SPE-China：新型微发泡注塑成型技术

微孔聚合物泡沫是含有十亿微小气泡的塑料，它们的孔隙直径小于100μm，每单位体积密度大于108 /cm3。第一个商业微发泡注塑成型技术(即Trexel公司的MuCell注塑工艺)于20世纪90年代，以麻州研究所进行的研究为基础被开发出来。在这种原始的最常用的微孔泡沫注塑工艺中，超临界流体(SCF)的泵单元用于加压物理发泡剂(PBA)(氮(N 2)或二氧化碳(CO 2))至超临界压力水平。然后PBA通过一个喷射器阀引入到含熔融聚合物的机筒中。以这种方式，该气体在注射前便溶解到聚合物中。这种泡沫生成工艺的好处是，塑料回收被允许，使得它们的碳消耗减少，原材料的成本降低。由于引入了MuCell技术，不同的微孔发泡技术已经研发成功，并且该方法已在汽车、计算机和家电领域取得了巨大成功。但是，在这些较新的技术中，我们仍然需要使用SCF泵单元(将氮或二氧化碳加压到超临界状态)，它引起了机器和操作成本的不断增加。

在这一研究领域中，尽管毫无根据，但仍存在较强的观念认为微孔泡沫的准备需要超临界CO2或N2，这样的SCFS提供了特殊的性能。与此相反，已经有实验证明，CO2和N2在热塑性聚合物中的溶解度满足亨利定律(即，气体甚至可以在低于临界压力下溶解在聚合物中)。因此，理论上，即使当饱和压力(对应于溶解PBA浓度)比临界压力值低，我们也可以进行物理发泡。但是，不含高压泵系统的注射成型机还没有被开发出来。

在我们的工作中，我们已经开发出一种新的泡沫注射成型的方法(不含SCF泵单元)用于生产微孔泡沫。我们通过将PBA(即，CO 2或N 2)直接从气罐传输到熔融聚合物中来简化注射成型过程。此输送通过一个喷射阀，我们可以通过使用专门设计的操作顺序和螺杆配置来实现。

我们的发泡注射成型装置如图1所示，包括一个通风孔，具有通气容器，在机器的中间。通过该通气孔，多余的PBA气体(即，存在熔融聚合物中的气体残留 PBA)可以从熔融聚合物排出到大气中。相应的，它也可以被用来将PBA气体引入至该熔融聚合物中(当聚合物在PBA中的浓度低于饱和点时)。具体地，我们可以通过调整通气容器内的压力来调整溶解在熔融聚合物中的PBA浓度。我们可以通过排出管线端部的背压调节器来调控通气容器的压力。

N2：氮气。 CO2：二氧化碳。P：压力指示器。 (b)物理发泡剂(PBA)输送系统，它由一个喷射阀和通气容器组成。 以我们的技术制造的芯后泡沫注塑制品的扫描电子显微镜(SEM)图像如图2所示，我们以三个不同的膨胀比制备了这些泡沫(2、3、5)。此外，我们使用了CO2或N2作为PBA，开阀时间为0.2秒的喷射器，压力为5MPa的通气容器以及二次压力为8 MPA的气瓶。这些SEM图像表明，该泡沫体的泡孔尺寸与常规泡沫注射成型方法得到的泡沫体大致相同，甚至更小。因此，我们表明，我们的泡沫注塑机和方法可以成功地用于生产微孔发泡制品。

这些图像从垂直于泡沫体的芯后方向获得。这些泡沫使用了N2或CO2作 PBA，并以2、3、5的膨胀比获得。每个样品的平均泡孔尺寸和发泡温度分别在每个图像的底部和左上角示出。 仅通过从通气孔输送PBA，我们也可以用我们的系统生产微泡沫。聚丙烯注塑制品及其相应的微孔泡沫的一个例子如图3所示，我们通过从通气容器和孔向熔融聚合物中输送空气的方式制备微孔泡沫，同时喷射阀完全关闭。空气由空气压缩机提供，其中，空气被简单地从大气压压缩至4MPa。通过我们的工艺，原始盘形板的大小(直径为100mm，厚度为1mm)扩大到厚度为2mm。此外，该板由于微型气泡反射而呈现出白色。

两个板的直径为100mm。非发泡和发泡产品的厚度分别为1mm和2mm。 总之，我们已经开发出一种新的注射成型系统，无需SCF泵单元即可完成微孔聚合物泡沫的制造。在我们的技术中，我们可以使用非超临界氮气、二氧化碳或压缩空气作为物理发泡剂来生产稳定的微孔泡沫材料。因此，我们已经表明，加压N2或CO 2至超临界状态不是微孔注射成型的必要条件。在我们即将进行的工作中，我们将通过优化螺杆设计和通气容器的PBA传输来改进我们的技术。这将使我们能够以较低的成本轻松地实现现有的注塑成型机向我们的系统设计的转换。

作者信息

Atsushi Yusa

Technology Development Department, Hitachi Maxell, Ltd.

Satoshi Yamamoto

Technology Development Department, Hitachi Maxell, Ltd.

Hideto Goto

Technology Development Department, Hitachi Maxell, Ltd.

Hiromasa Uezono

Injection Molding Machine Division, Japan Steel Works Ltd.

Long Wang

Department of Chemical Engineering, Kyoto University

Shota Ishihara

Department of Chemical Engineering, Kyoto University

Masahiro Ohshima

Department of Chemical Engineering, Kyoto University

Masahiro Ohshima is a professor and the vice dean of the Faculty of Engineering at Kyoto University.参考文献 1，J. Xu, Introduction, Microcellular Injection Molding, pp. 1-11, Wiley, 2010.

2，M. Berry, Microcellular injection molding, Applied Plastic Engineering Handbook, pp. 215-226, Elsevier, 2011.

3，Y. Sato, K. Fujiwara, T. Takikawa, Sumarno, S. Takishima and H. Masuoka, Solubilities and diffusion coefficients of carbon dioxide and nitrogen in polypropylene, high-density polyethylene, and polystyrene under high pressures and temperatures, Fluid Phase Equilibria 162, pp. 261-276, 1999.

4，Y. Sato, T. Takikawa, S. Takishima and H. Masuoka, Solubilities and diffusion coefficients of carbon dioxide in poly(vinyl acetate) and polystyrene, J. Supercrit. Fluids 19, pp. 187-198, 2001.

5，A. Yusa, S. Yamamoto, H. Goto, H. Uezono, F. Asaoka, L. Wang, M. Ando, S. Ishihara and M. Ohshima,A new microcellular foam injection-molding technology using non-supercritical fluid physical blowing agents, Polym. Eng. Sci., 2016.

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