2021年3月雜誌專題顧問專欄

臺科大高分子發泡材料技術聯盟

■國立臺灣科技大學 / 葉樹開 副教

 

前言

高分子發泡材料一直是高分子材料中極受重視的領域,根據其結構型態,能應用在不同的領域上,例如高度相通的開孔泡(即氣體和固體都有連續相)材料適用於過濾、催化、緩衝、吸音等,而閉孔泡材料則適用於結構應用(structural applications) 和熱絕緣上。發泡材料不僅在隔音、減重、絕熱,在生醫、光電、能源、航太材料上也有著極多樣化的用途,如此多樣化的用途使得發泡材料在各領域都能維持長期的成長動能,每年塑膠的消耗量大約有10% 是用於製造各種不同的高分子泡材。

根據Global Industry Analysts, Inc 的產業報告,即便2020 年遭遇新冠肺炎的打擊,全球發泡材料市場嚴重衰退15.8% 至851 億美元,直至2027 年,全球發泡材料市場會從851 億美金成長至1210 億美金,維持5.2% 的高成長率[1]。未來七年全球的高分子發泡材料市場成長,每年即高達51.3 億美金,中國大陸目前人均的發泡材料用量仍僅有西方先進國家的40%,且超過40% 以上的建築絕熱不符合法規,發泡材是最好的絕熱建材,印度目前僅5~10% 的人使用發泡床墊,都證明了發泡產業的潛力無限,因此近年高分子泡材於產業界可說是達到了前所未有的黃金時期,高分子發泡材料技術聯盟計畫主持人們過去在熱塑性高分子泡材加工上的研究經驗,期望能持續對小聯盟會員進行更多服務,除提升會員之專業技術外,並為國內引進新技術作出更多的努力。

 

高分子發泡加工技術

熱塑性高分子發泡劑的種類可以分成化學發泡劑(chemical foaming agent) 及物理發泡劑(physicalfoaming agent),兩者有許多不同。化學發泡劑與高分子混合後,在加工溫度高於化學發泡劑的分解溫度時,會釋出氣體。但是常用的化學發泡劑是硝酸鹽類,反應後容易在成品中造成大量的異味殘留。且化學發泡劑可能含有致癌物質,歐盟近年來持續傳出未來可能禁用化學發泡劑,也希望能夠使用非交聯的熱塑性材料,因而使得熱塑性高分子物理發泡變成近來最重要的研究趨勢。

物理發泡利用高壓將其溶入於高分子中,形成均相溶液,經由加熱加壓後,將混合溶液移至大氣壓力下,高分子即開始發泡膨脹。發泡劑通常為揮發性液體或壓縮氣體,近年來的發泡技術研究著重在以二氧化碳及氮氣等為常見的不可燃氣體為物理發泡劑。其中二氧化碳因為在高分子的溶解度較高,且相對安全環保,因此備受矚目。

表1:三種不同發泡技術的特性比較

 

聯盟主持人葉樹開副教授多年來從事高分子發泡,特別是二氧化碳發泡加工研究,目前主要掌握的技術為批式發泡技術、押出發泡技術與泡珠成型技術。計畫共同主持人黃世欣教授所掌握的則是MuCell 微發泡射出技術,計畫共同主持人蘇至善教授所掌握的則是超臨界流體技術。我們將掌握之技術簡要敘述如下。

 

技術發展現況

目前利用物理發泡法製作高分子發泡材料的製程可分為三種:(A) 批式發泡(Batch Foaming)、(B) 押出發泡(Foam Extrusion) 與(C) 射出發泡(Foam InjectionMolding),三種技術優缺點與特性可用表2 表示[2]。

本實驗室發展批式發泡技術已達十年以上,並且建立了批式發泡設備。包括小型批式發泡設備與發泡槽體為一公升之大容量批式發泡設備,如圖1。相關的研究成果包括開發PS/ 石墨烯奈米複合泡材、PMMA 奈米泡材、TPU 奈米泡材等實驗結果。另外,計畫主持人新通過的科技部計畫預計建構批式發泡高速攝影視覺化設備。以提供聯盟成員更多的支援服務。

二氧化碳發泡技術的另外一個目標是希望能用CO2 取代目前常用的物理發泡劑,過去最常見,發泡效果也最好的物理發泡劑是氟氯碳化物,但有嚴重的破壞臭氧層問題。目前的替代品,不管是HCFC(氫碳氟碳化物)或是HFC(氫氟碳化物),最終也會因為環境問題而禁用。CO2 性質穩定,且已大量存在於大氣中,不需另外合成,是其最大的優勢。然而,由於CO2 在PS 中的擴散速率遠較其他發泡劑為高,以CO2 作為發泡劑所得之絕熱板材與市面上的絕熱板材相比,泡孔較小、密度較高,絕熱效果較差且較重。為了改進此一問題,申請人嘗試以活性碳載入水與CO2 作為共發泡劑試圖增大泡孔,降低密度。此外,碳材料具有吸收遠紅外光的能力,也會同時降低板材的熱傳係數[3]。

圖1:小型與大型批式發泡設備

圖2:本系新添購之微發泡射出機

產學合作現況

申請人自2014 年9 月起獲英太興業贊助本實驗室一臺單螺桿押出機,目前已有能力進行押出發泡實驗,申請人2015 年之科技部產學合作計畫「以押出發泡方式生產聚丙烯- 稻殼複合材料」業已榮獲科技部產學合作海報發表競賽傑出獎。由於有工業界的支持,在押出模頭設計上可獲得相當的支援,目前此機臺也已服務不少業界廠商,提供小型試驗。

承蒙教育部工具機計畫經費補助聯盟所屬之臺科大材料系800 萬元,添購富強鑫公司之120 噸全電式輕量化MuCell 微發泡射出機一臺(如圖2),作為大學部教學使用,包括加熱式料斗,抽芯、反壓、急冷急熱以及工業4.0 設備都完整涵蓋於其中。本設備目前並配備兩副模具,一副為標準試片模具,另一副為發泡模具。由於過去小聯盟計畫的努力,近年來業者也對於此技術有大量的興趣,我們希望能夠透過這樣的先進設備更新,不僅能協助大學部學生教學,也能在寒暑假期間開設基礎原理工作坊,協助業者更了解射出發泡的原理與技術應用。由於國內塑膠產業中,射出成型的家數和規模都占最大比例,過去由於微發泡射出成型設備昂貴,幾乎不可能進行此方面研究,去年承蒙教育部補助獲取此一設備,計畫主持人預計將研究觸角進一步在射出發泡領域加強,提供國內廠商更多服務。■

 

參考文獻

[1].Global Industry Analysts, “POLYMERIC FOAMS Market Analysis,Trends, and Forecasts”, 2020.
[2].C. Okolieocha, D. Raps, K. Subramaniam, and V. Altstädt,European Polymer Journal, 73, 500 (2015).
[3].S.-K. Yeh, J. Yang, N.-R. Chiou, T. Daniel, and L. J. Lee, PolymerEngineering & Science, 50, 1577 (2010).

SMARTMolding編輯部

《ACMT 模具與成型智慧工廠雜誌》(ACMT SMART Molding Magazine),將擴大報導,如「先進成型技術」、「3D 列印」、「模具製造」、「智慧工廠」、「數位化轉型」、「自動化」等領域,為讀者帶來更多全新內容。內容上未來也將對業界的企業進行一連串的採訪報導,報導範圍不會僅限於臺灣,同時預計也推出對華東、華南,以及東南亞等地區的各家企業進行採訪報導,帶各位讀者領略這些企業的崛起過程與成功經驗。

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