塑料微发泡技术及应用
彭玉成 国明成
微发泡技术的研究始于20世纪80年代,是美国麻省理工学院(MIT)
的J.E.Martini和N.P.Suh等人首先提出的,并界定泡孔密度在109～
1015cells/cm3、泡孔直径在0.1～10μm之间的泡沫塑料为微发泡塑
料。
微发泡塑料不仅保持了普通泡沫塑料质轻、省料、能吸收冲击载
荷、隔热、隔音、比强度高等优点,而且由于泡孔尺寸小、数量多,当
泡孔尺寸小于材料内部缺陷尺寸时,可阻止裂纹扩展,从而有效改善泡
沫塑料的力学性能。与普通泡沫塑料相比,微发泡塑料疲劳寿命可延
长5倍,断裂韧性提高近4倍,冲击强度可提高6～7倍,而且热稳定性
高、介电常数小、热传导性更低。基于以上优点,微发泡材料已经成
为具有极高应用价值的新材料,应用也正不断扩展到各个行业。
研究进展
微发泡技术的核心在于瞬间的大量气泡成核,最初研究也主要集
中在气泡成核过程。Suh、Youn和Colton等人借鉴化学工程中气液
两相分离时气泡成核的知识,建立了微发泡技术的经典成核理论——
聚合物熔体气泡成核的均相、异向成核理论。在此基础上,很多学者
结合实验结果对经典成核理论进行了修正,考虑了诸如气体过饱和
度、自由体积等因素的影响。这些成果为不同微发泡工艺奠定了理论
基础。
微发泡技术有多种划分方式。按发泡剂,分为物理发泡法(如超临
界流体(SCFs)CO2、N2)和化学发泡法(如AC);按成核添加剂,分为均
相成核法和异向成核法;按加工工艺,分为间歇式发泡、连续挤出发泡
和注射发泡法等。由于间歇式发泡效率低,注射发泡工艺复杂,目前研
究更侧重挤出发泡。
近来,许多学者陆续对影响挤出微发泡过程的各种工艺参数(如温
度、机头压力、机头结构等)进行了系统研究,取得了不少很有价值的
结论,如温度对泡孔结构的影响,机头压力、压力降速率对气泡成核速
率的影响等等。另外,大量实验表明,剪切效应对气泡成核也有显著的
影响,剪切效应对微发泡过程中气泡成核的促进作用方面,近期也有较
多文献报道。
应 用
在实验室研究的基础上,MIT将成果转移给Trexel聚合物技术公
司（以下简称Trexel),并将其微发泡技术注册为MuCell。Trexel也
是目前世界上最具权威性的微发泡技术企业，涉及领域包括挤出、注
塑和吹塑成型等,已经申请2000多项专利,与全球十几家著名材料加
工设备公司(如Krass Maffei、Uniloy-Milacron、 Engel、 Husky、
Arburg、Alusisse Composite及Mar-Lee等)进行了合作开发。
超临界流体微发泡加工技术中,制品及加工过程的专利申请主要
集中在亚洲、欧洲和北美洲,这些地区也是Trexel的主要技术授权地
区。一些专利技术产品也已商业化，如闭孔微发泡材料及其加工方法、
热塑性树脂超临界流体微发泡技术以及超微孔泡沫材料。
目前,微发泡技术的研究重点有:PP、HDPE、PS、硬PVC和热塑性
弹性体的挤出微发泡,尼龙、PC/ABS、PBT、耐高温工程树脂(如聚砜
PSF、聚醚醚酮)、PP、TPE的注射微发泡,HDPE的吹塑微发泡。
1.挤出微发泡技术
挤出微发泡技术的应用领域很多,如包装、通讯、汽车、电子、
日用消费品、办公设备、建筑工业等,特别是异型材、片材、管材等。
挤出微发泡技术的主要优势在于材料成本显著降低;制品重量
轻、综合物理性能优异;生产效率高;使用SCFs发泡时,无毒、不可燃,
无分解残留物等。据Trexel介绍,微发泡PVC异型材重量减轻25%;
微发泡PP、HDPE片材密度降低40%;微发泡HDPE管材的重量降低26%。
挤出微发泡工艺一般要经历气熔均相体系的形成、气泡成核、气
泡长大及固化定型等4个阶段。为了达到微发泡材料在泡孔尺寸及泡
孔密度方面的要求,必须在成核阶段成核出高于普通泡沫塑料几个数
量级的大量气泡核,这对机头成核元件的设计提出了更高的要求。
设备方面,实现微发泡挤出的基本设备首先必须能够实现上述4
个基本步骤。为此，挤出设备需作如下改进:若使用SCFs发泡,则需
配置SCFs计量系统;特殊设计的超临界流体注入装置,促使超临界流
体在熔体中快速溶解；配合SCFs的计量与注入装置,对机筒结构加以
改进;特殊设计的螺杆,以促进气熔均相体系形成;特殊设计的机头,以
实现对大量气泡瞬间成核及泡孔结构的控制。
2.注射微发泡技术
注射微发泡制品领域也相当广泛,诸如汽车零部件、医疗设备、
日用消费品、电子、食品包装、建筑结构部件、电器接插件等。采用
超临界流体的注射加工时熔体粘度低、熔体及模具温度低,因而注射
成型周期缩短、原材料消耗降低、所需注射压力及锁模力减小。另外,
在注射成型薄壁制品及常规发泡方法不能加工的材料方面,注射微发
泡技术具有明显优势。
据Trexel提供的数据,加入超临界流体后,材料粘度最多可降低
60%,加工温度降低约78℃,注射压力降低30%～50%，锁模吨位降低
30%～80%，制品重量减轻,表面沉陷、翘曲变形得以消除。而且,锁模
吨位降低后,许多原由大型机成型的制品可以在小型机成型。
与挤出微发泡过程类似,注射微发泡过程同样需要经历4个阶段,
即:SCFs(CO2或N2)注入聚合物熔体,混合形成均相体系;快速释压或
加热产生大量成核点;软件和硬件协同,精密控制气泡膨胀过程;通过
模具的精密加工实现泡孔及制品的固化定型。
对普通注射装置的改进与微发泡挤出装置类似。此外,机筒上需
设置2～3个超临界流体注入口,螺杆回退时,超临界流体自动从下游
注入口切换到上游注入口,以保证气熔体系充分塑化混合。
尼龙、聚碳酸酯（PC)、PP、PC/ABS、PS、聚甲醛、PE、耐高温
热塑性树脂(如聚砜PSF)、热塑性弹性体等均可用于注射微发泡成
型。
此外,微发泡技术在嵌件注塑成型方面具有显著优势,相对于实芯
注塑件,除了质轻、省料、成型周期短外,微发泡嵌件注塑最突出的优
势是能够保证复杂制品的精度及尺寸稳定性、减小制品不均匀收缩造
成的翘曲变形,从而提高制品合格率、缩短装配时间。
国内现状
目前国内微发泡技术的应用还处于起步阶段,应用范围较窄。中
科院、华南理工大学、北京化工大学等对这一技术进行了研究,并试
着产业化,但是技术仍然不够成熟,特别是应用价值较高的注射微发泡
技术,大规模产业化条件尚未形成。
目前,相对成熟的微发泡应用主要是利用硬PVC,采用三层共挤内
外表面结皮、芯层微发泡工艺生产微发泡管材,以及内部有微孔、表
面快速冷却结皮生产硬PVC微发泡板材等。
结 语
微发泡技术作为一项新兴技术，应用潜力相当巨大，产品已用于
车、船、飞机、建筑、电器、日用品等多个领域。随着基础研究的深
入及工业化的发展，相信这一技术的优势会更加突显，更多工程实际
问题也将得到解决。