吴飞博士十问：讲透超临界注塑发泡技术的背景、产业难点与应用全景图

在当前全球产业升级与“双碳”目标的双重推动下，轻量化材料及技术正迎来前所未有的发展机遇。作为一种绿色、高效的微孔发泡成型工艺，超临界注塑发泡技术凭借其在减重、提升性能、降低成本等方面的显著优势，正逐步从实验室走向产业化，驶入高速发展的快车道。本文通过对中国科学院宁波材料技术与工程研究所正高级工程师、博士生导师吴飞博士的专访，系统梳理该技术的原理、分类、材料与设备要求、典型应用及未来趋势，展现其在多个工业与前沿领域的广阔前景。那么，这项备受关注的技术究竟如何奔赴轻量化的“广阔蓝海”，又将如何重塑相关产业的未来格局呢？

 

中国科学院宁波材料技术与工程研究所

正高级工程师、博士生导师 吴飞博士

 

 

摘要速递——吴飞博士十问

 

1、请您简单介绍下您目前所研究的塑料技术领域。您是何时开始从事超临界注塑发泡技术的相关研究？又为何坚持在这项领域中深耕？

2、超临界发泡技术的原理和分类有哪些？其中，超临界注塑发泡技术的分类又有哪些？他们各自的技术优势是什么？

3、超临界注塑发泡技术对于材料和设备分别有哪些特殊要求？

4、超临界注塑发泡技术的主要应用领域有哪些？请以典型的应用为例，介绍下这些应用对于该技术的材料、工艺和产品性能的差异，以及其中的技术难点。

5、近些年来，您觉得超临界注塑发泡技术的发展有何变化？有哪些关键材料或设备工艺技术的突破推动了该项技术在市场化的广泛应用？

6、对比国内外超临界注塑发泡技术，各自有何差异？国产化超临界注塑发泡技术有哪些可圈可点的地方？

7、您觉得超临界注塑发泡技术在未来还有哪些应用潜力？例如，在低空经济、具身智能等方面，有哪些具体的应用场景。

8、您觉得未来我国要在超临界注塑发泡领域进一步发展，有哪些方向值得重点关注？

9、您觉得超临界发泡技术会完全取代传统发泡技术吗？为什么？

10、您能重点分享下您和您所在的团队在超临界注塑发泡领域的一些前沿研究和突破吗？相关技术的产业化应用情况如何？

 

Q

请您简单介绍下您目前所研究的塑料技术领域。您是何时开始从事超临界注塑发泡技术的相关研究？又为何坚持在这项领域中深耕？

吴飞博士：塑料是一个年产约4亿吨的行业，而发泡塑料占比约8%到10%，发泡塑料具备轻质、隔热、隔音、吸能等特点，从航空航天航海到汽车包装通讯再到运动消费品都有广泛应用。因此塑料发泡技术包括原材料合成与改性技术、发泡装备、发泡工艺以及成型装备再到发泡材料的应用，都值得深入研究与发展。我是从2005年开始从事塑料改性加工的工作，2007年加入中国科学院宁波材料所以陆续开展了超临界挤出发泡技术以及釜压发泡技术研发工作，其中聚丙烯超临界连续挤出发泡项目和聚丙烯釜压发泡项目都实现了产业化，2014年获得了一个装备相关的资助项目后，开始开展超临界注塑发泡技术的研发工作。在产业升级和“中国制造2025”的大背景下，材料的轻量化能够同时实现减重、降本、提性能、功能化，产业需求明确；同时通过这样的技术能够减少材料使用实现节能减排，有助于“双碳”目标的实现。超临界注塑发泡技术对我而言，连接了基础科学探索与重大市场应用需求，每一次在机理理解上的突破，都可能带来工艺上的革新和产品性能的飞跃；而每一个来自工业界的应用难题，又反过来推动着我们进行更基础、更深入的科学探究。

 

Q

超临界发泡技术的原理和分类有哪些？其中，超临界注塑发泡技术的分类又有哪些？他们各自的技术优势是什么？

吴飞博士：超临界流体发泡技术是一种绿色先进的微孔发泡技术，能赋予聚合物材料更优异的综合性能，主要利用超临界流体（如二氧化碳或氮气）作为物理发泡剂，制备出性能优异的高分子泡沫材料。其核心原理可以概括为三点：（1）形成发泡剂/聚合物基体均相体系：物理发泡剂在高于临界温度和临界压力的条件下形成一种特殊状态的流体并溶解到聚合物基体中，形成聚合物/气体均相混合溶液；（2）诱发气泡成核：通过瞬间大幅的温度和压力变化，使溶解的气体处于过饱和态，从而诱发体系内瞬间产生大量、分布均匀的微小气泡核；（3）控制泡孔生长：通过精确控制温度等工艺条件，使气泡生长并稳定，随后快速冷却定型，最终得到微孔发泡材料。其主要的生产技术包括高压釜发泡、挤出发泡、注塑发牌和模压发泡。

 

其中，超临界注塑发泡技术是将超临界流体发泡与注塑成型工艺相结合，制备尺寸精度高、结构复杂的性能轻量化聚合物材料的方法。其主要优势包括——显著减重：制品重量可比实体材料降低5%-30%，甚至更高；改善材料性能：微孔结构能提升材料的冲击强度、韧性，并改善翘曲变形；提升生产效率：超临界流体起到塑化剂作用，可降低加工粘度，从而降低加工温度、注射压力和锁模力，缩短冷却时间，提高生产效率。主要包括MuCell^®微孔发泡注塑，是最早实现商业化的技术之一，该技术大幅降低注塑压力和锁模力，几乎消除制品收缩翘曲，特别适合生产大型、薄壁制品；开合模注塑发泡技术，是在注射后通过动态控制模具的微开合，为泡孔生长提供额外空间，从而实现更高的发泡倍率和更均匀的泡孔结构；气体辅助注塑发泡技术，将气体辅助注塑与微孔发泡相结合。不仅能减重，还能在厚壁部位形成中空气道，消除缩痕，进一步提升制品表面质量和尺寸精度。

 

Q

超临界注塑发泡技术对于材料和设备分别有哪些特殊要求？

吴飞博士：超临界注塑发泡技术对材料和设备确实有比较特殊的要求，主要是为了确保超临界流体能与聚合物高效混合获得发泡剂/聚合物均相体系，并最终形成均匀细密的泡孔结构。对于材料体系而言，主要有3点要求：（1）气体的溶解与扩散能力，要求其能充分溶解超临界流体（如CO₂、N₂），并易于控制其扩散速度；（2）良好的熔体强度与黏弹性，在发泡过程中，聚合物基体的熔体需要足够的强度来包裹气体，防止泡孔合并或塌陷；（3）理想的结晶行为与温度窗口，对于结晶性聚合物（如PP、PET），需要精确控制加工温度，使其介于熔融温度与分解温度之间，以获得理想的发泡结构。

 

同时，超临界注塑发泡技术对设备提出了相应的要求。主要包含超临界流体生成与注入系统，通过精密增压和计量装置（如液态CO₂增压泵），确保超临界流体以恒定压力/流量注入；同时螺杆能够高效塑化聚合物并实现与超临界流体的充分混合；而在模具方面可能涉及快速热循环技术或专用发泡模头的设计。整个系统需要高精度温度（模温控制器）、压力控制（如通过熔体泵）及快速响应能力。另外，体系发泡过程处于高温高压状态，因此设备需有安全阀、爆破阀等安全设计和可靠的密封系统。

 

Q

超临界注塑发泡技术的主要应用领域有哪些？请以典型的应用为例，介绍下这些应用对于该技术的材料、工艺和产品性能的差异，以及其中的技术难点。

吴飞博士：超临界注塑发泡技术作为一种绿色成型制造工艺，因其能够生产轻量化、高性能且环保的微孔聚合物泡沫制品，已在汽车、家电、仪器设备、日用运动品等多个工业领域获得广泛应用。

 

比如汽车、家电、仪器设备等领域的应用多为内部的结构件，不直接作为饰面材料，这主要是在于当前从材料到技术方面还未能完全克服表面质量控制问题，表面的漩涡气痕等流痕缺陷仍然存在，需要进一步结合相关技术去解决；如在日用品领域，可以看到使用该技术制备的发泡杯，具备保温隔热特性，这主要是在材料如高熔体强度聚丙烯以及二次开模工艺的结合应用结果；某运动鞋品牌推出的新款鞋，其中底就使用了注塑发泡技术，这主要是结合了弹性体材料和超临界发泡技术，有意思的事就是旋涡气痕在这里可能被作为一种有标志性的特点，让人注意到是独特的发泡技术应用。

 

Q

近些年来，您觉得超临界注塑发泡技术的发展有何变化？有哪些关键材料或设备工艺技术的突破推动了该项技术在市场化的广泛应用？

吴飞博士：超临界注塑发泡技术自投入商用，到现在已经20多年，已经迈过了最初的研发和应用门槛，早期更多的是低于30%的减重等方面的应用，技术方面通过螺杆设计、模具流道适配、注塑工艺、装备改进以及材料改性等方面的不断研究已实现了性能稳定、生产高效、材料减重节约等目标。行业希望能够解决表面流痕问题，通过快速热循环注塑发泡、模内装饰等技术则可以较好地解决相关问题。近年来行业希望能够将更高的膨胀倍率引入到制品的生产，例如3倍以上的杯子、5倍以上的运动鞋中底，通过新材料的开发、二次开模工艺以及合适的模具设计等，可以促进这项技术在新场景上得到更多的应用。

 

总而言之，超临界注塑发泡技术已经迈过了最初的研发门槛，进入了一个以市场化应用和规模化生产为特征的高速发展期。其未来的发展将继续围绕性能提升、成本控制、效率优化和绿色环保这几个核心方向展开，应用领域也将从汽车、电子、医疗进一步拓展到日用品、运动鞋材等更广阔的天地。

 

Q

对比国内外超临界注塑发泡技术，各自有何差异？国产化超临界注塑发泡技术有哪些可圈可点的地方？

吴飞博士：超临界注塑发泡技术早期在国外发明并得以实现产业化应用，经过近30年的技术开发积累以及广泛应用，国外相关技术持有方在技术的底层理解、应用的经验以及客户等方面的积累显得更为深厚一些；而国内目前在注塑机、超临界流体计量注入设备等方面已经不逊于国际上的同行。当前由于设备投资仍然较大，对技术的进一步推广不利，希望更多的用户能够看到这项技术的优势，也希望国内厂商能够进一步降低该技术的进入门槛。

 

由于巨大的制造体量，一项新技术的开发与应用在国内显得更有前景。国内当前开始将超临界注塑发泡技术应用于运动鞋中底的制造，将有很大可能改变这个行业的生态。

 

Q

您觉得超临界注塑发泡技术在未来还有哪些应用潜力？例如，在低空经济、具身智能等方面，有哪些具体的应用场景。

吴飞博士：超临界注塑发泡技术作为一项先进的微孔发泡制造技术，凭借其轻量化、高强度、绿色环保的显著优势，正在众多前沿科技领域展现出巨大的应用潜力。在低空经济领域，每一克重量都直接关系到飞行器的续航和能力，超临界发泡技术在这里的应用主要体现在两个方面：（1）核心承力结构：无人机和电动垂直起降飞行器（eVTOL）的机翼、机身广泛采用泡沫夹层复合材料，在保证强度的同时，实现高达30%的减重，有效提升飞行器的载重和续航能力；（2）除了主结构，该技术还可用于生产飞行器的内饰板、支架、盖板等非承力或次承力部件；在实现轻量化的同时，能有效利用泡沫材料的微孔结构实现隔热和隔音，提升乘坐舒适性。此外，发泡产品无化学残留的特性也符合航空领域对材料安全性的高要求。

 

具身智能是指智能体（如机器人、无人机、智能汽车等）通过物理实体与环境实时交互，实现感知、认知、决策和行动一体化。其核心理念颠覆了传统人工智能的“离身性”局限，强调智能的本质必须通过身体与环境的动态互动来塑造和体现。超临界发泡技术可用于柔性触觉传感器和轻量化刚性结构的制备，其中柔性触觉传感器是超临界发泡技术极具前景的方向。可制备尺寸精度高、灵敏度高，且柔软有弹性的机器人的“电子皮肤”，用于全范围的人体运动监测、健康监测和工程设备等；也可以用于制备对轻量化有强烈要求的机器人外壳和关节等结构件，例如利用玻纤增强的聚丙烯（GFPP）等材料进行微发泡注塑，可以在不牺牲部件强度和使用性能的前提下，有效降低重量，从而提升机器人的机动性和能源使用效率。

 

Q

您觉得未来我国要在超临界注塑发泡领域进一步发展，有哪些方向值得重点关注？

吴飞博士：我国在超临界注塑发泡领域已展现出强劲的研发活力，要推动该技术迈向更高水平，未来的发展需要重点关注材料创新、工艺优化、应用拓展及全链条的绿色升级。例如，通过材料体系的创新与扩展，实现材料综合性能的提升、解决行业痛点、拓展应用边界；促进工艺精密度与效率优化，实现更精密的结构调控、降低生产成本；推动跨领域应用拓展，开展柔性多功能电子器件、高端隔声隔音、耐高温及防火等高特种高性能轻量化材料的开发与应用；同时推动产业链协同与标准化，加强高端专用发泡设备（如耐超高压注塑机）的研发与制造，促进产学研用深度融合，加速实验室成果向产业化转化，并建立相关材料和产品的性能评价标准与测试方法。持续推进绿色与可持续发展，通过材料体系优化及循环、工艺优化等降低环境影响，契合"双碳"目标。

 

Q

您觉得超临界发泡技术会完全取代传统发泡技术吗？为什么？

吴飞博士：总的来说，我认为超临界发泡技术不会在可预见的未来“完全取代”传统发泡技术，但它将在高附加值、高性能的领域持续扩大份额，并与传统技术形成互补和共存的格局。主要是因为超临界发泡技术，特别是超临界CO₂或N₂发泡技术能够获得更细腻的泡孔，其孔径通常为微米级、甚至能到纳米级，赋予了制品具有更高的压缩回弹性、更好的柔韧性和更长的使用寿命；在力学性能方面也更突出，均匀分布的细小泡孔，孔壁提供了足够的支撑性，从而在相同密度下，泡沫材料拥有更高的强度、韧性和抗冲击性能。另一方面，超临界流体更具环保特性，以超临界CO₂为例，它无毒、不可燃、成本低廉，且本身是温室气体，将其用于工业生产相当于一种“固碳”过程。这完美替代了传统的、可能破坏臭氧层的氟氯烃类发泡剂或有毒的化学发泡剂。同时，超临界流体发泡技术通过精确控制温度、压力和饱和时间，可以实现对泡孔结构、产品密度和性能的精密调控，满足高端定制化需求。在材料制备方面更适合高性能材料的开发，例如特别适合于TPU、PEBAX、PETG、PLA（生物可降解塑料）等高性能或环保型工程塑料，这些材料用传统方法难以发泡或效果不佳。

 

而传统发泡技术仍然存在强大的生命空间，其一是因为具有明显的成本优势，例如超临界发泡设备需要耐受高压（通常几十个MPa），对设备和控制系统要求极高，初始投资成本巨大。而许多传统发泡设备成本相对低廉；对于追求极致成本效益的大宗商品，传统技术的综合生产成本（设备折旧、能耗、原料）通常更低。其二是因为工艺成熟、生产效率高；其三是因为其具有较高的应用领域适用性，在很多应用场景中，对性能的要求并非极致，例如，一次性的包装填充材料、低端的拖鞋、廉价的保温板材等，传统发泡制品已经完全能够满足使用要求，没有必要使用成本高昂的超临界产品。同时在产品制备技术等领域也具有一定的独特性，例如生产交联聚乙烯泡沫（XPE/IXPE）用于地暖垫和汽车内饰时，其工艺和性能结合已经非常完善，超临界技术暂时难以全面渗透。因此，两者目前应该是互补与共存的关系，而非取代。

 

总之，超临界发泡技术是一项革命性的进步，它正在重塑发泡工业的上限，并推动高端产品的发展。然而，由于成本、成熟度和市场需求的多样性，传统发泡技术在其擅长的领域仍具有强大的竞争力。因此，答案是不会完全取代，而是走向长期共存、差异化竞争、互补发展的道路。

 

Q

您能重点分享下您和您所在的团队在超临界注塑发泡领域的一些前沿研究和突破吗？相关技术的产业化应用情况如何？

吴飞博士：我们团队长期深耕于超临界流体注塑发泡技术的前沿领域，致力于推动该技术的持续创新与关键突破。目前，我们已成功攻克并熟练运用开合模发泡等核心工艺。这些先进技术为我们开发高尺寸精度、高性能的轻量化聚合物产品提供了坚实保障，成功将实验室成果转化为有力的产业化技术解决方案。我们的技术已广泛应用于多个领域，为企业提供从材料到产品的全方位技术支撑，具体落地产品包括高端文具、精密化妆品包装以及兼具隔热与轻量化的防烫保温杯等。

 

来源：荣格-《国际塑料商情》

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