本文介绍了一种生产热塑性聚氨酯发泡塑料的新颖方法，该方法利用了气载粒料和微孔注射成型工艺，制品具有低密度、均匀的泡孔结构、高耐久性的优点。
由于优异的性能，低密度的热塑性聚氨酯（TPU）发泡材料在今天被广泛用于家具、汽车、运动服和包装领域。它独特的优异性能包括轻重量以及其良好的缓冲作用，高耐磨性，在压缩下能量可以快速恢复等。迄今为止，大多数的TPU发泡材料由间歇注射发泡或挤出发泡成型。然而，受到固有的低生产速度的影响和发泡挤出时几何形状的限制，挤出发泡难以实现批量化。注塑发泡则可有效地克服以上两个问题。由Trexel公司发明推广的微孔注射成形（MIM）又称MuCell是最广泛使用的发泡注射成型技术之一。在MIM的塑化过程中，超临界流体（SCF）注入并混合到聚合物熔体中，然后注入到模腔中，突然的压力降引起热力学不稳定，产生溶解气体，成核并形成微孔泡沫结构。
在我们的研究中，我们发明了“超临界载流粒料注塑发泡技术” （SIFT）。有别于传统发泡注塑方法，我们不是直接将SCF注入到注射机筒中，而是先通过特殊的挤出方法将 SCF嵌入到塑料粒料中，然后，我们使用传统注塑设备将这些气载颗粒注射进模腔。利用我们的SIFT方法，我们可以只利用一台包含注气装置的挤出机便可生产气载粒料。此外，气载粒料可用于几种不同的常规注塑机，无需任何修理或额外的设备以产生轻质发泡部件。以这种方式，我们能够显著降低设备成本，以及所需的机器修理费用。
图1 超临界载流粒料注塑发泡技术（SIFT）与微注塑成形（MIM）工艺结合原理图。
在我们的一个早期研究中，我们发现，以适当的比率组合氮气（N 2）和二氧化碳（CO 2）作为共发泡剂能产生协同效应，成核效率远大于二者单独作用的和。因此，一个更精细的单元结构被创建，发泡材料质量进一步减小。在这项工作中，我们研究了一种新的SIFT / MIM组合方案（见图1），通过结合这两个过程，两种不同发泡剂的用量可以独立地控制。
我们进行了四因素三级试验设计（DOE）来确定影响发泡材料性能的因素（见表1）。我们输入的四因素包括气载粒料的CO 2含量（我们维持0.8％的N 2含量）、模具温度、注射量和冷却时间。DOE设计对于每个输入的因素均涵盖三种级别的值，见表1。我们的输出评估变量包括细胞核密度、堆积密度、压缩滞后损耗、肖氏A硬度、和抗拉强度。
表1 四因素三级DOE试验的细节设置。括号内的数字表示输入因素。括号外的数字表示DOE试验中的等级。
四个输入因素对五个输出因子的主要影响见图2。我们发现，将CO 2加进气载粒料与N 2组合，实现了一种改进的泡质。通过使用较高含量CO 2，我们可以产生较低堆积密度的泡沫与更精细的泡孔结构。同时，减少的滞后损失也改善了发泡材料的耐久性。总的来说，我们的结果表明，较高的模具温度和适中的注射体积对发泡最为有利。从所有的测试中我们发现，试验8（见表1）表现出最佳的性能。在此试验中，我们产生了最低体积密度（0.2克/立方厘米）和最低滞后损失（24.4％）。因此，我们可以确保能源的恢复和持久的性能在长期循环载荷下处于较高水平。试验8中产生的细胞结构的扫描电子图像见图3
图2 DOE试验得到的主要影响图解。
图3 扫描电子显微镜图像显示试验8（见表1）中产生的细胞结构的形态。
在这项研究中，我们使用新型气载颗粒/ MIM相结合的方法成功地生产了高膨胀泡沫的TPU。我们进行DOE试验研究了各种工艺参数的影响。我们使用二氧化碳和氮气作为我们SIFT/ MIM组合工艺的共发泡剂，因此我们能够实现进一步降低堆积密度和滞后损耗。我们发现，较高的气体含量，较高的模具温度，较短的冷却时间和中等进样体积是生产低密度TPU发泡注塑件的优选条件。我们的工作的下一个阶段是研究利用我们的方法注塑其它热塑性材料的可行性。我们将进行更详细的研究，并报告这些成果。
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