化学的発泡と物理的発泡

発泡市場:

発泡射出成形市場は、高圧発泡成形と低圧発泡成形に分けられます。一般的に、低圧発泡成形は構造発泡市場と見なされます。この市場は、比較的厚い壁面 (6 mm 以上) の部品と、大きなプラテンと低いクランプ力で設計された機械によって定義されます。歴史的に、この市場では、セル構造を生成するために、物理的発泡剤として窒素、または発熱化学発泡剤 (CFA)、あるいはその両方の組み合わせが使用されてきました。

高圧発泡成形にも長い歴史がありますが、MuCellなどの物理的発泡技術の出現により、最近ではさらに興味深いものになっています。^® プロセスと、トレクセルのTecoCellなどのより高度な吸熱化学発泡剤のいくつか^® 製品の提供。この市場では、より従来型の構成の射出成形機が使用され、壁厚が 1 ～ 4 mm の部品が扱われます。これらの用途では壁が薄く、流動長と厚さの比率が大きいため、密度の低下は通常 5 ～ 10% の範囲になります。    

高圧フォーム市場における化学的または物理的な発泡剤:

運用費用：

高圧発泡プロセスは、物理的または化学的発泡剤を使用して実行できます。コストとパフォーマンスの両方の利点があり、適切な選択を決定します。最初の考慮事項はコストです。化学発泡剤は、小さな資本投資（通常はフィーダーシステムと遮断ノズル）を必要としますが、運用コストは大きくなります。これらの発泡剤のコストは、 €4.65/kg (2.50ドル/ポンド) から最大 9.30 ユーロ/kg (5.00ドル/ポンド) で、壁の厚さと必要な密度低下に応じて、重量の 1% から 3% の範囲で使用されます。これは、特定の化学発泡剤のコストとレットダウン比に応じて、0.02 グラム (0.025 ポンド) の部品に対してわずか 454 ユーロ (1 ドル) から最大 0.085 ユーロ (0.10 ドル) の追加コストを表す場合があります。物理的発泡技術は、資本集約的 (高圧 SCF 供給システムが必要) になる傾向がありますが、運用コストは非常に低くなります。一般的な 454 グラム (1 ポンド) の部品の場合、消費される窒素のコストは、部品あたり 0.002 ～ 0.006 ユーロ (0.0025 ～ 0.007 ドル) の範囲になります。したがって、XNUMX つの発泡技術を検討する際の重要な考慮事項の XNUMX つは、化学発泡剤の継続的な運用コストと比較した物理発泡技術の資本コストの償却です。一般に、機械の稼働率が高い場合は物理発泡の方がコスト効率が高く、機械の稼働率が低い場合は化学発泡の方がコスト効率が高くなります。ただし、これは生産コストの材料コストの割合に大きく依存します。

重要な考慮事項:

処理される材料の種類も考慮する必要があります。この特定の領域は、処理温度、湿気に対する感受性、そして最後に充填剤の有無の観点から検討できます。  

化学発泡剤は、化学反応を利用して発泡剤として機能するガスを生成します。バレル内で反応が早すぎると、生成されたガスが固形物層を通ってフィードスロートから逆流し、ガス成分の一部または全部が失われ、部品に発泡がほとんどまたはまったく発生しなくなります。プロセス温度が低すぎると、反応がまったく起こらないか、反応速度が遅すぎてガスが部分的にしか発生しません。対照的に、MuCell プロセスなどの物理発泡では、プロセス温度に関係なく、サイクルごとに正確な量のガスがバレルに直接注入されます。したがって、物理発泡はすべてのプロセス温度に適しています。市場にはさまざまな化学発泡剤がありますが、最も一般的な薬剤の反応温度は 160 ～ 200 ℃ です。

材料に関する 2 番目の考慮事項は、湿気に対する敏感さです。ほとんどの材料サプライヤーは樹脂の乾燥を推奨しています。場合によっては、材料の表面に広がった水分を除去するだけです (ポリオレフィンやスチレン系材料に典型的)。  この場合 材料の性能に悪影響はありません。他の材料は水と反応して材料の分子量が減少し、それに応じて性能が低下します。  この場合乾燥は見た目の理由だけでなく、材料から最適な性能を引き出すためです。  この場合では、水を発生させない化学発泡剤を選ぶことが重要です。物理発泡剤を使用すれば、この問題は解消されます。

最後の考慮事項は、一般的な材料タイプ (半結晶性または非晶質) と充填剤の使用です。充填剤を組み込んだ材料は、化学発泡剤と物理発泡剤の両方で良好なセル構造を実現する傾向があります。これは、充填剤が個々のセルの核形成剤として機能し、より速い冷却によってセル構造を制御するのに役立つためです。充填剤のない材料、特に充填剤のない半結晶性材料では、物理発泡剤を使用するとセル構造が不均一になる傾向があります。これは、充填剤のない材料に物理発泡剤を使用した場合、セル核形成に寄与するのは圧力降下率と SCF レベルだけであるという事実によるものです。化学発泡剤は自己核化する傾向があります。これにより、一部の充填剤のない材料、特に HDPE と PP では、ゲートから充填の終わりまでセル構造がより均一になります。さらに、CO2 が溶液からゆっくりと出てくるため、吸熱性 CFA はセル構造がより均一になるだけでなく、スキン層も厚くなる傾向があります。  

充填材および非充填アモルファス材料を使用する場合、CFA による自己核形成の利点は、物理発泡剤と比較するとそれほど重要ではありません。特にガラス充填材の場合、物理発泡剤と化学発泡剤の間でセル構造の均一性に違いはありません。

パーツの形状:

部品の壁厚と流動長さ/厚さ比も決定要因になります。一般的な化学発泡剤は、添加総量の約 2% の割合で CO25 を生成します。つまり、ポリマーに 2% の発泡剤濃縮物を追加すると、重量の 0.5% の CO2 が生成されます。ここで考慮すべき点が 2 つあります。まず、CO2 は N2 よりもはるかに攻撃性の低い発泡剤であり、CO1 は窒素よりもゆっくりと溶液から出てきます。つまり、セルの成長にはより長い時間が必要です。壁厚が薄くなると、材料の冷却時間が短くなるため、セルの成長にかかる時間が短くなります。2 mm では、金型内の材料の冷却速度により、CFA で密度の低下はほとんど発生しません。物理発泡プロセスでは、より高いレベルの CO0.35、またはできれば窒素を使用して、壁厚 XNUMX mm のフォーム構造を作成できます。どちらのシナリオでも、一般的な CFA と比較して密度の低下が大きくなります。

プロセスの一貫性:

プロセスの一貫性は、部品ごとに同じセル構造を生産する能力と定義できます。これは、ショットサイズ、射出速度制御、溶融温度に関連する成形機の一貫性と、発泡剤の添加の両方によって制御されます。物理的発泡剤の場合、これはショットごとに同じ量の SCF を追加し、その SCF がポリマー溶融物に溶解するのを管理することに関連します。化学的発泡剤の場合、これはフィードスロートで正しい比率を追加することと、実際の発泡成分である CO2 または窒素を生成する化学反応を管理することに関連します。  

化学発泡と物理発泡のどちらの場合も、発泡剤の投与メカニズムは正確で繰り返し可能でなければなりません。適切に設計されたシステムでは、化学発泡剤と物理発泡剤の両方を正確かつ繰り返し投与できます。  

化学発泡剤を使用する場合、反応の一貫性、つまり変換レベルとバレル内で反応が開始および終了する位置の両方が、プロセスの再現性にとって重要です。前述のように、反応の位置が変わると、放出されるガスの量とフィードスロートから漏れる可能性のある量が変わる可能性があり、これにより発泡成形部品にばらつきが生じる可能性があります。

成形機を変更することで、プロセスの一貫性を改善することもできます。まず、ホット ランナーにシャットオフ ノズルとバルブ ゲートを使用すると、プロセス ウィンドウとプロセス制御が大幅に向上します。また、スクリューの設計を変更することで、バレル内の発泡剤の管理が改善されます。物理的または化学的発泡剤のすべてのメーカーが機械の変更を必要とするわけではありませんが、Trexel は、これらが繰り返し可能な発泡射出成形プロセスにとって重要であることを理解しています。

残留副産物:

化学発泡剤は、プロセスの性質上、反応化学反応の残留副産物を生じます。場合によっては、これが水である可能性があり、前述のように、特定のポリマーで問題を引き起こす可能性があります。また、これらの成分が金型の腐食や金型表面のメッキにつながる場合もあります。材料/金型構造の要件に合わせて、適切な CFA 化学反応を選択する必要があります。

物理発泡剤は反応を起こさないため、反応副産物は生成されません。ただし、物理発泡剤はポリマー内の低分子量成分の移動性を高め、金型ベントから排出される成分のレベルを高める可能性があります。これが、物理発泡剤を使用する場合は金型ベントを深くすることが推奨される理由の 1 つです。低分子量成分の移動性が高くなる傾向は、超臨界流体の性質に関係するため、化学発泡剤でも見られます。

一部の市場/材料では、化学発泡剤の残留副産物が受け入れられない場合があります。たとえば、体液に接触する特定の医療機器や一部の包装用途などです。これらの材料は、一部のリサイクル ストリームから禁止される場合もあります。

規制上の問題:

化学発泡剤に関する規制上の問題が増えています。特に、アゾジカルボンアミドベースの製品発泡剤は、ヨーロッパの監視リストに載っています。特定の化学発泡剤の組成に関する現地の規制上の問題を理解することが重要です。

比較表：

以下の表は、特定の材料タイプと部品設計に関して、化学発泡剤と MuCell プロセスを比較したものです。

これらの材料効果を考慮すると、2 つの技術が共通して使用される最も一般的な領域は、充填剤の有無にかかわらず汎用材料 (HDPE、PP、PS、ABS) で製造された部品です。プロセス温度が上昇すると、適切なグレードの化学発泡剤を見つけることが難しくなります。

概要

一般的に、化学発泡剤は、以下の点で物理発泡技術に比べて優れています。

• 比較的厚い壁（4mm以上）
• 材料消費量が少ない、または機械稼働率が低い
• 充填剤が入っていない汎用樹脂。  
• 外観への影響をほとんど与えずにヒケを除去

物理発泡技術は、以下の点において化学発泡剤に比べて優れている傾向があります。

• 壁厚2mm未満、特に1.5mm未満
• プロセス温度が175℃未満または270℃を超える
• 高い材料消費率/高い機械稼働率
• 発泡による軽量化の最大化
• 設計最適化による軽量化

これらの要因を考慮すると、2 つの技術が共通して使用される最も一般的な領域は、壁厚が 3 ～ XNUMX mm の範囲で、フィラーの有無にかかわらず汎用材料 (HDPE、PP、PS、ABS) で製造された部品です。プロセス温度が上昇し、壁厚が薄くなると、特に窒素が物理的発泡剤である場合、物理的発泡と比較して化学発泡剤の利点は少なくなります。