微孔聚合物泡沫是含有十億微小氣泡的塑料，它們的孔隙直徑小於100μm，每單位體積密度大於108 /cm3。第一個商業微發泡注塑成型技術（即Trexel公司的MuCell注塑工藝）於20世紀90年代，以麻州研究所進行的研究為基礎被開發出來。在這種原始的最常用的微孔泡沫注塑工藝中，超臨界流體（SCF）的泵單元用於加壓物理發泡劑（PBA）（氮（N 2）或二氧化碳（CO 2））至超臨界壓力水平。然後PBA通過一個噴射器閥引入到含熔融聚合物的機筒中。以這種方式，該氣體在注射前便溶解到聚合物中。這種泡沫生成工藝的好處是，塑料回收被允許，使得它們的碳消耗減少，原材料的成本降低。由於引入了MuCell技術，不同的微孔發泡技術已經研發成功，並且該方法已在汽車、計算機和家電領域取得了巨大成功。但是，在這些較新的技術中，我們仍然需要使用SCF泵單元（將氮或二氧化碳加壓到超臨界狀態），它引起了機器和操作成本的不斷增加。
在這一研究領域中，盡管毫無根據，但仍存在較強的觀念認為微孔泡沫的準備需要超臨界CO2或N2，這樣的SCFS提供了特殊的性能。與此相反，已經有實驗證明，CO2和N2在熱塑性聚合物中的溶解度滿足亨利定律（即，氣體甚至可以在低於臨界壓力下溶解在聚合物中）。因此，理論上，即使當飽和壓力（對應於溶解PBA濃度）比臨界壓力值低，我們也可以進行物理發泡。但是，不含高壓泵係統的注射成型機還沒有被開發出來。
在我們的工作中，我們已經開發出一種新的泡沫注射成型的方法（不含SCF泵單元）用於生產微孔泡沫。我們通過將PBA（即，CO 2或N 2）直接從氣罐傳輸到熔融聚合物中來簡化注射成型過程。此輸送通過一個噴射閥，我們可以通過使用專門設計的操作順序和螺杆配置來實現。
我們的發泡注射成型裝置如圖1所示，包括一個通風孔，具有通氣容器，在機器的中間。通過該通氣孔，多餘的PBA氣體（即，存在熔融聚合物中的氣體殘留PBA）可以從熔融聚合物排出到大氣中。相應的，它也可以被用來將PBA氣體引入至該熔融聚合物中（當聚合物在PBA中的濃度低於飽和點時）。具體地，我們可以通過調整通氣容器內的壓力來調整溶解在熔融聚合物中的PBA濃度。我們可以通過排出管線端部的背壓調節器來調控通氣容器的壓力。
圖1 （a）新型泡沫注塑機示意圖（不含超臨界流體泵單元）。 N2：氮氣。 CO2：二氧化碳。P：壓力指示器。 （b）物理發泡劑（PBA）輸送係統，它由一個噴射閥和通氣容器組成。
以我們的技術製造的芯後泡沫注塑製品的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像如圖2所示，我們以三個不同的膨脹比製備了這些泡沫（2、3、5）。此外，我們使用了CO2或N2作為PBA，開閥時間為0.2秒的噴射器，壓力為5MPa的通氣容器以及二次壓力為8 MPA的氣瓶。這些SEM圖像表明，該泡沫體的泡孔尺寸與常規泡沫注射成型方法得到的泡沫體大致相同，甚至更小。因此，我們表明，我們的泡沫注塑機和方法可以成功地用於生產微孔發泡製品。
圖2 芯後泡沫注塑製品的芯層掃描電子顯微鏡圖像。這些圖像從垂直於泡沫體的芯後方向獲得。這些泡沫使用了N2或CO2作 PBA，並以2、3、5的膨脹比獲得。每個樣品的平均泡孔尺寸和發泡溫度分別在每個圖像的底部和左上角示出。
僅通過從通氣孔輸送PBA，我們也可以用我們的係統生產微泡沫。聚丙烯注塑製品及其相應的微孔泡沫的一個例子如圖3所示，我們通過從通氣容器和孔向熔融聚合物中輸送空氣的方式製備微孔泡沫，同時噴射閥完全關閉。空氣由空氣壓縮機提供，其中，空氣被簡單地從大氣壓壓縮至4MPa。通過我們的工藝，原始盤形板的大小（直徑為100mm，厚度為1mm）擴大到厚度為2mm。此外，該板由於微型氣泡反射而呈現出白色。
圖3 聚丙烯（PP）注塑製品（左）和它的微孔泡沫（右）。兩個板的直徑為100mm。非發泡和發泡產品的厚度分別為1mm和2mm。
總之，我們已經開發出一種新的注射成型係統，無需SCF泵單元即可完成微孔聚合物泡沫的製造。在我們的技術中，我們可以使用非超臨界氮氣、二氧化碳或壓縮空氣作為物理發泡劑來生產穩定的微孔泡沫材料。因此，我們已經表明，加壓N2或CO 2至超臨界狀態不是微孔注射成型的必要條件。在我們即將進行的工作中，我們將通過優化螺杆設計和通氣容器的PBA傳輸來改進我們的技術。這將使我們能夠以較低的成本輕鬆地實現現有的注塑成型機向我們的係統設計的轉換。
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