泡中的泡孔形成過程，設備示意如圖一。依此一技術透過合作轉移至多倫多大學機械系Park教授所主持的Microcellular Plastics Manufacturing Laboratory後有了更多的發展：Guo等人首先建立了視覺化系統，研究不同的含浸壓力和洩壓速率的影響，並觀察PS發泡的表層和中心的成核過程差異；Leung與Wong等人進一步利用此技術，並修正古典成核理論研究了包括泡孔成核、泡孔成長、成核劑、發泡溫度；壓降速率、高分子黏彈性、樣品拉伸或剪切應力下的發泡成核情形。視覺化技術的重要性在於可將發泡過程中的泡體成核與成長過程量化，並且將此資訊與學理的關聯應用於實際加工的過程中進行對照。

圖一、批次發泡視覺化設備圖

由於可見光的觀察有其極限，西班牙Valladoid大學物理系Rodríguez-Pérez等人提出可以使用X光觀察泡孔成長與結構變化，結果如圖六。也可以使用中子散射的方式觀察。Rodríguez-Pérez等人所觀察的主要是PU系統，屬於化學反應性發泡，可以在常壓下觀察泡孔，實驗系統和多倫多大學發展的CO₂高壓/洩壓發泡系統有根本上的不同，在觀察設備上設計較容易。Rodríguez等人實驗觀察的樣品較厚，氣泡在成長過程中會有堆疊的情形，因而發生交互影響，使觀察更為複雜，而多倫多大學團隊使用的觀察樣品厚度僅有200μm，基本上不容易有泡孔堆疊的情形。但建立X光系統的好處是可以實際鑑定發泡樣品之泡孔密度，免去了以二維的影像估計三維空間之泡孔密度的問題。而以上的回顧內容以流程圖列於圖七…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。