微發(fā)泡聚合物材料是指以聚合物材料為基體，其中含有泡孔尺寸從小于一微米到幾十微米的多孔聚合物材料。常規(guī)的物理或化學(xué)發(fā)泡法制備的泡沫塑料由于其孔徑較大，通常不屬于這一范疇，與一般泡沫塑料毫米級的泡孔相比，微發(fā)泡聚合物的泡孔要小得多，而泡孔密度要大得多，因而稱為微發(fā)泡聚合物。

發(fā)展概述

上世紀(jì)80年代初，美國麻省理工學(xué)院（MIT）首先提出微發(fā)泡塑料的概念并發(fā)展了相應(yīng)的成型技術(shù)。提出該概念是希望在聚合物基體中引入大量比聚合物原已存在的缺陷尺度更小的空隙，從而在減少材料用量的同時提高其剛性，并避免對強(qiáng)度等性能造成明顯的影響。這種工藝制備的微發(fā)泡材料孔徑一般小于10微米，尤其突出的是泡孔密度非常高，達(dá)到109-1015個/cm3。微發(fā)泡成型過程可分成三個階段，首先是將超臨界流體（主要是二氧化碳和氮?dú)猓┤芙獾骄酆衔镏?，并形成聚合?氣體的單相溶液；然后，通過溫度或壓力等條件引發(fā)體系的熱力學(xué)不穩(wěn)定性，使得氣體在溶液中的溶解度下降；由于氣體平衡濃度的降低，從而在聚合物基體中形成大量的氣泡核，然后逐漸長大生成微小的孔洞。

許多人認(rèn)為超臨界流體應(yīng)用于聚合物加工只是處于實驗室的研究，實際上，這種方法的商業(yè)應(yīng)用早就開始了。20世紀(jì)50年代始，超臨界乙烯就已用于大規(guī)模制造低密度聚乙烯。進(jìn)入21世紀(jì)，Trexel公司與MIT合作，首先利用這種技術(shù)實現(xiàn)了微發(fā)泡注塑的商業(yè)化應(yīng)用。據(jù)報道，Reedy國際公司也開發(fā)了類似的擠出微發(fā)泡裝置。

關(guān)于聚合物微發(fā)泡成型技術(shù)已有大量的文獻(xiàn)報道，研究以無定型和半結(jié)晶型聚合物微發(fā)泡材料的成型過程為主，如聚氯乙烯（PVC）、聚苯乙烯（PS）、聚碳酸酯（PC）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）和聚碸（Polysulfone）等。加工技術(shù)方面的研究主要涉及微發(fā)泡擠出、微發(fā)泡注塑、微發(fā)泡吹塑及旋轉(zhuǎn)模塑等。從事微發(fā)泡技術(shù)研究并取得較顯著研究成果的單位主要有美國的麻省理工學(xué)院、威斯康辛—邁迪遜大學(xué)、佐治亞理工大學(xué)、加拿大的多倫多大學(xué)、德國的GKSS 研究中心、荷蘭的特文特大學(xué)等。

發(fā)展現(xiàn)狀

1997年，在與MIT合作的基礎(chǔ)上，Trexel公司率先開始了微發(fā)泡注塑成型技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化研究。其第一臺用于研究的注塑機(jī)是Engel的150噸螺桿和活塞式注塑機(jī)，后來采用了往復(fù)螺桿式注塑機(jī)。直到2000年，Trexel公司在芝加哥的國際塑料博覽會上首次推出其微發(fā)泡注塑成型機(jī)的商業(yè)產(chǎn)品。與此同時，許多日本、歐洲和韓國等國家的公司也一直致力于微發(fā)泡注塑成型工藝的開發(fā)。目前以Trexel公司的Mucell®為代表的超臨界流體制備聚合物微發(fā)泡材料技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛的認(rèn)可，許多世界知名的設(shè)備和原料廠商都購買了這種技術(shù)的專利使用權(quán)，包括Arbug、Demag、Engel、Milacron、Husky、Krauss Maffei、Battenfeld、Dupont、JSW、Toshiba等知名公司和企業(yè)?？梢哉f，微發(fā)泡注塑成型技術(shù)正在由單純的理論和實驗研究轉(zhuǎn)向成熟的商品化開發(fā)。盡管這個階段經(jīng)歷了將近20年的時間，但這種商業(yè)化開發(fā)的模式及其成功經(jīng)驗預(yù)示著新的加工技術(shù)在今后要實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化將變得越來越容易。正如微發(fā)泡技術(shù)的創(chuàng)始人MIT的Nam P. Suh教授所說，這種技術(shù)絕非僅僅是能夠節(jié)約材料那么簡單，其所帶來的各種益處將在今后各種應(yīng)用中逐步體現(xiàn)出來。這種技術(shù)的成功開發(fā)，可以說是高校和產(chǎn)業(yè)界攜手合作的典范。實踐證明，只要在一個經(jīng)過嚴(yán)格論證的框架下進(jìn)行合作，研究單位和產(chǎn)業(yè)界都能夠從類似這樣的合作中獲益。

微發(fā)泡注塑成型制品的主要特點(diǎn)是在基本保持制品原有力學(xué)性能的基礎(chǔ)上減輕重量。同時，由于制品內(nèi)部幾乎沒有任何殘馀應(yīng)力，因此制品的翹曲和變形可以得到很好的抑制。而且，由于能有效地防止收縮痕，因此對制品壁厚均勻度的要求大大降低，從而為制品設(shè)計提供了更大的空間。

從理論上說，幾乎目前所有的非結(jié)構(gòu)性塑料制品和一部分結(jié)構(gòu)性塑料制品都可以采用微發(fā)泡注塑成型工藝制備。但考慮到市場需求及經(jīng)濟(jì)性等因素，目前美國、日本等國家所開發(fā)的微發(fā)泡注塑制品主要集中在汽車及內(nèi)部裝飾材料、電子電器產(chǎn)品、醫(yī)用產(chǎn)品等領(lǐng)域，如汽車進(jìn)氣歧管、保險盒、發(fā)動機(jī)罩、電器開關(guān)、電器控制模塊、薄壁容器、醫(yī)用注射器等。

特點(diǎn)及優(yōu)勢

與常規(guī)注塑成型制品的比較

對國外現(xiàn)有采用Trexel公司專利的微發(fā)泡注塑成型機(jī)進(jìn)行分析及相關(guān)的數(shù)據(jù)比較可以看出，與常規(guī)的模塑制品相比，除去購買許可證和增加設(shè)備的投資以外，微發(fā)泡模塑制品的平均成本可降低16%-20%。而這主要通過四個方面實現(xiàn)：

1. 微發(fā)泡注塑循環(huán)周期可減少50%，從而降低了加工成本。同時注塑制品的下腳料比例降低，設(shè)備的能耗也更低。

2. 對于相同類型的制品，微發(fā)泡注塑工藝可以使用更小和更少的機(jī)器，模具成本更低，從而降低投資成本。

3. 由于微發(fā)泡注塑制品的密度降低，可以設(shè)計具有更薄壁結(jié)構(gòu)的制品，降低制品的材料成本。

4. 由于減少或消除了常規(guī)模塑在合模和保壓過程中產(chǎn)生的模內(nèi)應(yīng)力，因此微發(fā)泡注塑可以制備更平、更直和尺寸精度更高的制品，從而為制品的品質(zhì)和價格提升提供了更大空間。

與其他注塑成型工藝的比較

許多其他的注塑成型工藝過程也使用或涉及氣體或發(fā)泡劑，這些工藝主要有：結(jié)構(gòu)發(fā)泡注塑、氣體輔助注塑和化學(xué)發(fā)泡成型。


許多世界知名的設(shè)備廠商都購買了微發(fā)泡注塑技術(shù)的專利使用權(quán)（相片提供 Photo Courtesy: JSW）

微發(fā)泡注塑與結(jié)構(gòu)發(fā)泡注塑

結(jié)構(gòu)發(fā)泡注塑通常用于成型較大的制品，最常見的是采用特殊的低壓注塑機(jī)加工高密度聚乙烯（HDPE）原料。其制品的重量減輕可以達(dá)到10%或更多。微發(fā)泡注塑在某些方面比結(jié)構(gòu)發(fā)泡注塑更有優(yōu)勢，如對于大多數(shù)材料包括常用的工程塑料來說，其材料的減少和注塑循環(huán)時間的降低更加顯著。微發(fā)泡注塑能夠成型同時具有薄壁和厚壁的結(jié)構(gòu)，制品設(shè)計方面的靈活性更大。但微發(fā)泡注塑對于具有大長厚比的制品和厚壁（大于6毫米）制品方面則沒有太多優(yōu)勢。

微發(fā)泡注塑與氣體輔助注塑

氣體輔助注塑可以成型表面質(zhì)量非常高的制品，通過對模具和制品進(jìn)行特殊設(shè)計，在厚壁制品的內(nèi)部設(shè)計空腔實現(xiàn)氣體輔助注塑。而微發(fā)泡對于厚壁制品的成型沒有優(yōu)勢，而且其制品的表面質(zhì)量也無法達(dá)到非常完善。

但氣體輔助注塑通常只用于消除制品的收縮痕，因此從這方面來說，微發(fā)泡注塑可能是一個更好的選擇，能夠更多地降低制品重量，以更短的循環(huán)時間成型，并且制品翹曲較少，同時也能夠消除收縮痕。

微發(fā)泡注塑與化學(xué)發(fā)泡成型

化學(xué)發(fā)泡劑在特定的溫度下分解而產(chǎn)生氣體發(fā)泡劑。不同類型的發(fā)泡劑適用于不同溫度下分解發(fā)泡。其通常用于厚壁制品成型以消除收縮痕，同時也可以降低制品密度。對于薄壁制品使用化學(xué)發(fā)泡劑會使表面質(zhì)量劣化，同時會顯著降低其力學(xué)性能。而且，從經(jīng)濟(jì)性角度出發(fā)，化學(xué)發(fā)泡不能夠大幅度降低密度。

而微發(fā)泡注塑的優(yōu)勢在于，許多吸熱型的化學(xué)發(fā)泡劑會生成水（也產(chǎn)生CO2氣體），因此需要添加吸水劑以防止由于水的存在而造成聚合物熔體的降解現(xiàn)象。氣體發(fā)泡劑生產(chǎn)批號的不同致使在生產(chǎn)過程中不得不隨時調(diào)整生產(chǎn)工藝。另外，由于化學(xué)發(fā)泡劑本質(zhì)上的熱穩(wěn)定性不佳，因而很難用于加工高溫型樹脂?；瘜W(xué)發(fā)泡劑通常會在樹脂中有所殘留，或產(chǎn)生副產(chǎn)品。帶有副產(chǎn)品或未分解化學(xué)發(fā)泡劑的樹脂通常會使制品耐老化性能降低，并可能導(dǎo)致模具排氣孔堵塞。而且，其加工過程中產(chǎn)生的下腳料很難就地回收使用。

當(dāng)然，微發(fā)泡注塑成型技術(shù)也并非完美無缺，對于要求透明性強(qiáng)和表面質(zhì)量非常高的制品，采用微發(fā)泡注塑成型技術(shù)需要更加慎重。