高彈性發泡材料(下)

 

刊登日期:2020/12/5
  • 字級

趙英捷、鄭舜文/工研院材化所
【內文精選】
超臨界發泡製程技術
2. 批次高壓釜珠粒發泡
珠粒發泡技術是唯一可以生產具有超低密度之三維形狀發泡材的工藝,然而常規的珠粒發泡製程仍使用正丁烷及正戊烷等碳氫化合物來發泡,具有產率和安全性之限制。因此多倫多大學之Richard E. K. Lee博士便利用批次高壓釜來進行PS珠粒的發泡並能有效地控制其發泡倍率(圖九),其後更藉由熱蒸氣來軟化PS泡珠進行黏合,其流程如圖十所示。目前此製程已被廣泛應用,其最常見的便為利用EPS製成之保麗龍保溫盒。
 
工研院材料與化工研究所也改良了現有批次高壓釜發泡的洩壓與加熱之問題,開發了TPU泡珠的發泡與黏合設備,利用自有的發泡設備已能達到:密度<0.179 g/cm3、回彈性65%、硬度45 Shore C、撕裂強度>7 N/mm、壓縮歪<35%且生產能力能達到~4.4 kg/hr。泡珠發泡與黏合成品如圖十一所示。
 
圖十一、TPU泡珠發泡與黏合成品
圖十一、TPU泡珠發泡與黏合成品
 
4. 超臨界射出製程
超臨界射出發泡的流程可用簡單的各步驟描述:①首先熱塑性的高分子需在射出螺桿的前端加熱到熔融態,降低其黏度後加入超臨界流體達到兩相混合,接著藉由螺桿的輸送與超臨界流體會合,當超臨界流體與塑料箱混合後,須藉由特殊的螺桿設計使其分散均勻;②之後再由螺桿末端射出並注射至模具中,注滿模具後先恆溫壓力並施加保壓;③最後藉由移動模具型腔來擴張模具內體積,同時降壓讓超臨界流體轉換成氣體產生體積膨脹後,最終再降溫使材料冷卻定型,如圖十四、圖十五所示。
 
圖十五、超臨界射出發泡製得高倍率發泡之流程
圖十五、超臨界射出發泡製得高倍率發泡之流程
 
5. 工研院材化所材料改質
超臨界發泡製程中現有材料之問題仍待解決。超臨界發泡有別於其他發泡製程,在SCF開始氣化時需要較高的熔體強度。因此我們藉由擴鏈反應增加材料的熔體強度,同時在高分子型擴鏈劑的篩選上,選擇具反應性的結構與增加惰性氣體吸附量且側鏈具有龐大官能基可增加鏈之間立體障礙的擴鏈劑。另一方面,降低彈性體材料之間的材料表面張力與增強超臨界流體的溶解度,並藉由發泡製程動力學的控制可以有效地掌握氣泡的成核,結果如圖十六與表二所示。
 
高彈性發泡材料在國際之現況
根據Grand View Research統計資料顯示,2018年全球製鞋業的價值達到5,000億美元, 全球鞋業總產能中運動鞋已達到20%,市場目前仍在快速增長(CAGR≧8%)。Hoogkamer等人在2016年時就發表研究發現,運動鞋每增加100 g的重量,跑者就會多耗費1%的體能,在比賽中就可能增加1%以上的時間。相關研究與需求帶動了輕量化與高彈性發泡鞋中底的市場成長,尤其兩大品牌鞋廠也都開發有別於過往交聯EVA發泡的製程,利用高回彈之熱塑性彈性體(Thermoplastic Elastomer)開發了高功能性之運動鞋。adidas與BASF合作開發類似過往保麗龍製程,把熱塑性聚氨酯彈性體(TPU)發泡成珠粒後,將高分子發泡珠粒藉由熱熔黏合成型(Infinergy®),藉由TPU原料之高回彈特性以及Infinergy®製程,能達到過往EVA發泡的兩倍回彈率(圖十七(a))。Nike推出高彈性產品,利用聚醯胺彈性體(TPAE)結合ZoomX發泡…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》408期,更多資料請見下方附檔。
相關閱讀:高彈性發泡材料(上)

分享