近年来，超临界流体发泡技术迅速崛起，成为制备微孔塑料的重要手段。该技术利用超临界二氧化碳或氮气作为发泡剂，通过精准控制压力和温度，实现塑料的精细发泡。所得微孔塑料不仅泡孔尺寸微小、密度高，而且综合性能卓越。此外，超临界流体发泡成型方式灵活多样，非常适合高温熔融聚合物的发泡需求。
在微发泡注塑成型过程中，包括气体溶解、成核、气泡成长和成型四个关键步骤，都需要特殊的螺杆/料筒设计来确保微细气泡结构的成功引入。这种技术不仅推动了塑料行业的创新发展，也为高品质生活提供了有力支持。
超临界气体物理发泡的核心设备涵盖了高纯度气源、气体加注体系、加注阀、物理发泡挤出体系以及检测与反馈体系等。其中，超临界发泡挤出机组的主机部分由双螺杆挤出机和单螺杆挤出机共同构成。其工艺流程如下：首先，在双螺杆挤出机中注入超临界二氧化碳，经过双螺杆的搅拌与分散作用，再由熔体泵将处理后的熔体输送到单螺杆挤出机。在单螺杆阶段，通过降低材料温度并提升压力，进一步促进超临界气体在熔体中的溶解，从而增强溶解度和确保分散的均匀性。随后，熔体从模头处高速喷出并立即发泡膨胀，紧接着经过三辊冷却定型，以改善产品的表面质量，并达到所需的产品厚度。
图：超临界流体物理发泡主要工艺设备
微孔发泡过程中，常用的物理发泡剂包括二氧化碳和氮气，而超临界二氧化碳（SC-CO2）因其独特的性质，成为了应用最为广泛的发泡剂。它不仅具备超临界流体的高渗透性和高传质系数，还拥有以下显著优点：
温和的转换条件：当温度超过31.1℃，压力达到7.38MPa时，二氧化碳便能顺利转变为超临界状态。
环保且经济：来源广泛、价格亲民的二氧化碳，同时具备无色、无毒、无臭等特点，且化学稳定性优异，既不会燃烧也不会爆炸。
优异的扩散性和溶解度：在聚合物熔体中，SC-CO2展现出极高的扩散性和溶解度，能有效增塑聚合物熔体，降低其黏度，提升流动性。
简便的后处理：SC-CO2可轻松从产物中脱除，无需复杂后处理，同时还能回收利用二氧化碳。
广泛的适用性：其对称的分子结构使得它能够溶解非极性或极性较弱的物质，同时，通过加入极性共溶剂如乙醇，还能改善其极性以溶解无机盐类或极性较强的物质。
此外，新思界产业研究中心的报告显示，超临界发泡技术历经20余年的发展与积累，已涌现出一批优秀的材料和设备供应商。林德公司便是其中的佼佼者，作为专业生产发泡用氮气、二氧化碳等物理发泡剂的气体公司，它致力于为物理发泡企业提供高纯度气体及解决方案，确保客户气体供应的稳定性和产品纯度的可靠性。
公司主营的PRESUS®C高效液体二氧化碳增压装置，凭借其独特优势在多个领域得到广泛应用，包括超临界物理发泡、保温材料生产、床垫及鞋材制造以及厨房海绵制品等。该装置能可靠且连续地供应高压过冷液体二氧化碳，具备自动停机功能，停机时无任何能量损耗。它采用气体辅助驱动，无需外接电源，同时质量流量可自动适应客户需求。柔性备用设计确保了设备的最大可用性，而二氧化碳则源自标准真空隔热槽罐，确保了产品的纯度与稳定性。此外，独立单管设计使得安装成本相较于环形管道更低，且运行过程中噪音水平低。选配的装置还提供了温度调节功能，进一步增强了其适用性。
超临界流体发泡技术以其多样的成型方式和广泛的应用需求受到持续关注。这种技术主要包括间歇法（如模压发泡和高压釜发泡）、连续挤出法，以及注塑成型法。间歇法作为静态发泡方式，以其简单的装置结构和强可控性受到青睐；而挤出发泡和注塑发泡则更适应连续工业化生产，为多元化需求市场提供了更多产品可能。
此外，超临界二氧化碳清洗技术在半导体制造领域也发挥着重要作用。随着工艺进步和线宽微缩，晶圆制造良率面临挑战，而无损清洗及干燥、超小颗粒去除等技术难题的解决，都离不开超临界二氧化碳清洗技术的支持。该技术凭借其零表面张力和防止粘连的特性，已成为10nm级技术节点不可或缺的技术。
同时，广钢气体HPCO2研发线也成功完成了超临界二氧化碳输送系统的设计与制造，该系统已成功应用于客户超临界二氧化碳清洗技术的实际需求中，并取得了制造、安装、调试等环节的成功。
另外，超临界微孔发泡技术也在鞋中底制造中发挥了重要作用。运动鞋中底发泡的过程和设备一直较为复杂，市场上典型的发泡工艺路径包括珠粒发泡等。这些技术的运用，不仅提高了产品的性能，也推动了相关产业的发展。
珠粒发泡的方法主要有两种：其一，通过挤出机造粒，随后在高压釜内进行超临界发泡。接着，将发泡颗粒放入模具中，利用水蒸气或微波辐射加热成型，再进行模压定型。其二，采用超临界挤出机直接完成发泡，无需高压釜，效率更高且安全。在挤出过程中，原料在螺杆的剪切和外部电加热作用下熔化、混合，同时加入超临界流体。当混合物挤出时，被切成颗粒，由于压力骤降，流体转变为气体，颗粒迅速膨胀。
此外，以ZOOM X为例，其发泡工艺独特，采用高压釜完成。值得注意的是，除了Zotefoams公司使用两个高压釜外，其他厂商通常仅用一个。
图：高压釜发泡工艺流程
利用高压釜完成发泡的片材，随后被送至鞋材厂。在那里，激光切割机被用于初步裁切，从而获得中底的粗胚。接着，通过定制的打粗机，利用砂轮进行精细打磨，以获得基本准确的三维外形。最后，进行模压定型，将大底橡胶片置于下方，加热压紧，使两者软化粘合，从而得到完整的中底与大底。
3）射出成型+超临界发泡+模压定型
此工艺也被称为胚膜发泡，Lightstrike Pro和C202 GT的氮气中底均采用此技术。射出成型机的运作方式与挤出机相似，原料在加热后软化，并通过孔道射入中底模具中成型。在化学发泡过程中，原料中的发泡剂会在高温下分解产生气体，实现发泡。然而，在超临界发泡工艺中，射出成型步骤并不涉及发泡剂，因此得到的是未发泡的冷胚。随后，这些冷胚被一次性置于托架上，送入高压釜中完成发泡。值得注意的是，此处的射出成型发泡与一步法Mucell发泡成型有所不同。
在将半成品送入高压釜的步骤中，存在两种选择：一是将射出的半成品暴露在架子上，其自由度较高，需要精密计算以控制发泡倍率，确保成品尺寸与设计相符，从而提高良品率；二是将半成品放入中底模具中，这样在发泡膨胀时，模具的限制将基本决定成品的尺寸。但若限制过度，可能导致中底过度压缩，进而影响弹性。
此外，超临界流体发泡技术还广泛应用于食品领域。例如，超临界CO2可以通过调整温度和压强来针对不同分子进行萃取，其芳香成分不易被氧化破坏。因此，该技术在啤酒花有效成分的萃取、果蔬天然香精的提取、动植物油脂的提取、茶叶咖啡因的脱除以及乳脂胆固醇的脱除等方面都取得了显著进展。
早在1993年，中国就已成功建成沙棘油工业萃取装置，这一里程碑式的事件标志着SFE技术成功实现工业化。随后，在1996年，清华大学又进一步研发出啤酒花浸膏的SFE中试装置，显著提高了啤酒花的利用率。如今，超临界技术在多个领域都得到了广泛应用，如天然香辛料、油脂的萃取，以及啤酒花有效成分的提取等。这些应用不仅提高了产品的附加值，还展示了超临界技术的诸多优点，如高效、环保、可量化等。
随着市场需求的不断增长，超临界流体发泡工艺也成为了研究的热点。通过调整基材、发泡剂等组分的配比，科研人员致力于提高发泡质量和零部件的综合力学性能。同时，新型加工工艺和高性能发泡剂、成核剂的研发也成为降低生产成本、提升市场竞争力的重要手段。
全球范围内，发泡市场的需求正呈现出稳步上升的趋势。据研究机构预测，到2030年，全球发泡市场的需求总量将达到近1800亿美金。面对如此广阔的市场前景，越来越多的企业开始布局超临界流体发泡领域。
南京创博作为行业的佼佼者，依托北京化工大学和南京创博两个试验研发中心，持续推动高分子材料加工新工艺和新装备的研发创新。其产品覆盖了高聚物配混改性、反应挤出等多个领域，并广泛应用于短流程、智能型成套装备的制造与销售。在连续纤维增强热塑性复合材料制备、超临界流体发泡关键技术及装备等方面，南京创博一直保持着国内领先地位。
南京创博自主研发的CBF-500超临界二氧化碳发泡挤出成套机组，以环保型二氧化碳为发泡剂，产出微细且均匀直径的塑料发泡产品，其发泡率高达35~40倍。该机组广泛应用于家电、汽车、鞋材以及风电等多个领域。
图：CBF-500超临界二氧化碳发泡挤出成套机组
图源：公众号@聚合物发泡与多孔材料专委会/侵删
在中国的高分子材料挤出设备及发泡设备领域，江苏越升科技股份有限公司（简称江苏越升）于2023年展现出了前所未有的创新力度。特别值得一提的是，公司在大型挤压造粒技术的开发上取得了突破性进展。同时，其中小型双螺杆挤出机的性能优化也备受瞩目，同年推出的U+系列中小型挤出机，凭借出色的性能，在工程塑料和母粒改性生产中发挥着广泛的应用。
图：江苏越升工厂车间内景
常州金纬化工成套设备有限公司，作为一家专注于塑料挤出成型设备研发与制造的高科技企业，其产品线丰富。其中，生物降解塑料改性成套设备是公司的佼佼者，该设备可广泛应用于PLA、PBAT、PBS、PPC、PCL、TPS和PHA等全降解塑料的合金共混、淀粉填充改性、竹木粉填充改性以及矿物粉填充改性等工艺。
图：生物降解塑料改性成套设备
泰安实力机械装备有限公司，作为一家专业从事高压设备研发与制造的生产型企业，其核心设备包括超临界发泡设备、新型粉体材料装备等，广泛用于新材料领域。其中，SL1000型超临界发泡设备-量产机台是公司的明星产品，非常适合工厂规模性生产。该设备特色在于支持氮气、二氧化碳发泡，温度均匀性控制在±1.5℃以内，且能处理EVA、TPU、PE、TPEE、PP、ABS、PEBAX等多种高分子弹性体材料。其应用领域涵盖运动鞋材、板材、片材以及新材料的超临界氮气、二氧化碳发泡等。
当前，随着超临界发泡材料在鞋材、包装、风电、5G通信等领域的广泛应用，超临界发泡技术的市场需求不断增长，市场前景十分广阔。但值得注意的是，与传统的化学发泡技术相比，超临界发泡技术在配方、设备和发泡剂方面都更具挑战性。由于其清洁环保、性能稳定和泡孔结构精细的特性，超临界物理发泡技术有望成为连接高性能材料与应用场景的重要桥梁，未来市场空间巨大，发展潜力不可估量。
此外，Interfoam作为发泡领域的国际化展览盛会，一直致力于与优秀企业、专家和科研团队共同探索发泡技术的创新与应用。2024年9月3-5日，将在上海新国际博览中心举办Interfoam China 2024展览会，届时将汇聚众多业内精英，共同探讨和展示发泡技术的最新成果。观众预登记系统已正式启动，期待您的参与！