物理發(fā)泡成型新進(jìn)展

1、微孔注塑發(fā)泡新方法使得聚碳酸酯發(fā)泡制品具有更好表面光潔度的新型發(fā)泡方法水蒸氣發(fā)泡作者:Lih-Sheng TurngMechanical Engineering Department, University of Wisconsin-Madison (UW-Madison)在微孔發(fā)泡注塑成型過(guò)程中，超臨界流體（SCFs，通常為氮?dú)饣蚨趸迹┩ǔ饺氲綑C(jī)筒中，和聚合物熔體混合，得到單相聚合物/氣體溶液后開(kāi)始發(fā)泡，形成輕質(zhì)微孔發(fā)泡制品，相比非發(fā)泡制件的成型，該制造過(guò)程可在較低的溫度和壓力下進(jìn)行，從而可以減少合模力、循環(huán)時(shí)間、能量消耗，此外，微元的生成會(huì)使填料更加均勻，從而減少了殘余應(yīng)力，增加了尺

2、寸穩(wěn)定性。盡管這項(xiàng)技術(shù)有很多優(yōu)點(diǎn)，但也有許多不可忽視的局限性。例如設(shè)備的成本較高，且與固體注塑件比，其生產(chǎn)的制品表面比較粗糙、機(jī)械性能較低，微孔注塑件通常需要對(duì)銀紋等進(jìn)行表面處理，這些特性限制了它的應(yīng)用。我們已經(jīng)開(kāi)發(fā)了采用水蒸氣（W）作為物理發(fā)泡劑進(jìn)行微發(fā)泡注塑，這種技術(shù)無(wú)需專用的SCF，大大了降低設(shè)備成本。我們使用了兩種成核劑（立方氯化鈉（NaCl）和非均勻活性炭（AC）產(chǎn)生蒸氣發(fā)泡聚碳酸酯（PC）。PC-NaCl-W通過(guò)傳統(tǒng)的注塑機(jī)成型，并在料斗頂部安裝了閥和儀表，這些裝置允許水（或2wt的水/鹽溶液）進(jìn)行分散，使供料速率控制在0.5毫升/分鐘。因?yàn)锳C不能溶水，我們通過(guò)雙螺桿擠出機(jī)配混固

3、體料顆粒（PC-AC，0.5wt）。水蒸汽作為發(fā)泡劑，附著在AC上，而不是直接分散。為了增強(qiáng)在PC-AC顆粒的吸水能力，我們將其放入超聲波的水槽沉浸，然后在室溫下干燥。與固體注塑制品相比，發(fā)泡材料的平均重量減少了6-16。另有報(bào)道稱，水蒸氣也可以在擠出發(fā)泡時(shí)作為發(fā)泡劑。我們采用0.5wt的NaCl，得到了PC-NaCl-W最理想的表面光潔度。其光潔度比使用氮?dú)庾靼l(fā)泡劑時(shí)更好（參見(jiàn)圖1）。PC-N的粗糙表面主要是由于氣體從PC-N中泄漏，導(dǎo)致了氣泡被困，收縮。在PC-AC-S和PC-AC-W的樣品中也有由于AC粉末出現(xiàn)的相對(duì)粗糙的表面。然而，與氮不同，水蒸氣不會(huì)很快從聚合物中泄漏，這導(dǎo)致較慢的成

4、核速率，從而在熔體前沿的成核數(shù)量減少。即使當(dāng)蒸氣泡形成在熔體前沿，并隨后接觸到模具壁（85），它們也會(huì)凝結(jié)在模具界面，形成一潤(rùn)滑層，有助于減少表面粗糙度。該相變可以誘導(dǎo)體積收縮，從而進(jìn)一步減少可見(jiàn)的表面缺陷。圖1 掃描電子顯微鏡（SEM）3D圖像活性炭（AC）和立方氯化鈉（NaCl）作成核劑得到的聚碳酸酯（PC）注射成型樣品。（a）是PC-S，（b）是PC-AC-S，（c）是PC-N，（d）是PC-NaCl-W，以及（e）PC-AC-W、（f）發(fā)泡制品圖片（比例尺：100微米）。所制造的發(fā)泡制品具有不同的單元結(jié)構(gòu)（即，晶核細(xì)胞大小和細(xì)胞密度）。蒸氣發(fā)泡的PC-AC-W部分比PC-N和PC-Na

5、Cl-W具有更小的晶核細(xì)胞（見(jiàn)圖2），較小的細(xì)胞尺寸歸因于高含量的低密度AC粉末。這些微小均勻的細(xì)胞結(jié)構(gòu)有助于保持發(fā)泡材料的機(jī)械性能。在一般情況下，發(fā)泡制品具有相當(dāng)?shù)睦煨阅?，而PC-AC-W發(fā)泡制品表現(xiàn)出相對(duì)更高的強(qiáng)度和楊氏模量。此外，在處理過(guò)程中，高的溫度和濕度水平是PC的熱降解或水解的潛在原因。PC-AC-W平均分子量的減少（比固體注射成型的PC-S減少7.2）與常規(guī)熔融機(jī)理相同。圖2 斷裂面的SEM圖像：（a）PC-N、（b）PC-NaCl-W、（c）PC-AC-W以及（d）它們的細(xì)胞大?。ū壤撸?00微米）。使用水蒸氣作為物理發(fā)泡劑，提供了一種用于微孔注射PC制品新的發(fā)泡方法。可以

6、使用典型的注射模制的設(shè)置來(lái)實(shí)現(xiàn)的水蒸氣發(fā)泡過(guò)程，無(wú)需SCF。對(duì)比典型微孔注塑制品，水蒸氣發(fā)泡的PC-NaCl的部分具有光滑的表面。另一方面，發(fā)泡的PC-AC具有可觀的機(jī)械性能，而且平均重量能減少16.4wt。我們還能夠通過(guò)使用低密度和非均勻的AC顆粒作為成核劑和增強(qiáng)材料，以改善微孔結(jié)構(gòu)。在我們的研究的下一階段中，我們將集中于使用多能成核劑進(jìn)行微孔注射，以便達(dá)到預(yù)期的微結(jié)構(gòu)，機(jī)械性能，和表面外觀。聚合物熔體微積分疊層復(fù)合擠出成型1-納米疊層 復(fù)合材料汽車玻璃貼膜（圖1）的隔熱防曬功能是由“千層餅”結(jié)構(gòu)決定的（圖2）。當(dāng)太陽(yáng)光經(jīng)過(guò)兩種透明材料的分界面時(shí)，會(huì)發(fā)生部分反射和部分折射?！扒语灐辟N膜材料

7、的特殊設(shè)計(jì)能夠選擇性地讓“發(fā)熱元兇”紅外光被反射。經(jīng)過(guò)200多層界面的多次作用后，紅外光被反射而只透過(guò)冷光。制造這種“千層餅”材料的疊層復(fù)合膜成型設(shè)備，如圖3所示。采用這種方法可以制造出單層厚度極薄的納米疊層復(fù)合材料。它除了在防曬膜上應(yīng)用之外，還可以制造彩虹膜、增亮材料、隱身材料、阻隔材料、高強(qiáng)復(fù)合材料等圖1-汽車玻璃防曬貼膜圖2-疊層膜防曬原理圖3-疊層復(fù)合膜成型設(shè)備2 立交層疊 分割不均圖4所示為美國(guó)3M公司采用的層疊器原理，根據(jù)其結(jié)構(gòu)特征，稱之為“立交層疊”。圖中用“紅”、“黃”兩種顏色代表不同材料。從左端進(jìn)入時(shí)僅為3層的夾心結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)第1節(jié)層疊器被分割為4個(gè)窄條，然后立交摞成12層的窄

8、條，再被擠壓到和入口一樣形狀尺寸但層數(shù)增加4倍即12層。這個(gè)12層復(fù)合材料接著進(jìn)入第二個(gè)層疊器，層數(shù)又增加4倍變成48層。圖6就顯示了兩級(jí)層疊的情況。若經(jīng)過(guò)第三級(jí)，乘4得192層，第四級(jí)得784層，第五級(jí)得3072層圖4-“立交層疊”原理圖5-“立交層疊”設(shè)備圖6-“立交層疊”產(chǎn)品斷面照片3 扭轉(zhuǎn)層疊 性能優(yōu)異針對(duì)美國(guó)專利“立交層疊”存在的問(wèn)題，經(jīng)過(guò)將近兩年的冥思苦想和反復(fù)試驗(yàn)，獨(dú)創(chuàng)“千層餅”“擰麻花”的扭轉(zhuǎn)層疊新原理（圖7），并于2009年申請(qǐng)了第一項(xiàng)發(fā)明專利，并獲得2014年國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局優(yōu)秀專利獎(jiǎng)，2015年7月還獲得了美國(guó)發(fā)明專利授權(quán)。本發(fā)明與美國(guó)發(fā)明對(duì)比可見(jiàn)：1）流道結(jié)構(gòu)對(duì)稱性提高，

9、層疊均勻性更好；2）壓力損失小可用于高粘度材料；3）本發(fā)明“扭轉(zhuǎn)層疊”的單級(jí)分割數(shù)量可以更多。如果設(shè)計(jì)“一分為六”的層疊器串聯(lián)六個(gè)，進(jìn)口端為兩層，出口端可得到93312層（2乘以6的6次方）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果（圖6、9）證明了本發(fā)明分層效果明顯優(yōu)于美國(guó)專利。本發(fā)明不僅可用于防曬膜等已有技術(shù)的更新?lián)Q代，而且可以實(shí)現(xiàn)多種材料在微觀層面的高效分散和均勻共混，進(jìn)一步還可以實(shí)現(xiàn)一維或二維納米粒子在聚合物集體中的可控取向，從而制備出具有優(yōu)異性能的增強(qiáng)增韌、電磁隱身和高阻隔等特殊功能材料。圖7“立交層疊”原理示意圖8“立交層疊”設(shè)備圖9-“扭轉(zhuǎn)層疊”產(chǎn)品斷面照片4 疊層擠出 應(yīng)用舉例本發(fā)明“納米疊層復(fù)合材料加工原理及設(shè)備”已在多個(gè)領(lǐng)域開(kāi)始走向產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，舉3例：1）PVC高阻隔材料層疊擠出加工（圖10），實(shí)驗(yàn)表明采用單一PVC材料經(jīng)4節(jié)一分四層疊器實(shí)現(xiàn)大分子取向后，其阻隔性能和力學(xué)性能顯著提高；2）塑料片材層疊復(fù)合擠出成