从发泡射出探讨塑胶材料轻量化之流动、发泡特性及结构强度之变化

■ 逢甲大学 / 彭信舒 副教授 & 黄柏维 博士

(转载自繁体版ACMT电子技术月刊No.079)

前言

塑胶发泡成型方式可透过热压成型、挤出成型和射出成型等方法来进行塑胶发泡产品成型。其中，「塑胶发泡射出」是一种一次性成型方法，具备高生产效率以及稳定产品质量之优点且适用于形状复杂、尺寸要求严格的发泡塑胶制品；除此之外，也是目前业界用以生产结构发泡产品的主要方法之一。在轻量化和环保目标意识的推动下，企业除了选择替代材料或采用新技术实现轻量化目标外，还必须考虑材料对环境的不利影响。有鉴于物理发泡技术日趋成熟，通过调整工艺参数可以达到理想的效果，有机会取代化学发泡工艺。因此，「塑胶发泡射出成型」已成为备受关注的重要应用技术。

近年来，有许多关于具气泡结构之塑胶发泡射出成型研究论文与技术报告出现，其目的是利用各种发泡方式，使溶入气体之熔融塑胶在射出充填过程中，透过气泡成长，使原料的用量或产品的重量达到原料减量与轻量化之产品设计，并且在产品顶出后能得到较佳之产品质量（包含：改善翘曲变形、改善收缩与凹陷……等缺陷），同时达到缩短成型周期、降低生产成本、提高生产率之目标。为了提高以及加速塑胶发泡射出成型技术产业化应用，气泡大小、气泡分布、气泡密度等相关特性掌握，已成为业者在产品开发阶段必须考量的重要因子。

塑胶发泡射出成型-熔体流动、发泡特性及结构强度之探讨

为了能进一步清楚掌握塑胶发泡射出成型之熔体流动性、发泡特性以及结构强度之变化，本文章分享一种氮气与熔融塑胶混合的机制之新颖设计（研究团队与厂商共同合作）（图1），与常见的发泡工艺不同，是将传统的气体辅助设备与塑胶射出成型机的射出料管机构相结合的新颖设计，螺杆本体结构为中空设计，并将透气钢嵌入射出螺杆头尖端的颈部用以输出气体，气体辅助设备用作气体供应源，通过透气钢输出气体与熔融塑胶混合，形成发泡熔体（溶入氮气的熔融塑胶），透过实际实验观察氮气和聚丙烯熔融塑胶混合后的塑胶发泡射出成型之熔体流动性、发泡特性和结构强度。

图1：塑胶发泡射出成型流程图

在传统的塑胶射出成型工艺中，成型产品的重量、尺寸与其质量有关，这意味着成型产品之重量或尺寸的一致性可以作为产品允收标准。透过高分子材料的压力-比容-温度(P-V-T)关系可以了解原料在成型过程中，其比容的变化可归因于压力和温度的改变。另一方面，塑胶熔体具有剪切黏性，材料黏度对熔体充填时之体积流率有很大影响。因此，熔体流动阻力特性与射出速度的平均值成比例关系。如果将塑胶材料熔体的黏度由射出阶段定义其特性表征，应以合适的方式测量相应的过程变量。

对于液压机械驱动的机器，这是通过测量驱动液压来完成的。压力用液压缸与螺杆直径之间的面积比转换为塑料熔体压力，螺杆的位置由适当的外部位置传感器测量。射出功等于熔融塑料体积流率相对于阻力的位移，与黏度计类似，功是在射出阶段作为射出压力在螺杆行程上的积分来测量的。对于随着时间的变化进行积分，其结果是以射出能量来代替所做的功。为了描述熔体的成型特性，本研究提出一标准化特征：黏度因子(Viscosity Index)（图2）。因此，引入了黏度因子的计算用以观察溶入不同气体含量的熔体充填压力以及其黏度因子的变化趋势。在塑胶发泡射出成型过程中，由于气体含量、熔体压力和发泡特性之差异，亦会影响其熔体流动性与产品质量。

 

图2：熔体充填压力和熔体黏度因子的测量方法。(a)熔体流动压力峰值的定义；(b)熔体黏度因子的计算

研究结果与讨论

本文章之研究整合射出机与发泡机制，以氮气作为发泡用的气体供应源并设置一熔胶压力感测元件于射嘴上，经由不同的气体含量来探讨其溶入气体的熔胶，经塑化至射出期间的压力变化，以及导入一黏度因子的公式及计算，来比较与观察熔体的流动行为。图3为气体含量变化下的熔胶流动压力峰值与其计算所得之黏度因子；由图中可以发现，随着气体含量的增加，对于材料的流动性与黏度性质等皆有正向效益（溶入一定比例之气体可降低材料的黏度性质，相对影响原材料的流动性，当流动性越佳、阻力越小，所得之熔体充填压力相对较低）。因此，熔体之流动阻力降低，以及藉由熔体压力所计算出的黏度因子相对下降。

 图3：不同气体含量（氮气）对熔体充填压力以及熔体黏度因子的影响

图4说明气体含量较低时，气泡较集中在核心层区域，有较明显的凝固层(Frozen/skin layer)；当气体含量较高时，气泡有朝向表皮层分布，也就是皮层厚度相对减小。从实验参数设定与实验结果可看出在塑化阶段的熔胶与气体的混合机制下，在较高的温度与压力环境下气体溶解度将随之增加，若气体在透气钢输出过程能提供细化特性，则可增加气体的比表面积，提升溶解度与混炼性，同时改善熔体之流动性。

图4：塑胶发泡射出成型流长试片之不同量测位置扫描电子显微镜图像（不同气体含量之发泡特性比较）

图5为螺杆转速对于熔胶黏度因子、发泡密度与抗弯强度之影响趋势图。由图中可以发现，螺杆转速会影响塑胶材料于料管内之塑化程度；当螺杆转速越快，相对增加材料的进料速度，缩短塑化时间与相对增加材料于料管内的剪切应力，对于气体与熔胶的混合性将有间接影响。熔体黏度因子随熔体压力增加而提高。在配合低转速的螺杆与低/高气体含量之变化中，塑化时间因低转速而较长，等同气体与熔体在塑化期间的兼容性增加，因此其熔体在低转速与增加气体含量设定下，透过实时感测与计算所获得之充填过程之熔胶压力与黏度因子相对较低，亦显示出较低的流动阻力。

此外，因应螺杆转速的变化中，当转速度越快，等同气体经由透气钢输出与熔胶混合阶段，气泡更容易溶入熔胶之中。因此，可以发现黏度因子与气泡密度在不同螺杆转速变化下的对应关系。而透过抗弯测试之强度比较中，气泡密度的变化提供重要讯息；气泡密度增加，抵抗弯曲的能力下降。所以在较高的螺杆转速下，其抗弯强度有下降之趋势。

图5：螺杆转速和较低/较高氮填充量对熔融黏度因子、气泡密度和抗弯强度的影响

图6为熔胶温度对于熔胶黏度因子、气泡密度与抗弯强度之影响趋势图。熔胶温度会影响塑化阶段螺杆后退的速率，其较低的熔胶温度设定，等同料管内的塑料不易塑化，其塑化时间增加也会影响熔体与气体的混合性。由图中可以发现，熔体在高料温与增加气体含量之设定下，所得到的熔体充填压力与计算出之黏度因子相对较低，亦显示出较低的流动阻力。另一方面，较低的熔胶温度，将影响气体在输出及塑化的过程中，不易与熔胶进行混合，因此所得之气泡密度相对较低。由数据显示，黏度因子与气泡密度在熔胶温度的变化中，呈现正相关性。在抗弯测试之强度比较中，气泡密度增加，抵抗弯曲的能力下降，所以在较高的熔胶温度设定下，其抗弯强度有下降之趋势。

图6：熔体温度和较低/较高氮填充量对熔融黏度因子、气泡密度和抗弯强度的影响

图7为射出速度对于熔胶黏度因子、气泡密度与抗弯强度之影响趋势图。当螺杆射出速度越快，熔胶充填进入模穴的时间缩短；同样地，影响熔胶流动的阻力相对减少。由图中可以发现，较低的射出速度，计算获得较大的熔胶黏度因子，其原因在原料本身的黏度特性所造成之流动阻力。但当设定较高的射出速度时，所获得的熔体充填压力与黏度因子相对较低，亦显示出较低的流动阻力。另一方面，因为射出速度较慢，可发现射出速度在40至70 mm/sec区间，气泡密度的趋势不明显。反之，越快的射出速度，熔胶越快充填进入模穴中，减少影响气泡成长机制，相对获得较高的气泡密度。透过趋势比较，可以看出熔体黏度因子与气泡密度在射出速度的变化下，呈现正相关。在抗弯测试之强度比较中，气泡密度增加，抵抗弯曲的能力下降，所以在较高的射出速度设定下，其抗弯强度有下降之趋势。

图7：射出速度和较低/较高氮填充量对熔融黏度因子、气泡密度和抗弯强度的影响

结语

本文章之研究整合射出机与发泡机制，以氮气作为发泡用的气体供应源并设置一熔胶压力感测元件于射嘴上，经由不同的气体含量来探讨其溶入气体的熔胶，经塑化至射出期间的压力变化，以及导入一黏度因子的公式及计算，进一步观察塑胶发泡射出成型之熔体流动性、发泡特性以及结构强度之变化。

综合以上内容，可以显示：

• 透过射嘴压力之实时感测系统建置，可成功掌握塑化/射出/发泡之过程的压力历程与黏度因子之趋势变化；并且在气体与熔胶混合后的压力趋势中，可以确定其气体含量的多寡，是间接影响熔胶充填之流动特性的重要因子。
• 透过不同制程参数的设定与实验结果，提供业者了解制程参数对熔体流动性、发泡特性以及结构强度之变化趋势。

在产品设计朝向功能性与客制化需求以及净零排放政策发展趋势下，产业再次面临轻量化、薄壳化、相异材料组成等整合技术的升级转型压力，使得塑胶发泡射出成型设备与技术应用再次受到关注。功能性塑胶产品轻量化成型工艺可否提出新模块设计（整合CAE可预测分析、模具设计、实时感测、射出成型技术、质量可预测分析技术等）以满足市场导向的新世代材料与产品应用仍是产业面临技术升级转型的重要课题。

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