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(jí)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(chēng)為微發(fā)泡聚合物。

發(fā)展概述

上世紀(jì)80年代初，美國(guó)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(shí)提高其剛性，并避免對(duì)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(gè)/cm3。微發(fā)泡成型過(guò)程可分成三個(gè)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(guò)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(zhǎng)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(shí)驗(yàn)室的研究，實(shí)際上，這種方法的商業(yè)應(yīng)用早就開(kāi)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(shí)現(xiàn)了微發(fā)泡注塑的商業(yè)化應(yīng)用。據(jù)報(bào)道，Reedy國(guó)際公司也開(kāi)發(fā)了類(lèi)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(bào)道，研究以無(wú)定型和半結(jié)晶型聚合物微發(fā)泡材料的成型過(guò)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(duì)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(guó)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(guó)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(kāi)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(tái)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(lái)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(guó)際塑料博覽會(huì)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(shí)，許多日本、歐洲和韓國(guó)等國(guó)家的公司也一直致力于微發(fā)泡注塑成型工藝的開(kāi)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(gòu)買(mǎi)了這種技術(shù)的專(zhuān)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(shuō)，微發(fā)泡注塑成型技術(shù)正在由單純的理論和實(shí)驗(yàn)研究轉(zhuǎn)向成熟的商品化開(kāi)發(fā)。盡管這個(gè)階段經(jīng)歷了將近20年的時(shí)間，但這種商業(yè)化開(kāi)發(fā)的模式及其成功經(jīng)驗(yàn)預(yù)示著新的加工技術(shù)在今后要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化將變得越來(lái)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(shuō)，這種技術(shù)絕非僅僅是能夠節(jié)約材料那么簡(jiǎn)單，其所帶來(lái)的各種益處將在今后各種應(yīng)用中逐步體現(xiàn)出來(lái)。這種技術(shù)的成功開(kāi)發(fā)，可以說(shuō)是高校和產(chǎn)業(yè)界攜手合作的典范。實(shí)踐證明，只要在一個(gè)經(jīng)過(guò)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(lèi)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(shí)，由于制品內(nèi)部幾乎沒(méi)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(duì)制品壁厚均勻度的要求大大降低，從而為制品設(shè)計(jì)提供了更大的空間。

從理論上說(shuō)，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(chǎng)需求及經(jīng)濟(jì)性等因素，目前美國(guó)、日本等國(guó)家所開(kāi)發(fā)的微發(fā)泡注塑制品主要集中在汽車(chē)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(chē)進(jìn)氣歧管、保險(xiǎn)盒、發(fā)動(dòng)機(jī)罩、電器開(kāi)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(shì)

與常規(guī)注塑成型制品的比較

對(duì)國(guó)外現(xiàn)有采用Trexel公司專(zhuān)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(gòu)買(mǎi)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(guò)四個(gè)方面實(shí)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(shí)注塑制品的下腳料比例降低，設(shè)備的能耗也更低。

2. 對(duì)于相同類(lèi)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(jì)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(guò)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(jià)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(guò)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(gòu)買(mǎi)了微發(fā)泡注塑技術(shù)的專(zhuān)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(jiàn)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(shì)，如對(duì)于大多數(shù)材料包括常用的工程塑料來(lái)說(shuō)，其材料的減少和注塑循環(huán)時(shí)間的降低更加顯著。微發(fā)泡注塑能夠成型同時(shí)具有薄壁和厚壁的結(jié)構(gòu)，制品設(shè)計(jì)方面的靈活性更大。但微發(fā)泡注塑對(duì)于具有大長(zhǎng)厚比的制品和厚壁（大于6毫米）制品方面則沒(méi)有太多優(yōu)勢(shì)。

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(guò)對(duì)模具和制品進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，在厚壁制品的內(nèi)部設(shè)計(jì)空腔實(shí)現(xiàn)氣體輔助注塑。而微發(fā)泡對(duì)于厚壁制品的成型沒(méi)有優(yōu)勢(shì)，而且其制品的表面質(zhì)量也無(wú)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(lái)說(shuō)，微發(fā)泡注塑可能是一個(gè)更好的選擇，能夠更多地降低制品重量，以更短的循環(huán)時(shí)間成型，并且制品翹曲較少，同時(shí)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(lèi)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(shí)也可以降低制品密度。對(duì)于薄壁制品使用化學(xué)發(fā)泡劑會(huì)使表面質(zhì)量劣化，同時(shí)會(huì)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(shì)在于，許多吸熱型的化學(xué)發(fā)泡劑會(huì)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(hào)的不同致使在生產(chǎn)過(guò)程中不得不隨時(shí)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(shù)脂。化學(xué)發(fā)泡劑通常會(huì)在樹(shù)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(shù)脂通常會(huì)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(guò)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(wú)缺，對(duì)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。