?微孔聚合物泡沫是含有十億微小氣泡的塑料，它們的孔隙直徑小于100μm，每單位體積密度大于108 /cm3。第一個(gè)商業(yè)微發(fā)泡注塑成型技術(shù)（即Trexel公司的MuCell注塑工藝）于20世紀(jì)90年代，以麻州研究所進(jìn)行的研究為基礎(chǔ)被開(kāi)發(fā)出來(lái)。在這種原始的最常用的微孔泡沫注塑工藝中，超臨界流體（SCF）的泵單元用于加壓物理發(fā)泡劑（PBA）（氮（N 2）或二氧化碳（CO 2））至超臨界壓力水平。然后PBA通過(guò)一個(gè)噴射器閥引入到含熔融聚合物的機(jī)筒中。以這種方式，該氣體在注射前便溶解到聚合物中。這種泡沫生成工藝的好處是，塑料回收被允許，使得它們的碳消耗減少，原材料的成本降低。由于引入了MuCell技術(shù)，不同的微孔發(fā)泡技術(shù)已經(jīng)研發(fā)成功，并且該方法已在汽車、計(jì)算機(jī)和家電領(lǐng)域取得了巨大成功。但是，在這些較新的技術(shù)中，我們?nèi)匀恍枰褂肧CF泵單元（將氮或二氧化碳加壓到超臨界狀態(tài)），它引起了機(jī)器和操作成本的不斷增加。
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在這一研究領(lǐng)域中，盡管毫無(wú)根據(jù)，但仍存在較強(qiáng)的觀念認(rèn)為微孔泡沫的準(zhǔn)備需要超臨界CO2或N2，這樣的SCFS提供了特殊的性能。與此相反，已經(jīng)有實(shí)驗(yàn)證明，CO2和N2在熱塑性聚合物中的溶解度滿足亨利定律（即，氣體甚至可以在低于臨界壓力下溶解在聚合物中）。因此，理論上，即使當(dāng)飽和壓力（對(duì)應(yīng)于溶解PBA濃度）比臨界壓力值低，我們也可以進(jìn)行物理發(fā)泡。但是，不含高壓泵系統(tǒng)的注射成型機(jī)還沒(méi)有被開(kāi)發(fā)出來(lái)。
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在我們的工作中，我們已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種新的泡沫注射成型的方法（不含SCF泵單元）用于生產(chǎn)微孔泡沫。我們通過(guò)將PBA（即，CO 2或N 2）直接從氣罐傳輸?shù)饺廴诰酆衔镏衼?lái)簡(jiǎn)化注射成型過(guò)程。此輸送通過(guò)一個(gè)噴射閥，我們可以通過(guò)使用專門設(shè)計(jì)的操作順序和螺桿配置來(lái)實(shí)現(xiàn)。
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我們的發(fā)泡注射成型裝置如圖1所示，包括一個(gè)通風(fēng)孔，具有通氣容器，在機(jī)器的中間。通過(guò)該通氣孔，多余的PBA氣體（即，存在熔融聚合物中的氣體殘留PBA）可以從熔融聚合物排出到大氣中。相應(yīng)的，它也可以被用來(lái)將PBA氣體引入至該熔融聚合物中（當(dāng)聚合物在PBA中的濃度低于飽和點(diǎn)時(shí)）。具體地，我們可以通過(guò)調(diào)整通氣容器內(nèi)的壓力來(lái)調(diào)整溶解在熔融聚合物中的PBA濃度。我們可以通過(guò)排出管線端部的背壓調(diào)節(jié)器來(lái)調(diào)控通氣容器的壓力。
圖1 ?（a）新型泡沫注塑機(jī)示意圖（不含超臨界流體泵單元）。 N2：氮?dú)狻?CO2：二氧化碳。P：壓力指示器。 （b）物理發(fā)泡劑（PBA）輸送系統(tǒng)，它由一個(gè)噴射閥和通氣容器組成。
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以我們的技術(shù)制造的芯后泡沫注塑制品的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像如圖2所示，我們以三個(gè)不同的膨脹比制備了這些泡沫（2、3、5）。此外，我們使用了CO2或N2作為PBA，開(kāi)閥時(shí)間為0.2秒的噴射器，壓力為5MPa的通氣容器以及二次壓力為8 MPA的氣瓶。這些SEM圖像表明，該泡沫體的泡孔尺寸與常規(guī)泡沫注射成型方法得到的泡沫體大致相同，甚至更小。因此，我們表明，我們的泡沫注塑機(jī)和方法可以成功地用于生產(chǎn)微孔發(fā)泡制品。
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圖2 ?芯后泡沫注塑制品的芯層掃描電子顯微鏡圖像。這些圖像從垂直于泡沫體的芯后方向獲得。這些泡沫使用了N2或CO2作 PBA，并以2、3、5的膨脹比獲得。每個(gè)樣品的平均泡孔尺寸和發(fā)泡溫度分別在每個(gè)圖像的底部和左上角示出。
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僅通過(guò)從通氣孔輸送PBA，我們也可以用我們的系統(tǒng)生產(chǎn)微泡沫。聚丙烯注塑制品及其相應(yīng)的微孔泡沫的一個(gè)例子如圖3所示，我們通過(guò)從通氣容器和孔向熔融聚合物中輸送空氣的方式制備微孔泡沫，同時(shí)噴射閥完全關(guān)閉。空氣由空氣壓縮機(jī)提供，其中，空氣被簡(jiǎn)單地從大氣壓壓縮至4MPa。通過(guò)我們的工藝，原始盤形板的大小（直徑為100mm，厚度為1mm）擴(kuò)大到厚度為2mm。此外，該板由于微型氣泡反射而呈現(xiàn)出白色。
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圖3 ?聚丙烯（PP）注塑制品（左）和它的微孔泡沫（右）。兩個(gè)板的直徑為100mm。非發(fā)泡和發(fā)泡產(chǎn)品的厚度分別為1mm和2mm。
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總之，我們已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種新的注射成型系統(tǒng)，無(wú)需SCF泵單元即可完成微孔聚合物泡沫的制造。在我們的技術(shù)中，我們可以使用非超臨界氮?dú)狻⒍趸蓟驂嚎s空氣作為物理發(fā)泡劑來(lái)生產(chǎn)穩(wěn)定的微孔泡沫材料。因此，我們已經(jīng)表明，加壓N2或CO 2至超臨界狀態(tài)不是微孔注射成型的必要條件。在我們即將進(jìn)行的工作中，我們將通過(guò)優(yōu)化螺桿設(shè)計(jì)和通氣容器的PBA傳輸來(lái)改進(jìn)我們的技術(shù)。這將使我們能夠以較低的成本輕松地實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有的注塑成型機(jī)向我們的系統(tǒng)設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)換。
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