本文介紹了一種生產(chǎn)熱塑性聚氨酯發(fā)泡塑料的新穎方法，該方法利用了氣載粒料和微孔注射成型工藝，制品具有低密度、均勻的泡孔結(jié)構(gòu)、高耐久性的優(yōu)點。
 

由于優(yōu)異的性能，低密度的熱塑性聚氨酯（TPU）發(fā)泡材料在今天被廣泛用于家具、汽車、運動服和包裝領(lǐng)域。它獨特的優(yōu)異性能包括輕重量以及其良好的緩沖作用，高耐磨性，在壓縮下能量可以快速恢復(fù)等。迄今為止，大多數(shù)的TPU發(fā)泡材料由間歇注射發(fā)泡或擠出發(fā)泡成型。然而，受到固有的低生產(chǎn)速度的影響和發(fā)泡擠出時幾何形狀的限制，擠出發(fā)泡難以實現(xiàn)批量化。注塑發(fā)泡則可有效地克服以上兩個問題。由Trexel公司發(fā)明推廣的微孔注射成形（MIM）又稱MuCell是最廣泛使用的發(fā)泡注射成型技術(shù)之一。在MIM的塑化過程中，超臨界流體（SCF）注入并混合到聚合物熔體中，然后注入到模腔中，突然的壓力降引起熱力學不穩(wěn)定，產(chǎn)生溶解氣體，成核并形成微孔泡沫結(jié)構(gòu)。

            在我們的研究中，我們發(fā)明了“超臨界載流粒料注塑發(fā)泡技術(shù)” （SIFT）。有別于傳統(tǒng)發(fā)泡注塑方法，我們不是直接將SCF注入到注射機筒中，而是先通過特殊的擠出方法將 SCF嵌入到塑料粒料中，然后，我們使用傳統(tǒng)注塑設(shè)備將這些氣載顆粒注射進模腔。利用我們的SIFT方法，我們可以只利用一臺包含注氣裝置的擠出機便可生產(chǎn)氣載粒料。此外，氣載粒料可用于幾種不同的常規(guī)注塑機，無需任何修理或額外的設(shè)備以產(chǎn)生輕質(zhì)發(fā)泡部件。以這種方式，我們能夠顯著降低設(shè)備成本，以及所需的機器修理費用。

圖1 超臨界載流粒料注塑發(fā)泡技術(shù)（SIFT）與微注塑成形（MIM）工藝結(jié)合原理圖。

在我們的一個早期研究中，我們發(fā)現(xiàn)，以適當?shù)谋嚷式M合氮氣（N 2）和二氧化碳（CO 2）作為共發(fā)泡劑能產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，成核效率遠大于二者單獨作用的和。因此，一個更精細的單元結(jié)構(gòu)被創(chuàng)建，發(fā)泡材料質(zhì)量進一步減小。在這項工作中，我們研究了一種新的SIFT / MIM組合方案（見圖1），通過結(jié)合這兩個過程，兩種不同發(fā)泡劑的用量可以獨立地控制。

      我們進行了四因素三級試驗設(shè)計（DOE）來確定影響發(fā)泡材料性能的因素（見表1）。我們輸入的四因素包括氣載粒料的CO 2含量（我們維持0.8％的N 2含量）、模具溫度、注射量和冷卻時間。DOE設(shè)計對于每個輸入的因素均涵蓋三種級別的值，見表1。我們的輸出評估變量包括細胞核密度、堆積密度、壓縮滯后損耗、肖氏A硬度、和抗拉強度。

      表1 四因素三級DOE試驗的細節(jié)設(shè)置。括號內(nèi)的數(shù)字表示輸入因素。括號外的數(shù)字表示DOE試驗中的等級。

      四個輸入因素對五個輸出因子的主要影響見圖2。我們發(fā)現(xiàn)，將CO 2加進氣載粒料與N 2組合，實現(xiàn)了一種改進的泡質(zhì)。通過使用較高含量CO 2，我們可以產(chǎn)生較低堆積密度的泡沫與更精細的泡孔結(jié)構(gòu)。同時，減少的滯后損失也改善了發(fā)泡材料的耐久性。總的來說，我們的結(jié)果表明，較高的模具溫度和適中的注射體積對發(fā)泡最為有利。從所有的測試中我們發(fā)現(xiàn)，試驗8（見表1）表現(xiàn)出最佳的性能。在此試驗中，我們產(chǎn)生了最低體積密度（0.2克/立方厘米）和最低滯后損失（24.4％）。因此，我們可以確保能源的恢復(fù)和持久的性能在長期循環(huán)載荷下處于較高水平。試驗8中產(chǎn)生的細胞結(jié)構(gòu)的掃描電子圖像見圖3
 

圖2 DOE試驗得到的主要影響圖解。
 

圖3 掃描電子顯微鏡圖像顯示試驗8（見表1）中產(chǎn)生的細胞結(jié)構(gòu)的形態(tài)。

        在這項研究中，我們使用新型氣載顆粒/ MIM相結(jié)合的方法成功地生產(chǎn)了高膨脹泡沫的TPU。我們進行DOE試驗研究了各種工藝參數(shù)的影響。我們使用二氧化碳和氮氣作為我們SIFT/ MIM組合工藝的共發(fā)泡劑，因此我們能夠?qū)崿F(xiàn)進一步降低堆積密度和滯后損耗。我們發(fā)現(xiàn)，較高的氣體含量，較高的模具溫度，較短的冷卻時間和中等進樣體積是生產(chǎn)低密度TPU發(fā)泡注塑件的優(yōu)選條件。我們的工作的下一個階段是研究利用我們的方法注塑其它熱塑性材料的可行性。我們將進行更詳細的研究，并報告這些成果。