CO2対N2

背景：

マイクロセルラー発泡に関する初期の開発作業は、バッチ プロセスを使用して行われました。このプロセスでは、プラスチック部品を高圧チャンバーに入れ、チャンバーを超臨界流体で満たします (下の図を参照)。サンプルは通常、SCF による飽和を可能にするために十分な時間 (通常は 24 時間以上) チャンバー内に放置されます。飽和レベルは、チャンバー内の圧力と温度に依存します。MIT で使用された最も一般的なガスは二酸化炭素でした。

プロセスが開発され、バッチプロセスから押し出しプロセスに移行していく中で、二酸化炭素は引き続き SCF の選択肢として選ばれてきました。二酸化炭素は、溶解度レベルがはるかに高いため、より高い密度低下とプロセス温度の大幅な低下が可能となり、押し出しプロセスでは窒素よりも好まれました。押し出しプロセスでは、材料は大気圧で発泡し、セル成長の重要な制御は、材料がダイから出る温度です。ガラス転移温度と結晶化温度は、溶液中の SCF の量で低下させることができるため、二酸化炭素のレベルが高いほど、特に非晶質材料とタンデム押し出し機で、これらの温度を大幅に低下させることができました。時が経ち、高密度のフォーム ソリューション (0,2g/cc を超えるもの) が普及するにつれて、N2 は押し出し発泡でより広く使用されるようになりました。その理由は、N2 を使用すると、発泡剤の重量パーセントを大幅に下げてもセル サイズが小さくなるため、低温を提供するための特殊な装置の必要性が減り、CO2 の使用量と膨張量が多いことによる望ましくないアセティックを処理する必要性が減るためです。さらに、樹脂ブレンドを調整する必要性も軽減されます。

MuCell 技術が射出成形に移行するにつれて、窒素はより一般的な SCF になり続けました。現在では、ほぼすべてのお客様が射出成形に窒素を使用しています。

SCF の選択:

窒素と二酸化炭素の間には、発泡プロセスで非常に異なる動作をもたらす重要な違いがあります。二酸化炭素の溶解度は窒素よりもはるかに高いということです。これは基本的に、より多くの二酸化炭素を溶液に入れることができるが、金型キャビティに注入すると、二酸化炭素が溶液からゆっくりと出てくる傾向があることを意味します。

表 1 に示すように、ポリマー中の CO2 の溶解度は窒素の溶解度よりも 3 ～ 5 倍高いと推定されます。   

表1: 選択されたポリマーの推定溶解限界（200℃、276バール）

*溶解限界は温度と圧力の条件に大きく依存します。  

溶解度レベルが高いということは、成形条件、バレル温度、背圧、スクリュー速度が一定であれば、より多くの二酸化炭素をポリマーに溶解できることを意味します。ポリマーに溶解する SCF のレベルが高いほど、ガラス転移温度や結晶化温度のシフトが大きく、ポリマー粘度の低下も大きくなります。ガラス転移温度や結晶化温度の低下はフォーム押出プロセスにとって重要ですが、通常、射出成形プロセスでは、SCF 射出位置の前方にプロセス温度を下げる能力を活かすのに十分な滞留時間がありません。したがって、このポリマー特性の変化は、通常、射出フォーム成形にとって利点にはなりません。

粘度の変化は有益です。ほとんどの場合、二酸化炭素を使用すると窒素に比べて最大 2 倍の粘度低下を達成できます。  

溶解限界は、滞留時間が無制限であることを前提としていることに注意してください。射出成形プロセスにおけるポリマーの超臨界発泡剤への典型的な露出時間は、1 分から 10 分の範囲です。SCF がポリマーに溶解する時間が限られているため、実際の SCF 含有量は、推定溶解限界よりもはるかに少なくなります。

窒素は溶液からより速く抜け出し、より激しい発泡反応を引き起こします。このより激しい反応には、良い面と悪い面の両方があります。良い面としては、窒素はより高いセル密度を生成する傾向があり、これはまた、全体的なセルサイズが小さくなることにもつながります。さらに、窒素は CO2 よりも薄い壁でセル構造を生成します。下の画像は、壁厚 0.7 mm の容器で成形された透明ランダム共重合体 PP を示しています。4% CO2 では、容器の壁には目に見えるセル構造がありませんが、1.5% 窒素では、容器に不透明を引き起こすセル構造があることがわかります。これは、CO2 がセルを成長させる前にポリマーが凍結し、窒素が急速にセルを拡張するために発生します。

写真1：

窒素で見られる激しい発泡のマイナス面は、窒素が通常 CO2 よりも顕著な表面変化を生み出すことです。