物理发泡成型新进展

1、微孔注塑发泡新方法使得聚碳酸酯发泡制品具有更好表面光洁度的新型发泡方法水蒸气发泡作者:Lih-Sheng TurngMechanical Engineering Department, University of Wisconsin-Madison (UW-Madison)在微孔发泡注塑成型过程中，超临界流体（SCFs，通常为氮气或二氧化碳）通常掺入到机筒中，和聚合物熔体混合，得到单相聚合物/气体溶液后开始发泡，形成轻质微孔发泡制品，相比非发泡制件的成型，该制造过程可在较低的温度和压力下进行，从而可以减少合模力、循环时间、能量消耗，此外，微元的生成会使填料更加均匀，从而减少了残余应力，增加了尺

2、寸稳定性。尽管这项技术有很多优点，但也有许多不可忽视的局限性。例如设备的成本较高，且与固体注塑件比，其生产的制品表面比较粗糙、机械性能较低，微孔注塑件通常需要对银纹等进行表面处理，这些特性限制了它的应用。我们已经开发了采用水蒸气（W）作为物理发泡剂进行微发泡注塑，这种技术无需专用的SCF，大大了降低设备成本。我们使用了两种成核剂（立方氯化钠（NaCl）和非均匀活性炭（AC）产生蒸气发泡聚碳酸酯（PC）。PC-NaCl-W通过传统的注塑机成型，并在料斗顶部安装了阀和仪表，这些装置允许水（或2wt的水/盐溶液）进行分散，使供料速率控制在0.5毫升/分钟。因为AC不能溶水，我们通过双螺杆挤出机配混固

3、体料颗粒（PC-AC，0.5wt）。水蒸汽作为发泡剂，附着在AC上，而不是直接分散。为了增强在PC-AC颗粒的吸水能力，我们将其放入超声波的水槽沉浸，然后在室温下干燥。与固体注塑制品相比，发泡材料的平均重量减少了6-16。另有报道称，水蒸气也可以在挤出发泡时作为发泡剂。我们采用0.5wt的NaCl，得到了PC-NaCl-W最理想的表面光洁度。其光洁度比使用氮气作发泡剂时更好（参见图1）。PC-N的粗糙表面主要是由于气体从PC-N中泄漏，导致了气泡被困，收缩。在PC-AC-S和PC-AC-W的样品中也有由于AC粉末出现的相对粗糙的表面。然而，与氮不同，水蒸气不会很快从聚合物中泄漏，这导致较慢的成

4、核速率，从而在熔体前沿的成核数量减少。即使当蒸气泡形成在熔体前沿，并随后接触到模具壁（85），它们也会凝结在模具界面，形成一润滑层，有助于减少表面粗糙度。该相变可以诱导体积收缩，从而进一步减少可见的表面缺陷。图1 扫描电子显微镜（SEM）3D图像活性炭（AC）和立方氯化钠（NaCl）作成核剂得到的聚碳酸酯（PC）注射成型样品。（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）发泡制品图片（比例尺：100微米）。所制造的发泡制品具有不同的单元结构（即，晶核细胞大小和细胞密度）。蒸气发泡的PC-AC-W部分比PC-N和PC-Na

5、Cl-W具有更小的晶核细胞（见图2），较小的细胞尺寸归因于高含量的低密度AC粉末。这些微小均匀的细胞结构有助于保持发泡材料的机械性能。在一般情况下，发泡制品具有相当的拉伸性能，而PC-AC-W发泡制品表现出相对更高的强度和杨氏模量。此外，在处理过程中，高的温度和湿度水平是PC的热降解或水解的潜在原因。PC-AC-W平均分子量的减少（比固体注射成型的PC-S减少7.2）与常规熔融机理相同。图2 断裂面的SEM图像：（a）PC-N、（b）PC-NaCl-W、（c）PC-AC-W以及（d）它们的细胞大小（比例尺：200微米）。使用水蒸气作为物理发泡剂，提供了一种用于微孔注射PC制品新的发泡方法。可以

6、使用典型的注射模制的设置来实现的水蒸气发泡过程，无需SCF。对比典型微孔注塑制品，水蒸气发泡的PC-NaCl的部分具有光滑的表面。另一方面，发泡的PC-AC具有可观的机械性能，而且平均重量能减少16.4wt。我们还能够通过使用低密度和非均匀的AC颗粒作为成核剂和增强材料，以改善微孔结构。在我们的研究的下一阶段中，我们将集中于使用多能成核剂进行微孔注射，以便达到预期的微结构，机械性能，和表面外观。聚合物熔体微积分叠层复合挤出成型1-纳米叠层 复合材料汽车玻璃贴膜（图1）的隔热防晒功能是由“千层饼”结构决定的（图2）。当太阳光经过两种透明材料的分界面时，会发生部分反射和部分折射。“千层饼”贴膜材料

7、的特殊设计能够选择性地让“发热元凶”红外光被反射。经过200多层界面的多次作用后，红外光被反射而只透过冷光。制造这种“千层饼”材料的叠层复合膜成型设备，如图3所示。采用这种方法可以制造出单层厚度极薄的纳米叠层复合材料。它除了在防晒膜上应用之外，还可以制造彩虹膜、增亮材料、隐身材料、阻隔材料、高强复合材料等图1-汽车玻璃防晒贴膜图2-叠层膜防晒原理图3-叠层复合膜成型设备2 立交层叠 分割不均图4所示为美国3M公司采用的层叠器原理，根据其结构特征，称之为“立交层叠”。图中用“红”、“黄”两种颜色代表不同材料。从左端进入时仅为3层的夹心结构，经过第1节层叠器被分割为4个窄条，然后立交摞成12层的窄

8、条，再被挤压到和入口一样形状尺寸但层数增加4倍即12层。这个12层复合材料接着进入第二个层叠器，层数又增加4倍变成48层。图6就显示了两级层叠的情况。若经过第三级，乘4得192层，第四级得784层，第五级得3072层图4-“立交层叠”原理图5-“立交层叠”设备图6-“立交层叠”产品断面照片3 扭转层叠 性能优异针对美国专利“立交层叠”存在的问题，经过将近两年的冥思苦想和反复试验，独创“千层饼”“拧麻花”的扭转层叠新原理（图7），并于2009年申请了第一项发明专利，并获得2014年国家知识产权局优秀专利奖，2015年7月还获得了美国发明专利授权。本发明与美国发明对比可见：1）流道结构对称性提高，

9、层叠均匀性更好；2）压力损失小可用于高粘度材料；3）本发明“扭转层叠”的单级分割数量可以更多。如果设计“一分为六”的层叠器串联六个，进口端为两层，出口端可得到93312层（2乘以6的6次方）。实验结果（图6、9）证明了本发明分层效果明显优于美国专利。本发明不仅可用于防晒膜等已有技术的更新换代，而且可以实现多种材料在微观层面的高效分散和均匀共混，进一步还可以实现一维或二维纳米粒子在聚合物集体中的可控取向，从而制备出具有优异性能的增强增韧、电磁隐身和高阻隔等特殊功能材料。图7“立交层叠”原理示意图8“立交层叠”设备图9-“扭转层叠”产品断面照片4 叠层挤出 应用举例本发明“纳米叠层复合材料加工原理及设备”已在多个领域开始走向产业化应用，举3例：1）PVC高阻隔材料层叠挤出加工（图10），实验表明采用单一PVC材料经4节一分四层叠器实现大分子取向后，其阻隔性能和力学性能显著提高；2）塑料片材层叠复合挤出成