2003 IKE 09-0

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PIKE-icon-IKE-20-50 Read document Expensive   研發手札: 發泡基本觀念與概論•0120•

 
Practice  │ Foaming  │ Basic  │
 foam; foaming; processing; additive; nucleation; cell; pressure; ratio; residant time;  
*PIKE-F12T4E7P12V02S0120*
Equation.Table.Figure   ..王昭欽 組長
材料技術組@PIDC
 
為何要發泡?
   發泡材的特性:質輕、比強度高、緩衝能力、隔熱、隔音。


質輕:
ρc = ρs (1-φg) + ρgφg

                   ρc :發泡塑膠密度
                        ρs :純塑膠密度
                        ρg :氣體密度
                        φg :氣體所佔體積比率

        因為 ρs>>ρg,所以上式可簡化為              ρc = ρs (1-φg)

        假如泡體中氣體所體積比率 = 90%,塑膠密度 = 1,
        則發泡塑膠密度 = 1×(1-0.9)=0.1

        一般言:
        d>0.24 g/cm3  中低發泡,如:鞋子大底
        d<0.24 g/cm3  高發泡,  如:鞋子中底、保溫材


比強度高:
發泡倍率增加,則機械度降低,但比強度會增高,以剛度為例:

純 ABS,d = 1.03 g/cm3,模數 Es 為 21000 kgf/cm2
發泡 ABS,d = 0.5 g/cm3,模數 Ec 為 7000 kgf/cm2
則兩根樑壁的剛度差?

在縣臂樑受外力P,計算最大繞度如下:
                                         

或中 L:懸臂樑的長度
     I:懸臂樑的轉動慣量,
     b,h:分別為樑的截面寬度及高度
     則   
以純 ABS 和發泡 ABS 所做的兩根懸臂樑重量,長度、截面形狀、截面寬度,所受外力都相等的情況下,其變形量之比計算如下:


所以泡體所做的 ABS 剛度比純 ABS 強 2.66倍。


緩衝能力:
發泡塑膠受到衝擊負荷時,泡孔中的氣體經過滯流和壓縮,使外來的能量被消耗,逸散。泡體以較小的負如速度,逐步終止衝擊負荷。所以,發泡材有很好的緩衝能力。
例:以 0.5 ~ 1.5mm 的孔塑膠為例,當泡體被壓縮10%時,外層泡孔的肋架開始被壓彎,當壓縮到 25% 時,外層的的泡孔崩塌,靠近外層的泡孔壓縮 10%,而中央的泡孔變形氣  3 ~ 5%。


隔熱性好:
發泡塑膠的導熱係數比純塑膠低得多因為氣體的熱傳導率比塑膠的低了近一個級數 (10倍)
   


熱傳導率 ( cal/m/h/℃ )

塑膠或氣體
熱傳導率
PS
108
HPVC
137
KDOE
288
HDPE
414
PP
101
Nylon 66
204
N2
20
O2
22
CO2
22


 

由於發泡塑膠中的氣體相互隔離,所以減少了氣體中的對流熱傳,所以有助於發泡塑膠的隔熱能力。以密度 0.65 g/cm3 的 PS 為例,其熱傳導率比純 PS 小一半。

PS 發泡塑膠, K 與密度的關係圖


發泡塑膠傳熱量與泡體密度的關係


隔音能力:
吸收聲波的能量,使它不能反射或傳遞。
消除共振,減少噪音。



發泡材的分類
倍率:高密度或低密度。


軟硬度:軟質,硬質,半硬質。
軟質:常溫下,發泡體中的晶體聚合物熔點低於常溫或無定形聚合物的玻璃軟化溫度低於常溫,這類泡體在常溫下較軟,是軟質發泡塑膠。
如:橡膠,彈性聚氨酯,軟質PVC,和部份聚烯烴類的發泡體。
硬質:常溫下,發泡體中的聚合物屬於結晶態,或無定形聚合物的玻璃軟化溫度高於常溫,這類泡體在常溫下較硬,是硬質發泡塑膠。
如:PS,酚醛,聚碳酸酯,環氧樹脂,硬PVC,多數聚烯烴類,部份聚氨酯發泡體。
半硬質:介於兩者之間。


結構:一般發泡或結構發泡。

   


化學發泡劑之發泡材的特性及使用場合

  特    性       發泡程度                  使用場合

獨 立 氣 泡
硬 質
工程塑膠防止凹陷,PS,ABS,PP異押,PE,PP棧板(1.5倍)
硬質橡膠
PVC塊
半硬質
PE板(2倍)
EVA鞋底 ( 4 ~ 6倍)
PP板 ( 20 ~ 30倍)
軟 質
PVC壁紙,皮 (2~3倍) EPDM防撞條 (3倍)
PVC壁紙 (5~10倍)
PE,PVC板 (14~40倍)
連續氣泡
軟 質
PVC壁紙 ( 2 ~ 3倍)
EPDM板 ( 10倍)
PE塊 ( 20倍)



常用的發泡塑膠品種與特性

Type
發泡塑膠品種
類型
微孔
密度(kg/m3)
最高工作溫度 (℃)
熱塑性塑膠
PS
PE
PVC
PVC
ABS
PC
聚酯
Nylon
聚甲醛
半硬
閉孔
閉孔
閉孔
開或閉
閉孔
閉孔
閉孔
閉孔
閉孔
16~160
21~800
32~64
64~960
160~890
800~1120
800~1120
640~960
800~1120
79
82
93
62~101
82
132
149
149
104
熱固性塑膠
PU
PU
聚三聚異氰酸樹脂
酚醛樹脂
尿醛樹脂
環氧樹脂(自發泡)
環氧樹脂(複合)
聚有機硅氧烷(海綿)
聚醯亞胺(自發泡)
聚醯亞胺(複合)
半硬
硬軟
閉孔
開孔
閉孔
開或閉
部分閉
閉孔
閉孔
開或閉
開或閉
閉孔
21~640
14.5~320
24~320
51~352
13~19
32~320
224~640
154~544
32~640
224~640
93~121
66~93
149
149
49
177
<260
204~343
360
316



發泡材的應用

應用
特性
範例
緩衝材
吸收能量
座墊,褥墊,床墊,枕蕊,皮策內襯,包裝材
建材
低熱傳
低透水性
隔音
仿木(地板,踢腳板,角木,門窗),天花板,隔板,鍍鋅鋼板加泡棉
斷熱性
低熱傳
空調保溫管,冰桶
工業用途
壓縮性
耐油性
浮力
墊圈,浮標,防震墊,載油體,過濾器,載水體,空調保溫管
交通工具
質輕
吸收能量
熱絕緣性
門內襯,防水條,保險桿內襯,空調管線,遮陽板,座墊
運動休閒
吸收能量
浮力
求生圈(衣),助泳板,沖浪板,露營睡墊,健身房地板墊,運動鞋
農業
隔熱
溫室,人造土壤
其它
 
玩具,拼圖,桌墊,滑鼠墊


 

電子顯微鏡下獨立性氣泡結構


電子顯微鏡下開放式氣泡結構


發泡材的物性範圍
  • (a)密度
  • (b)熱傳導度
  • (c)楊式模數
  • (d)壓縮強度


發泡劑的量與發泡倍率的關係


發泡倍率與表面硬度的關係
  • 資料來源:謝立生先生,高分子工業雜誌


發泡倍率與抗拉強度的關係


發泡倍率與伸長率的關係
  • 資料來源:謝立生先生,高分子工業雜誌


發泡倍率與撕裂強度的關係


密度 37 kg/m3 的 PE,開放氣泡比率與壓縮強度之間的關係
  • 資料來源:謝立生先生,高分子工業雜誌
   

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  更新期別: 2003IKE09-0. Date: 2003/11/27.
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