近年來產業輕量化技術不斷地落實與提昇，其中兼顧綠能與環保技術的微細發泡技術持續受到許多人之關愛。微細發泡射出主要分成物理發泡法或化學發泡法，其中化學發泡法雖然已經使用數十年，但因採用化學發泡劑(Chemical Blowing Agent ; CBA)來進行發泡製程中，很容易因複雜的發泡反應機理無法有效掌握，加上許多複合參數之多變影響，相較於物理發泡，更不易掌控氣體發泡之成核與成長。為此，本研究之目的是希望透過模擬分析(Moldex3D CBA 模組) 與實驗研究方法，以標準拉伸試片平台(ASTM-D638 TypeI)，有系統地研究化學發泡之微觀發泡成核與成長與其對產品巨觀特性變化。具體而言，我們將應用放熱型、吸熱型、並將兩種混合且觀察劑量與混合比例的不同，加入這些發泡劑後對於塑件有何影響，在不同的操作條件下探索其中之差異。結果顯示，在放熱型發泡劑上，從純料加入1 wt % 化學發泡劑作用時，發泡後產品之各種幾何外形，以及許多物性及機械強度都有非常明顯變化，但對比之 2-4wt% 化學發泡劑系統變化明顯趨緩；接著，在吸熱型方面，從純料加入1wt%發泡劑稍有補償收縮，但到高劑量的6wt%改善收縮的狀況則無明顯變化，最後在混合型的實驗上也發現，隨著放熱型發泡劑的比例增加，收縮也逐漸離產品原本尺寸更進一步。然而我們也從不同化學發泡劑含量對微觀之氣泡成長過程進行探討，當高化學發泡劑含量時，發泡產品內在有孔徑較小、數量較多之氣泡分布於產品內，此現象與物理發泡法所見非常相似。再則，我們也針對同一切面下，區域性氣泡分布於皮層、剪切層、核心層是如何變化深入地探討。另外，我們也同步針對不同化學發泡劑含量進行實驗研究，從產品短射實驗、巨觀幾何變化、機械強度的變化，以及微觀之氣泡成長變化之各項比對，趨勢結果與模擬預測相當吻合。

Recently, industrial lightweight technology has been continuously implemented and improved. The micro-foaming process has still used by many people because the process have the advantages of material saving and environmental protection. And micro-foaming injection process can be divided into two parts, physical and chemical foaming. Although Chemical foaming has been used for several decades . However using the chemical blowing agent (CBA) to execute the process is not so easy to control the complicated foaming reaction because of its variations of complex parameters. Comparing to the physical foaming, it’s so difficult to know the foaming how to nucleate and grow up. For studying chemical foaming systematically, using the standard tensile bar (ASTM-D638 Type I) be the research platform through the molding simulation (Moldex3D CBA module) and real experiment to know the bubble nucleation and growth and their influence on final product quality. In particular, we used different CBA (exothermic type) dosage mixing with the polypropylene in different temperature to explore the growth of the foam. The result show, the product shape and the mechanical properties are really having obvious changing after adding the CBA powder from 0–1 wt%. However, comparing from 2-4 wt% the change is obviously slowing down. On the other hand , we also discussion the foam growth process from different chemical blowing agent contents on microscope that the result show the high dosage CBA products have more small size bubble and the bubble amount is more than low CBA dosage inside the products.
This phenomenon is really like physical foaming. Furthermore, we also discuss the bubble how to distribute in the skin,shear,core layer in the same slice. In addition to , from the short shot of the product experiment, macroscopic geometric change, mechanical strength change to the microscopic bubble growth change, these tendency and simulation results are quite consistency.

致謝詞	I
中文摘要	II
英文摘要	III
目錄	IV
表目錄	VI
圖目錄	VIII
符號說明	XV
第1章 緒論	1
1.1 前言	1
1.2 文獻回顧	4
1.3 研究動機與目的	11
1.4 論文架構	13
第2章 化學發泡射出成型基本概論	15
2.1 塑膠射出成形原理	15
2.2 化學發泡射出成型法之簡介	19
2.3 CAE模擬分析與化學發泡射出成型	24
第3章 研究流程與方法	25
3.1 研究流程	25
3.2 數值模擬分析方法與相關資訊	27
3.3 化學發泡射出結果與分析重點說明	46
3.4 實驗研究之相關背景說明	50
3.5 各項射出成形輔助設備	61
3.6 化學發泡射出成型之實驗步驟	63
3.7 產品特性分析相關儀器及背景說明	65
第4章 結果與討論	75
4.1 化學發泡射出之模擬分析結果	75
4.2 化學發泡射出之實驗驗證與研究	90
4.3 混合型發泡劑比例變化之實驗驗證	113
4.4 模擬對混合型實驗之氣泡孔徑與密度驗證	122
第5章 結論	124
第6章 未來研究方向	126
第7章 參考文獻	128
附錄A. 實際實驗產品圖	134
附錄B. 放熱型發泡SEM圖	136
附錄C. 吸熱型發泡SEM圖	137
附錄D. 混合型發泡SEM圖	139
附錄E：放、吸化學發泡劑熱重分析數據	140
 
表目錄
表 1 1常見的發泡劑與釋放氣體比例	2
表 3 1 不同氣體之特定參數	31
表 3 2 PP K8003材料加工內容	40
表 3 3 數值模擬之成型條件	45
表 3 4 ARBURG 420C 1000 – 350射出機規格	51
表 3 5 TIRIPRO PP S1003 材料物性表[46]	54
表 3 6 AC3000F材料物性表	55
表 3 7 Kycerol 92材料物性表	57
表 3 8純PP料成型操作參數	58
表 3 9 PP塑料混入放熱型發泡劑(偶氮甲醯胺)之成型操作參數	59
表 3 10 PP塑料混入吸熱型發泡劑(碳酸氫鈉)之成型操作參數	59
表 3 11 PP塑料混入不同比例之混合型發泡劑成型操作參數	60
表 3 12 百陽模溫機規格	61
表 3 13 溫度感測器規格	62
表 3 14 塑件之拉伸速度	69
表 3 15 掃描式電子顯微鏡 (TESCAN Vega II)規格	70
表 4 1 充填結束時模穴內之平均壓力	109
表 4 2 模擬氮氣之單位立方公分的塑料氣體所占之體積	110
表 4 3 各劑量之單位立方公分的塑料氣體所占之體積與1wt%之比例	111
表 4 4 混合化學發泡劑劑量之比例表	113

 
圖目錄
圖 1 1 CO2 MIM+N2 SIFT濃度對氣泡變化[24]	7
圖 1 2 N2 MIM+CO2 SIFT濃度對氣泡變化[24]	7
圖 1 3 氣泡核於流動前端[33]	9
圖 1 4 噴泉流之流動行為[33]	9
圖 2 1 射出機構造與各部位名稱[36]	16
圖 2 2 射出成形過程與時間圖(白底為模具，黑底為螺桿)[37	16
圖 2 3射出成形-充填示意圖[37]	17
圖 2 4 射出成形-保壓示意圖[37]	17
圖 2 5 射出成形-冷卻示意圖[37]	18
圖 2 6 射出成形-脫模示意圖[37]	18
圖 2 7 塑料與發泡劑混合[38]	20
圖 2 8 發泡劑均勻的分散在塑料中[38]	20
圖 2 9 分解出的氣體溶在塑料中[38]	20
圖 2 10 成核[38]	20
圖 2 11 氣泡成長[38]	20
圖 2 12 氣泡停止成長[38]	20
圖 2 13 膨脹缺陷	22
圖 2 14 銀絲痕	22
圖 2 15 銀絲痕(光學顯微鏡下)	23
圖 2 16固體殘留物	23
圖 3 1 研究方法之流程圖	26
圖 3 2 電腦輔助工程之流程	33
圖 3 3 幾何模型與流道模穴之尺寸大小	34
圖 3 4 模具與水路佈局	34
圖 3 5 網格種類形態	35
圖 3 6 模穴與流道實體網格圖	36
圖 3 7 依進澆口壓力判斷網格收斂性	37
圖 3 8 依流率判斷網格收斂性	37
圖 3 9 網格品質	39
圖 3 10 PP K8003黏度對剪切率之關係圖	41
圖 3 11 PP K8003比容對溫度關係圖	41
圖 3 12 PP K8003比熱對溫度關係圖	42
圖 3 13 PP K8003熱傳導係數對溫度關係圖	42
圖 3 14 PP K8003黏彈性	43
圖 3 15 設定收縮倍數	46
圖 3 16 原始設計之幾何尺寸	46
圖 3 17 氣泡尺寸與密度之觀測區域	47
圖 3 18 氣泡尺寸與密度厚度切割之定義圖(前視圖)	48
圖 3 19 實驗射出機ARBURG 420C 1000 – 350	50
圖 3 20 產品之母模設計	52
圖 3 21 產品之公模設計	52
圖 3 22 聚丙烯結構	53
圖 3 23 偶氮甲醯胺結構式	55
圖 3 24 碳酸氫鈉結構式	56
圖 3 25 百陽模溫機	62
圖 3 26 溫度感測器CENTER 300 Thermometer	62
圖 3 27 化學發泡射出實驗流程圖	64
圖 3 28 射出成品之長度尺寸量測	66
圖 3 29 射出成品之寬度尺寸量測	66
圖 3 30 射出成品之厚度尺寸量測	67
圖 3 31 弘達儀器HT-9102M	68
圖 3 32 拉伸結束之試片	69
圖 3 33 鍍金機	70
圖 3 34 掃描式電子顯微鏡 TESCAN Vega II	71
圖 3 35 選取試片中心示意圖	72
圖 3 36 已鍍金之產品表面	72
圖 3 37 實驗剖面之SEM切層	74
圖 4 1 流動波前圖(數值模擬分析)	76
圖 4 2 流動波前圖(實驗)	76
圖 4 3 模擬與實驗流動波前比對放大圖:	77
圖 4 4 化學發泡(N2)射出成品之數值模擬長度尺寸變化	79
圖 4 5 化學發泡(N2)射出成品之數值模擬寬度尺寸變化	79
圖 4 6 化學發泡(N2)射出成品之數值模擬厚度尺寸變化	79
圖 4 7 數值模擬N2劑量對氣泡尺寸與密度之響應	80
圖 4 8 模擬分析不同劑量之孔徑比較(N2)	82
圖 4 9 模擬分析不同劑量之氣泡密度比較(N2)	82
圖 4 10 模擬N2各層氣泡孔徑(1~4wt%)	83
圖 4 11 數值模擬N2各層氣泡密度(1~4wt%)	83
圖 4 12 化學發泡(CO2)射出成品之數值模擬長度尺寸變化	85
圖 4 13 化學發泡(CO2)射出成品之數值模擬寬度尺寸變化	85
圖 4 14 化學發泡(CO2)射出成品之數值模擬寬度尺寸變化	86
圖 4 15 數值模擬CO2劑量對氣泡尺寸與密度之響應	87
圖 4 16 模擬分析不同劑量之孔徑比較(CO2)	88
圖 4 17 模擬分析不同劑量之氣泡密度比較(CO2)	88
圖 4 18 模擬CO2各層氣泡孔徑(4~6wt%)	89
圖 4 19 模擬CO2各層氣泡密度(4~6wt%)	89
圖 4 20 化學發泡(N2)射出成品之長度尺寸變化: 實驗結果與模擬分析比較	91
圖 4 21 化學發泡(N2)射出成品之寬度尺寸變化: 實驗結果與模擬分析比較	91
圖 4 22 化學發泡(N2)射出成品之厚度尺寸變化: 實驗結果與模擬分析比較	91
圖 4 23 N2實驗與模擬之氣泡尺寸與氣泡密度圖	93
圖 4 24 各層氣泡尺寸實驗與模擬圖(1~4wt%)	95
圖 4 25 各層實驗氣泡密度與模擬圖(1~4wt%)	95
圖 4 26 應力對應變做圖	97
圖 4 27 偶氮甲醯胺各劑量之降伏強度	97
圖 4 28 偶氮甲醯胺各劑量之抗拉強度	98
圖 4 29 偶氮甲醯胺各劑量之伸長率	98
圖 4 30 化學發泡(CO2)射出成品之長度尺寸變化:實驗結果與模擬分析比較	100
圖 4 31 化學發泡(CO2)射出成品之寬度尺寸變化:實驗結果與模擬分析比較	100
圖 4 32 化學發泡(CO2)射出成品之厚度尺寸變化:實驗結果與模擬分析比較	101
圖 4 33 碳酸氫鈉實驗與模擬之氣泡尺寸與氣泡密度圖	102
圖 4 34 碳酸氫鈉各層氣泡孔徑	105
圖 4 35 碳酸氫鈉各層氣泡密度	105
圖 4 36 碳酸氫鈉應力對應變做圖	106
圖 4 37 碳酸氫鈉各劑量之降伏強度	106
圖 4 38 碳酸氫鈉各劑量之抗拉強度	107
圖 4 39 碳酸氫鈉各劑量伸長率	107
圖 4 40 化學發泡(混合型)射出成品之長度尺寸變化	115
圖 4 41 化學發泡(混合型)射出成品之寬度尺寸變化	115
圖 4 42 化學發泡(混合型)射出成品之厚度尺寸變化	115
圖 4 43 混合型發泡氣泡孔徑與密度	116
圖 4 44 混合型氣泡各層孔徑與密度(M0)	117
圖 4 45 混合型氣泡各層孔徑與密度(M1)	118
圖 4 46 混合型氣泡各層孔徑與密度(M2)	118
圖 4 47 混合型氣泡各層孔徑與密度(M3)	118
圖 4 48 混合型氣泡各層孔徑與密度(M4)	118
圖 4 49 混合型發泡應力對應變做圖	120
圖 4 50 混合型發泡之降伏強度	120
圖 4 51 混合型發泡之抗拉強度	121
圖 4 52 混合型發泡之拉伸強度	121
圖 4 53 模擬(100% N2)與實驗氣泡孔徑驗證	123
圖 4 54 模擬(100% N2)與實驗氣泡密度模擬	123

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