创新混合泡沫解决方案

适用新领域-现今泡沫材料在日用品的生产应用中日益重要，本文中所介绍的创新混合泡沫解决方案，将为该材质的适用领域打开更广阔的全新空间。

泡沫材质不仅在重量上实现轻量化，同时在加工技术层面拥有众多无可比拟的优势，例如比刚度高，能量吸收性能卓越。随着来自技术和法规方面的要求与日俱增，这意味着单材质泡沫逐渐力有不逮（例如，作为汽车内的防冲击组件使用）。化学技术Fraunhofer研究中心（ICT），历经与4家合作研究中心（见表1）多年来的联手合作，潜心研究，在研究项目中研发出混合泡沫材质，该材质能够卓有成效地打破泡沫材质的适用限制。不同材质展现出的结果，不仅在组件产品层面进行了实践，也已经在材料层面得到验证。

在项目中，研究者针对交互和微粒混合泡沫（见图1）成功开发出新加工技术。当面对那些看似矛盾的种种要求时，例如，要求不同力度级别的塑性和弹性可变性相结合，除了金属/陶瓷混合泡沫，聚合物基混合泡沫的应用潜力也浮出水面。这里所提到的微粒混合泡沫能够实现这种功能性的结合，且无需任何几何结构可成型性的系统规定参数。

金属、陶瓷和聚合物泡沫的结合

微粒混合泡沫的基础是微粒泡沫技术，该技术主要源自于目前业内知晓的发泡聚苯乙烯（EPS）和发泡聚丙烯（EPP）加工技术。单材质泡沫制成的产品绝大部分都用于隔热（例如，建筑隔热和隔热包装）和机械冲击能量吸收（例如，摩托车防撞头盔、汽车保险杠、包装技术）。这些用途彰显出该材质的独特优势，例如：

■ 重量低

■ 三维成型性卓越

■ 特殊机械性能高

■ 隔热性能良好

■ 机械阻尼性能佳

联合研究项目的成果之一便是可将该技术成功用于生产多组分新型材料，可将上述提到的聚合泡沫在材料层面的优势与其他材质泡沫的特性充分进行优势结合。从而通过这种高度发达的加工技术，聚合物泡沫能够如虎添翼地添加进多种多样的特性，例如，通过将EPS或EPP与陶瓷及金属微粒泡沫结构进行结合，可实现产品更高的力度和金属能量吸收性，或更好的隔热性能和陶瓷硬度。

金属和聚合泡沫微粒的结合产品将会在下文中详细描述，其最显著的优势就是其自身特性。这两种硬度天壤之别的材质结合在一起，将两个不同的能量级别上差异巨大的能量吸收性能结合在一种材质中。除了传统发泡PP微粒（EPP），上述材料结合也基于金属微粒泡沫，包括高级微孔形态（APM）（见图2）。

微粒混合泡沫的计量和给料设备

为了将两种材料结合在一起，项目合作研究者已经改良了目前EPP/EPS工业产品所使用的成型工艺。将金属和聚合物泡沫微粒两种材质结合时，也会面对特有的挑战，这主要是由以下原因引起：

■ 密度差异大，导致了在模具填充的过程中出现沉淀现象

■ 流动和填充态势差异

■ 金属微粒的硬度(架桥问题)

■ 填充设备的损耗

■ 材料之间的表面黏附(塑料/金属)

研发工作的关键点是分析和优化填充流程，以及在自动填充设备上进行组件产品制造过程中的加工控制（设备制造商：德国Lautert Erlenbach有限公司）。制造微粒泡沫所使用的泡沫（EPP和APM，见表2，图3）分别储存在改良生产线的料斗中，只有在给料工序中才会进行混合。研发的目标是优化改良混合和填充工序，从而实现微粒混合泡沫制造的可重复性生产。

新开发出的创新型计量设备是核心生产组件，能够实现按照预先设定的聚合物和金属微粒的比例精确混合产生均质混合物。此外，气动给料系统的注塑机经过调整，充分保障加工工序的稳定性，面对大规格（直径最大可至10mm）无弹性铝泡沫微粒也可处理自如。

增强混合泡沫工艺可用于获得特定形态和机械、物理性能的产品。注塑半密封包装的微粒混合泡沫制成的防冲击组件（见图4），充分彰显了这项工艺的巨大生产适用潜能。

        微粒黏附力得以提升

聚合物和金属泡沫微粒之间的黏附力是特别需要关注的问题。除了通过聚合泡沫封装（连锁黏附）的金属微粒结合，该项目也改良了两种材料的界面黏附力，并且，因此增加了金属微粒在成型产品中的定位，从而提高了产品的整体性，特别能够承受部分的强扭曲变形。

项目开发出特别适用于铝微粒的聚合物黏附涂层新技术，该技术采用黏附促进剂，更显著提升了加工的便易程度，同时，最重要的是，也进一步提升了功能性金属微粒的整体性。

混合泡沫的模拟

在许多终端适用领域，特别是汽车工程方面，通过结构性模拟可成功预测零件性能，这也是新材料在工业生产中能否引入的非常重要的先决条件。项目参与者充分考虑进这一点，改良提升现有方法，通过模拟混合泡沫的预测模型，实现了泡沫“有效”宏观特性的预测。基于单材质的均质结构，可实现在所使用各材料组分的一个较宽混合范围内，对宏观机械和物理性能进行数值的测定。

模拟的成果如何，可通过比较模拟结果和实际获得的产品性能得出。经过改良提升的方法当然也适用于预测单材质泡沫的性能。

在多功能冲击组件中的适用

采用上述新加工技术，可将金属和聚合泡沫微粒的同质混合物（见图4）生产为防冲击组件使用的泡沫内芯。这项技术的展示提供了一个微粒混合泡沫优势的完美示例。它结合了在材料层面的弹性可变形性，以及高强度的塑料能量吸收性能（见图5）。诸如停车时产生的轻微冲击力，可由EPP微粒的弹性变形和可逆吸收，且仅在聚合泡沫成分发生变形。

在高强度冲击的情况下（见图5，较低负荷情况），产生的更严重的变形结果，是金属微粒开始彼此触碰。由于外包注塑层的支撑功能，相对硬度更高的金属微粒不会在这种拉力下彼此滑过，同时，可通过变形吸收相当大比例的冲击能量。由此造成形状上的变化是由塑性变形产生，因此也是不可恢复的。在这种高强度冲击情况下，聚合泡沫只能起到造型的作用，并在外部负荷移除之后（图4中心冲击组件），防止防冲击组件破碎.

使用发泡聚丙烯（EPP）的情况下，在低压区域发生的微粒金属/聚合混合泡沫的变形行为类似于纯聚合泡沫发生的情况（见图6）。只有EPP成分的变形替代作用被相当大程度的耗费，强度级别才会显著增加。在与金属微粒泡沫（APM）呈50:50混合时，这种转折就会发生，约呈总变形40%，在这种情况下，聚合泡沫成分已经接近80%被压缩—在进一步压缩下，纯聚合物成分的变形已经意味着高强度，并且主要因为金属微粒已经开始彼此触碰，意味着第二阶段的金属微粒变形随即开始。

在这种情况下，如果混合泡沫继续被压缩，强度级别会强劲增长。其中绝大部分能量会被金属微粒的内部塑料变形吸收。例如，在总变形60%时，强度级别约为纯EPP泡沫级别的6倍，总变形20%时，该强度级别仅为1.4倍，这也特别揭示了混合泡沫呈多阶段的能量吸收特质。

结语

本文中所述混合泡沫的多样性，可谓完全开启了全新的应用领域。通过选取不同的组成材质，能够实现在一个宽泛的范围内对材料的变形行为进行调整。已经研发出的微粒聚合/金属混合泡沫在实际应用中具有广阔的应用潜能，将在防冲击用途智能、多层次能量吸收领域大放异彩。