車用材料輕量化應用：材料世界網

趙英捷、鄭舜文／工研院材化所

塑膠為兼具質輕、易加工、低成本、成型自由度大、技術發展成熟等優點的材料，而射出成型是目前塑膠生產最主要的加工方式之一，其中所使用到的技術－微細發泡射出成型，兼具環保節能、省料、縮短循環周期、降低成本等優點。微細發泡中所使用的流體－超臨界流體，其黏度接近於氣體、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。由於高分子發泡材料具有質量輕、彈性好、緩衝防震等優點，本文探討了超臨界射出發泡應用於車用塑膠輕量化的相關技術發展。

【內文精選】

車用塑膠材料之國際現況

隨著全球汽車市場持續成長，汽車使用金屬材料的比例將下降；反之，塑膠材料使用的比例將持續成長，如圖一所示。塑膠產品易於成型加工，而且經過改質、補強後的塑膠具有優異的耐熱性、耐衝擊性和剛性，以及良好的加工流動性，因此塑膠材料為適合用於許多汽車零件的材料。在1950年代，整部車體中幾乎看不見使用塑膠材料的痕跡，時至今日，車身中使用高達120公斤以上的塑膠材料已算常見，如圖二所示。高性能塑膠具有更好的機械性能、更高的化學穩定性及熱穩定性。如今，高性能塑膠在汽車工業中發揮著重要作用。

傳統射出成型與微細射出發泡成品的成型差異

若使用微細發泡射出成型製程(Mucell^®Molding)，由於泡孔成長代替了射出機保壓階段，所製作出的低應力零件擁有更強的尺寸安定性，而且大幅減少了翹曲，同時也消除了凹痕（圖三）。而透過Moldex 3D^®的模流分析，深入分析微細發泡射出成型製程的細部結構，包括氣泡大小、密度或分布情形，亦能清楚地了解傳統射出發泡與微細發泡在凹痕與翹曲等特性的差異。圖四中可以觀察到經由傳統射出成型所製作的成品表面有明顯凹痕，反之經由微細射出發泡之成品則無；而圖五中經由傳統射出成型之成品的翹曲度也明顯較微細射出發泡之成品來得大。在添加纖維的複材中，微細射出發泡亦能透過泡孔成長來減少流動引起的纖維排向性，如此一來，添加纖維材料的配方在各方向上的機械性質會更顯得一致。

圖四、模流分析 (a)傳統射出成型；(b)微細射出發泡之凹痕差異

射出發泡材料改質技術發展

高階工程塑膠的射出發泡技術目前投入的開發者多屬國際材料大廠，如Rhodia、BASF、UBE等曾在專利上揭露了射出發泡在材料與製程上的技術。射出發泡結合了射出成型與微孔發泡兩種技術，而射出成型在材料端上很重視材料的流動性，因此如何提升材料的流動性在射出成型上是很重要的課題。

未經改質之高分子因熔融強度過低與氣泡包覆度低，導致表面氣爆與氣泡浮出等問題。而複合材料中添加劑會增加超臨界流體的成核現象，導致發泡不均（圖七）。綜合上述缺陷會導致微孔發泡體的物性大幅下降，無法合乎使用需求。因此工研院材料與化工研究所亦開發出物理發泡用尼龍/纖維複合材料，透過有機、無機改質劑的添加，以及結晶速率、溫度的調控，成功克服了耐溫結晶高分子不易發泡等問題。設備方面搭配物理微孔發泡射出系統，可用於傳統塑料及耐高溫工程塑料之發泡；此外，亦架構有Core Back Process來應用於需較高發泡倍率之領域。尼龍材料的改質較常見的手法為擴鏈(Branching)與混合(Blending)，擴鏈主要目的在於提升聚合物之分子量，混合則是藉由具特殊性塑料參與混合達成補強效果。由於尼龍高分子鏈的末端具有少量的-NH₂官能基，適合使用擴鏈方式進行改質，在擴鏈手法上常選擇環氧基(Epoxide)或馬來酸酐(Anhydride)類型的改質劑，環氧基與馬來酸酐官能基皆能與-NH₂官能基進行開環反應達成擴鏈效果（圖八）。

此外，若單純透過擴鏈方式進行改質，則容易有分散不均的狀況，使得進入發泡製程不易得到均勻分布、大小之泡孔，物性因此大幅降低。故本單位亦透過反應押出技術進行尼龍化學改質，並將網狀結構前驅物導入系統，在多官能基擴鏈劑的幫助下形成互穿聚合物網絡(Interpenetrating Polymer Networks)得到均勻分散的系統，再利用雙螺桿押出機來製備尼龍/纖維複合材料（圖九），最後進行發泡加工得到高融熔強度尼龍發泡體…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。