■科盛科技 / 陳令玨 資深材料量測人員
發泡材料的市場需求與聚氨酯樹脂概述
為了減輕全球環境污染和溫室效應的影響，世界各國不斷研究輕量化技術，其中發泡(foam) 材料引起了廣泛的研究。其原理是通過發泡技術降低樹脂（聚合物基體）的密度，基本可以實現輕量化與減少化石原料的使用。除此之外，氣泡結構會使產品具備一些特殊性能，例如重量輕、隔熱、吸音、減振等。目前主要的聚合物基材主要有聚氨酯(PU)、聚苯乙烯(PS)、聚乙烯(PE) 和聚丙烯(PP) 泡沫材料，其中PU 和PS 佔世界聚合物泡沫材料的市場消費量約90%。
聚氨酯樹脂(PU) 是種應用廣泛的材料，特別是在汽車行業、製冷行業、製鞋行業和醫療行業。聚氨酯樹脂主要由含OH 基團的多元醇或聚醚和異氰酸酯組成。分子鏈可通過反應生長形成聚合物鏈並聚合成交聯的網狀結構。聚氨酯發泡成型的基本過程是將多元醇、異氰酸酯和水混合並注入模穴。在射出階段，模穴通常不會被完全填充，剩餘空間通過發泡膨脹填充。在這個過程中，聚氨酯由於化學反應而釋放出二氧化碳氣體，聚氨酯的黏度也因交聯反應而增加。同時，化學反應產生的放熱效應會提高模具的溫度，在較高的溫度下進一步將二氧化碳釋放到聚氨酯中。當模穴充滿聚氨酯泡沫或聚氨酯完全固化時，發泡過程完成。
PU 發泡的量測
PU 發泡的質量取決於它們的形成方式，使用適當的測量工具記錄發泡過程的參數很重要。在Moldex3D中的計算中， 我們所需的PU 材料特性會使用FOAMAT 285 對PU 材料進行量測。
圖2 為FOAMAT 285 的實體圖與各部件的講解圖，此系統能量測在發泡成型過程中相關物理參數的變化，其中包含：發泡的溫度變化、壓力、流動性、固化程度、發泡高度以及實驗中的重量損失（如圖3 所示）。
此系統之主機用於接收各個量測部件所測得的數據，並將數據整合傳送至電腦，系統配有電子天秤記錄異氰酸酯劑和多元醇劑的使用重量，以及記錄最後產品重量，之後可計算出發泡過程中的重量損失。
FOAMAT 285 中的溫控測試容器(Advanced TestContainer, ATC) 通過兩個溫控閉環來加熱底板和半圓柱形側壁，從而能精確控制聚氨酯成型的環境溫度，並且ATC 中會插入溫度感測器，來量測材料的核心溫度變化。
CMD(Curing Monitor Device, CMD) 則是用來偵測介電極化的變化來洞悉發泡中的電化學過程，進而監測泡沫的固化程度，透過介電常數介電極化的測量參數，可深入了解泡沫形成過程中發生的電化學過程。介電極化本質上是由具有大偶極矩的鏈狀分子引起的，因為它們的極性末端（OH，NCO）。鏈形成先於交聯反應，最終通過固化抑制所有偶極子遷移率。因此，介電極化值可揭示反應過程中的固化程度（如圖3）。
圖1：(a)PU 發泡；(b) 輕量化產品（PU 發泡）
發泡量測與模擬結合
圖4(a) 為ATC 中最終泡沫高度的數值和實驗結果之間的比較，而圖4(b) 則顯示模擬發泡高度的歷史曲線與量測最終高度的實驗結果作為對比。在這兩種情況下，模擬結果都與實驗相符。圖5 顯示了溫度歷史曲線的實驗和數值結果的比較，由於PU 反應是放熱反應，系統溫度隨時間升高。溫度模擬結果與實驗結果接近。
汽車行業應用
我們將測得的PU 材料參數輸入Moldex3D 並搭配上模擬實際產品的模型，進行優化相關的設計和製程參數，如加熱棒設計、模具溫度設置、PU 劑量、排氣設計和設置等。
圖4 顯示在模擬模穴內PU 發泡的流動波前。首先，因重力熔融的聚氨酯會先沿模穴底部填充。當填充量達模穴的35% 時，聚氨酯反應會釋放CO2 氣體，聚合物黏度會因交聯反應而增加。同時，放熱反應的反應熱將被釋放以提高模穴的溫度。結果，越來越多的CO2 氣體在相對較高的溫度條件下釋放到熔融態的聚合物中。最終，聚氨酯將發泡並完全填充模穴。
圖2：(a)FOAMAT 285；(b)FOAMAT 285 各部件的講解圖
圖5 顯示發泡聚氨酯的密度分佈。密度分佈可檢視發泡過程中的膨脹效應。發泡轉化率越高，產生的CO2氣體就越多，導致聚氨酯發泡的體積更大，密度更輕。
圖3：FOAMAT 量測歷程圖
圖4：(a)ATC 中最終發泡高度的實驗（左）和數值（右）結果的比較；(b) 模擬發泡與實驗中最大發泡高度的比較
結語
在發泡產品的製程中因為泡體的大小、位置、密度和產生的體積膨脹率皆與材料特性息息相關，因此科盛科技材料實驗室近年致力於完善發泡材料的量測。並將量測的數據演算成材料特性參數，結合Moldex3D進行數值分析，可使客戶能更全面的了解自己的產品特性，亦可藉由軟體可視化的特點更精細且可量化的分析發泡製程。既能減少製程開發中的成本，同時可進行產品優化，以得到最符合自己的產品設計。■
圖5：溫度隨時間變化的實驗（藍線）和數值（紅線）結果的比較 
圖6：(a) 射出結束（35% 部分填充）和(b) 發泡結束時的流動波前
圖7：(a) 射出結束時的密度分佈（35% 部分填充）和(b) 發泡結束時的密度分佈
