超临界流体发泡技术（MuCell）自诞生以来，经历了从批量工艺到挤出、再到注塑成型的持续演进。而在这一过程中，选择氮气（N₂）还是二氧化碳（CO₂）作为发泡剂是一个被重点关注的问题。下文主要谈谈超临界注塑发泡应用过程中两种气体的关键差异。

一、从批量工艺到挤出：二氧化碳的先发优势

微孔发泡的早期开发采用批量工艺。将塑料部件置于高压室中，充入超临界流体（SCF），并保持超过24小时，使聚合物被SCF充分饱和。当时，麻省理工学院最常用的气体是二氧化碳。其高溶解度使得材料能在较低温度下发泡，从而获得显著的密度降低。

随着工艺不断发展，从批量工艺过渡到挤出工艺，二氧化碳继续成为首选的 SCF。在挤出工艺中，二氧化碳比氮气更受欢迎，因为二氧化碳的溶解度高得多，从而可以实现更高的密度降低，同时工艺温度也低得多。

在挤出工艺中，材料在大气压下发泡，而对泡孔生长的关键控制是材料离开模具时的温度。由于玻璃化转变温度和结晶温度可以随着溶液中 SCF 的量而降低，因此二氧化碳含量越高，这些温度的降低幅度就越大，特别是对于无定形材料和串联挤出机。

随着时间的推移，高密度泡沫解决方案变得越来越流行（即密度大于 0.2 g/cc 的泡沫解决方案），N₂ 在挤出发泡中变得越来越普遍。原因是 N₂ 可以减小泡孔尺寸，从而减少发泡剂重量百分比的降低，从而减少对提供较低温度的专用设备的需求，并处理因高 CO₂ 使用量和膨胀而产生的不良反应。此外，还减少了定制树脂混合物的需要。

二、超临界流体的选择

1. 溶解度：CO₂更高，但注塑中难以充分利用

在200C，276 bar下，CO₂在聚合物中的溶解度比氮气高3~5倍（见表1）。溶解度越高意味着在给定的成型条件、料筒温度、背压和螺杆速度下，更多的二氧化碳可以溶解到聚合物中。

溶解到聚合物中的 SCF 水平越高，玻璃化转变温度和/或结晶温度的变化越大，聚合物粘度的降低也越大。虽然降低玻璃化转变温度和/或结晶温度对于泡沫挤出工艺很重要，但在 SCF 注射位置之前的注塑工艺中通常没有足够的停留时间来利用降低工艺温度的能力。因此，这种聚合物特性的变化通常对注塑泡沫成型没有好处。

表 1：选定聚合物的溶解度限值估算（200C，276 Bar）

2. 析出速度与泡孔结构：氮气“快”而“烈”

氮气从溶液中析出的速度要快得多，从而引起更剧烈的发泡反应。这种更剧烈的反应既有积极的一面，也有消极的一面。

积极影响是氮气往往会产生更高的泡孔密度，这也意味着泡孔整体尺寸更小。此外，与二氧化碳相比，氮气会在更薄的壁上形成泡孔结构。下图显示了在壁厚为 2 毫米的容器中模塑的澄清无规共聚物 PP。

可以看出，在 0.7% 的二氧化碳下，容器壁上没有可见的泡孔结构，而在 4% 的氮气下，容器的泡孔结构会导致不透明。这是因为聚合物在二氧化碳导致细胞生长之前冻结，而氮气会迅速膨胀细胞。

然而，注塑成型的停留时间极短（通常仅1~10分钟），远未达到溶解度极限所需的饱和时间。因此，CO₂在Tg和结晶温度调控上的优势难以发挥。唯一保留的优点是粘度降低（CO₂可达氮气的两倍），但这不足以让CO₂在大多数注塑场景中胜出。

使用氮气时产生的剧烈起泡的负面影响是，氮气通常会比二氧化碳产生更明显的表面变化。

需要注意的是，SCF 水平越高，工艺不一致性就越大。随着 SCF 水平的提高，螺杆恢复通常变得更加多变，这反过来会影响注射重量的一致性。

此外，为了达到更高的 SCF 水平，通常需要增加 MPP，这加剧了这一问题。泡孔结构变化也变得更加常见，在填充结束时，泡孔趋于聚结和泡孔变大。

由于从熔体前沿逸出的气体明显多于需要从模腔中去除的气体，排气要求也随之增加。因此，优化 SCF 水平以实现所需结果而不使用不必要的高水平非常重要。

三、残余气体迁移

生产注塑泡沫部件时，模具打开时材料中会残留 SCF 含量。这种残留气体含量会随着时间的推移从部件中迁移出来。残留气体含量离开部件所需的时间取决于储存条件以及发泡剂的类型。

一般来说，CO₂ 从模制测试样本中迁移出来的速度比氮气的迁移速度快（通常至少快两倍），以达到稳定重量的时间来衡量。例外是 PC/ABS，它在 CO₂ 和氮气之间达到稳定重量的时间没有变化。因此，在需要二次涂层或粘合工艺的情况下，至少对于聚烯烃基材料，当使用 CO₂ 时，成型和二次操作之间的时间可能会更短。

四、总结：氮气为主，三种情况可考虑二氧化碳

对于绝大多数注塑MuCell应用，氮气是更稳健的选择——它提供更小的泡孔、良好的工艺一致性，且无需复杂设备调整。但在以下三种特殊情况下，二氧化碳可能带来性能优势：

1. 需要最大程度降低粘度时；

2. 当应用为厚壁时，使用柔性材料代替热固性材料来生产；

3. 当二次加工受到成型后 SCF 排气的影响，并且需要更快的气体迁移时。