趙英捷、鄭舜文／工研院材化所
發泡材具有高回彈、低密度及技術發展成熟等優點，一直受到相當之注目，同時因為全球對生活品質的重視度提升以及產業訴求從輕量化達到環保目標，因此發泡材在建築、居家、醫療、航空及運動等領域的應用成長大幅提升，其中又以體育相關產業成長幅度最高。過往使用大量不可回收之發泡材，如交聯PU與交聯EVA等，因應全球的限塑政策與循環經濟訴求，都需轉向尋找可回收再利用、可降解或水溶性及可持續發展使用之可再生資源。超臨界流體發泡能有效地利用在熱塑性彈性體賦予其優越的發泡後特性，本文探討了超臨界發泡製程的相關技術發展。
【內文精選】
發泡市場簡介
根據MarketWatch的發泡市場統計指出（圖一），全球發泡市值在2018年已經達到1,184億美元，其中建築占有最高的市值占比，然而在2018年中，成長最多則是體育相關的應用。而在整體發泡領域中，PU發泡占有最高的市占率達52%、其次依序為PS發泡22%、乙烯基11%、PO發泡7%、其他占8%。未來五年的複合年增率(Compound Annual Growth Rate; CAGR)約5~8%。在全球的市場需求中，亞洲目前占整體市場最高達42%，其中中國是近年增長最快的地區且未來三年內也仍是主要發展地區。MarketWatch指出，過往通用之發泡材CAGR約3.3%，但近年因應人們對生活品質的重視度提升、訴求高效能之產品應用，以及產業訴求從輕量化達到環保目標，發泡產業的CAGR一直在上修，尤其是高效能之發泡材複合年增率約達9.5%。
圖一、全球發泡市場占比
發泡製程
在高分子的發泡加工中，藉由氣泡的生產機制可分為兩大類：化學發泡及物理發泡(Physical Foaming)。其原理皆是藉由將發泡劑與高分子共混成均一相後，再藉由溫度或壓力的變化使其轉換至氣態，藉此膨脹高分子的體積達到發泡，如圖二所示。然而其最大的不同是，化學發泡劑是將高分子熔融塑化後與固態的化學發泡劑共混達到均一相後再藉由溫度的變化達到發泡；物理發泡則較為複雜，物理發泡是藉由溫度與壓力的調控來壓縮物理發泡劑，將其體積縮小後與高分子熔融混合，其需要較長的時間來共混達到均一相，才能達到均勻的發泡體結構。也因此物理發泡在發展歷史較晚才受注目。由圖二之流程示意可以發現，要達到均勻的發泡結構最重要的是讓發泡劑與高分子兩相達到好的混合，以及最終發泡成型的定型。其後將依序針對達到高倍率發泡之發泡劑、發泡機制與發泡製程技術來深入介紹。
圖二、化學發泡與物理發泡之流程示意圖
2. 物理發泡
物理發泡發展歷史最早是在1940年時利用一氟三氯甲烷(Trichlorofluoromethane, CFC-11)與二氟二氯甲烷(Dichlorodifluoromethane, CFC-12)，因其不可燃且不易爆炸以及氣體導熱係數極低不易導致高分子熱損失之緣故，在當時相當受到重視。然而其對臭氧層會造成損耗作用，對臭氧的破壞極為嚴重，因此當時所訂定之臭氧破壞潛勢(Ozone Depletion Potential; ODP)將其定義為1.0；同時在1987年《蒙特婁議定書》中將其列入禁用名單；美國也已在1995年停用一氟三氯甲烷。其後也發展出很多延伸之氯氟碳化合物來避免對臭氧層之破壞。隨著多年的演進以及全球暖化與環保訴求…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
★本文節錄自《工業材料》雜誌407期，更多資料請見下方附檔。