利用微層共擠押技術探討微細發泡及其結構性質之研究

行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

利用微層共擠押技術探討微細發泡及其結構性質之研究

研究成果報告(精簡版)

計 畫 類 別 ： 個別型 計 畫 編 號 ： NSC 94-2216-E-151-004- 執 行 期 間 ： 94 年 08 月 01 日至 95 年 10 月 31 日 執 行 單 位 ： 國立高雄應用科技大學模具工程系 計 畫 主 持 人 ： 黃俊欽 計畫參與人員： 碩士班研究生-兼任助理：黃品翰、陳信緯 處 理 方 式 ： 本計畫可公開查詢

中 華 民 國 96 年 02 月 20 日

附件一

行政院國家科學委員會補助專題研究計畫

■ 成 果 報 告 □期中進度報告

計畫名稱：

利用微層共擠押技術探討微細發泡及其結構性

質之研究

計畫類別：■ 個別型計畫 □ 整合型計畫

計畫編號：

NSC-94-2216-E-151-004

執行期間： 94 年 8 月 1 日至 95 年 10 月 31 日

計畫主持人：黃俊欽

共同主持人：

計畫參與人員： 黃品翰、陳信瑋

成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：■精簡報告 □完整報告

處理方式：除產學合作研究計畫、提升產業技術及人才培育研究計

畫、列管計畫及下列情形者外，得立即公開查詢

□涉及專利或其他智慧財產權，□一年□二年後可公開查詢

執行單位：

國立高雄應用科技大學 模具工程系

中 華 民 國 96 年 1 月 31 日

目錄

摘要……….3

一、 前言………..4

二、研究方法………..5

三、結果與討論………..8

四、結論………..9

五、參考文獻………..14

摘要

發泡成型是高分子重要的製程之一，若能大幅增加氣泡的數目，並且將氣 泡的尺度微細化，控制在微米級，而且均勻分散於發泡產品中，則除了使產品 減輕重量之外，將明顯提高隔音、隔熱、耐衝擊、介電性、熱安定性等優點。 傳統的單層發泡或三明治核心層發泡，由於發泡層厚度較大，常導致核心區域 發泡程度較高，氣泡尺寸較大，而皮層區域發泡程度較低，氣泡數目少且尺寸 小，這種氣泡大小及分佈不均的現象是造成發泡產品品質不良的主要原因之 一。本研究計畫主要目的即是希望能以微層共擠押技術(microlayer coextrusion technology)開發微細發泡的新製程，充份了解發泡機制與操作條件之間的關 係，以及氣泡形態(如氣泡數目、尺度、分佈等)對發泡產品結構性質，如機械 強度、整體密度、隔熱等性質的影響。整個計畫期程共二年，第一年首先將利 用具有『快速降壓』、『快速薄化』、『快速冷卻』等特性的參層共押吹膜系統開 發 A/B/A 微細發泡結構的製程技術，其中 A 為不含發泡劑的皮層(skin)，B 為 含有發泡劑的核心層(core)，充份了解發泡層(B)的厚度、發泡劑含量、冷卻速 率、雙軸延伸效應等因素對發泡膜物性的影響。 關鍵詞： 微層共擠押技術、微細發泡、發泡膜物性

一、前言

發泡成型是高分子重要的製程之一，主要優點包括質輕、隔音、隔熱、耐 衝擊..等，其產品廣用一般民生工業。但是一般的發泡製程中氣泡的尺寸在毫米 (mm)等級，氣泡的尺度及分佈情形對於產品功能影響甚巨，尤其大尺寸的氣泡 常造成產品品質的不均勻及機械強度的降低。1979 Suh(1)提出微細發泡的觀 念，也就是在發泡過程中，控制氣泡的數目使其極大化，以及控制氣泡的尺度 使其小於材料本身的內部缺限尺度(preexisting flaws)，當氣泡的尺寸在微米(µm) 等級的時候，將可有效提昇發泡產品的衝擊強度、抗彎強度及耐疲勞等機械特 性，同時均勻的微細孔洞也使塑品具有低介電常數、低熱傳係數及良好的熱安 定性。

關於發泡製程技術的文獻並不多，Berghaus 及 Wirtz(16)以 PP、PET、PS

等塑料進行膠板的押出發泡，並且探討發泡劑含量、塑料黏度、發泡程度等因 素對產品品質的影響。Kager(17)則針對 PVC 三明治共押發泡(核心層發泡，皮 層不發泡)的平板模頭進行設計。Silverman(18)以 HDPE 內層發泡，皮層不發泡 的共擠押方式，進行電線批覆製程，發現在訊號干擾的隔離上有更好的效果。 Egashira(19)以共擠押方式開發聚丙烯(PP)的多層發泡薄板(multi-layer foamed sheet)，發現在同體積之下重量可減輕約 30%，而且與實心固體的 PP 薄板相比， 多層發泡結構在隔熱性質及剛性方面都有明顯增加。Berghaus(20) 以同向雙螺 桿押出機解決了物理發泡劑直接加入 PP 塑料的混合問題，開發出 PP 發泡膠膜

(foamed film)並應用在包裝方面，其功能優於厚的 PP 膠膜及 EPS 發泡產品(保 麗龍)。這些研究大都偏重在產品巨觀性質(如機械性質、隔熱、減重等)的改善， 但對於孔洞尺寸如何極小化(例如由毫米等級降低到微米等級)以及如何使氣泡 能夠均勻分佈則甚少述及。 在塑料的發泡過程中，氣泡的成長可分成：成核(nucleation)、氣泡成長 (bubble growth)、氣泡合併(coalescence)等三個階段，若要控制氣泡尺寸達到微 細發泡的目的，則在氣泡的成長過程中，要有足夠快的成核速率、要能夠有效

抑制氣泡的過渡成長、以及避免氣泡之間的合併，這三個因素將是主要的關鍵。 共擠押(coextrusion)技術是指不同塑料分別經由押出機塑化之後，進入一 個模頭，藉由模頭內部流道系統的設計，使熔膠相互接觸形程所需要的型狀， 押出冷卻之後能獲得具有不同塑料功能加成，成本降低、製程簡化的目的。本 研究以參層共押吹膜製程，將中間層取代成含有發泡劑的塑料，利用下列特點： (1) 在多層吹膜模頭中，由於模唇的間隙小，壓力梯度大，因此可以利用模唇 段的設計使熔膠在模頭內部維持足夠高的壓力，當熔膠進入模唇段，壓力 快速降低，形成過飽合狀態，一旦由模頭出口押出，即迅速發泡。 (2) 熔膠押出之後，藉由空氣吹脹及輥輪引取作用，熔膠迅速薄化，應可以充 份抑制氣泡成長的空間。 (3) 熔膠押出之後，受到週圍冷卻風環所吹出的冷風作用而快速冷卻，避免氣 泡的合併。 (4) 發泡層在中間，皮層(LDPE)不發泡，所以發泡所產生的氣體不易外洩，可 以充份探討發泡的機制與操作條件之間的關係。 本專題研究主要目的即是利用參層共押吹膜系統具有『快速降壓』、『薄 化』、『快速冷卻』、『避免氣體外洩』等特性，來探討共押吹膜發泡的可行性。 整個計畫期程自 94 年 8 月 1 日至 96 年 7 月 31 日共二年。第一年主要以參層 共押吹膜系統開發 A/B/A 微細發泡結構的製程技術，其中 A 為不含發泡劑的 皮層(skin)，B 為含有發泡劑的核心層(core)，充份了解發泡層(B)的厚度、發泡 劑含量、冷卻速率、雙軸延伸效應等因素對氣泡成長機制(如形態、數目、尺 度、分佈等)的影響，以及探討氣泡成長機制對產品性質，如機械強度、整體 密度、隔熱等性質的影響。

二、研究方法

圖 1 及圖 2 是本實驗室一組參層膜共擠押製程設備，可以同時將參種塑料 分別經由押出機塑化之後，經齒輪汞精確定量後進入參層吹膜模頭，如圖 3，

在模頭內各層熔膠先形成環狀的流動方式，再相互接觸形成疊層狀，具有多層 結構型態的熔膠由模頭出口(環形出口的直徑約 80mm、間隙約 1.2mm)押出後， 藉由空氣吹脹及輥輪引取作用，直徑膨脹且熔膠厚度迅速薄化，同時受到週圍 冷卻風環所吹出的冷風作用而快速冷卻。最後在離模頭出口位置上方約 300~400mm 的地方(稱為”冷線高度”)完全固化且直徑不再擴大，如圖 4，最後 形成直徑約 200~300mm、厚度可控制在 0.02~0.3mm 的膜管。 將不含發泡劑的 LDPE(A)，及含有發泡劑的 LDPE(B)，分別經由押出機 塑化之後，經齒輪汞精確定量後進入參層吹膜模頭，A 走最內層及最外層，B 走中間層，在模頭內熔膠先形成環狀的流動方式，再相互接觸形成疊層狀 (A/B/A)，經由模頭出口(環形出口的直徑約 100mm、間隙約 1.2mm)押出後，藉 由空氣吹脹及輥輪引取作用，同時受到週圍冷卻風環所吹出的冷風作用而快速 冷卻。塑料及模頭溫度固定 160℃，實驗的控制變因包括： (a) 調整押出量，控制發泡層(B)的螺桿轉速分別為 300rpm，800rpm，1200rpm (b) 改變發泡劑含量分別為 0.5%、1%、2%, 發泡膜製成之後，以光學顯微鏡觀測氣泡形態、數目、尺度、分佈等，探 討操作條件對氣泡成長機制的影響。並且以 ASTM D-882-95A 測量拉伸強度、 以 ASTM D792-91 測量整體密度，探討發泡層形態對產品品質的影響。

圖 1 參層吹膜成形機 圖 2 參層共押模頭

圖 6 膜管成型過程 模唇段 鬆弛段 螺旋段 入料段 圖3 參層共押吹膜模頭組合圖 A/B/A 參層共押膠膜： 内外兩層不發泡， 中間層發泡 冷線高度 圖 4 膜管成型過程

三、結果與討論

(一)、

單層 LDPE 發泡膜 在發泡劑含量為 1%，加工溫度 160℃之下，圖 5 顯示單層 LDPE 發泡膜縱向斷面的氣 泡形態受螺桿轉速的影響，由結果得知當螺桿轉速為 300 rpm 時，氣泡斷面成圓形，直徑 約 140µm。 當螺桿轉速增加到 800 rpm 及 1200 rpm 時，為了維持相同的拉伸速度比，發泡 膜的引取速度必須增加，因此氣泡受縱向延伸的作用，斷面成橢圓形，800 rpm 時，橢圓形 長軸及短軸直徑分別約為 554µm 及 80µm ，1200 rpm 時，橢圓形長軸及短軸直徑分別約為 884µm 及 80µm，縱向延伸的作用對氣泡形態影響很大。

加工溫度 160℃，圖 6 顯示單層 LDPE 發泡膜的整體密度(bulk density)在不同螺桿轉速

之下，受發泡劑含量的影響。由於增加發泡劑含量將使得發泡效果更顯著，因此氣泡數目 體積增加，明顯降低了發泡膜的整體密度。在低發泡劑含量時(發泡劑含量 0.5%)，在螺桿 轉速 800rpm，有最低的整體密度 0.497(g/mm^3)，在發泡劑含量增加時，螺桿轉速對發泡 膜的整體密度影響不大。 在加工溫度 160℃，螺桿轉速 800 rpm 下，圖 7 顯示單層 LDPE 發泡膜的拉伸強度受發 泡劑含量的影響。由於發泡劑含量的增加，降低了發泡膜的整體密度，因此使得發泡膜的 拉伸強度明顯降低了。發泡膜的縱向(MD)及橫向(TD)拉伸強度均有此結果。圖 8 顯示單層 LDPE 發泡膜的撕裂強度受發泡劑含量的影響。由於發泡劑含量的增加，降低了發泡膜的 整體密度，因此使得發泡膜的撕裂強度明顯降低了。發泡膜的縱向(MD)及橫向(TD)拉伸強 度均有此結果。發泡膜中的氣泡含量是影響其機械性質(如拉伸強度及撕裂強度)的主要原 因，由上述的結果可以得到明確的驗證。

(二)、

參層 LDPE 發泡膜

參層 LDPE 發泡膜是指內、外兩層 LDPE 含發泡濟，中間層 LDPE 含有發泡濟，經共押

出成型之後，得到內、外層不發泡而中間層發泡的結構，圖 9 顯示中間層 LDPE 具有發泡

劑 1%的斷面結構。很明顯發現氣泡在中間，內、外層則不發泡，此發泡膜具有光滑的表

圖 10 顯示參層 LDPE 發泡膜的拉伸強度受發泡劑含量的影響。由於發泡劑含量的增加， 降低了發泡膜的整體密度，因此使得發泡膜的拉伸強度明顯降低了。發泡膜的縱向(MD) 及橫向(TD)拉伸強度均有此結果。

四、結論

本研究利用參層共押吹膜系統具有『快速降壓』、『薄化』、『快速冷卻』、『避免氣體外洩』 等特性，來探討共押吹膜發泡的可行性。並開發 A/B/A 微細發泡結構的製程技術，其中 A 為不含發泡劑的皮層(skin)，B 為含有發泡劑的核心層(core)。獲致下列重要結論如下： (1) 發泡劑含量增加，使得發泡效果更顯著，明顯降低了發泡膜的整體密度。 (2) 發泡膜的整體密度降低，使得發泡膜的機械性質(如拉伸強度、撕裂強度)都明顯降低 了。發泡膜的縱向(MD)及橫向(TD) 的機械性質均有此現象。 (3) 利用參層共押吹膜系統可成功製備內、外層不發泡而中間層發泡的參層 LDPE 發泡膜結 構。提高模頭溫度，發泡膜表層光滑且光澤度增加。 (4) 押出機塑化效果不佳時，未融熔的微小膠粒，將殘留於薄膜形成魚眼，是吹膜製程中最 應注意的問題。

(a)

螺桿轉速為 300 rpm 時

(c) 螺桿轉速為 1200 rpm 時

圖 5 單層 LDPE 發泡膜縱向斷面的氣泡形態受螺桿轉速的影響

圖 7 螺桿轉速 800rpm 時，發泡劑含量對發泡膜拉伸強度的影響

圖 9 參層 LDPE 發泡膜的斷面結構

五、參考文獻

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(2)Berghaus,Ulrich; Wirtz,Robert “Extrusion lines for the production of foamed thermoforming sheet”Kunststoffe Plastic Europe, v89,n4,p7-9,1999

(3)Kager, Manfred “Coex looks different when there’s foam in the sandwich” British Plastics and Rubber,p7-9,1997

(4)Silverman.R.L. and Roberts, D.E.”Troubleshooting the foam/skin insulation extrusion process”, 28,p66-69,1995

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