前言
差示掃描量熱法（簡稱 DSC）是評估 SCF 射出發泡用聚合物最實用的分析工具之一。在 SCF 射出過程中，材料的熱行為會影響聚合物如何熔融、溶解氮氣、流入模具、形成泡孔核、膨脹、形成表皮、結晶、穩定，以及脫模後維持最終形狀。
DSC 無法直接預測材料是否能良好發泡。它不測量氮氣溶解度、氮氣擴散、熔體強度、伸長黏度、成核密度或最終泡孔形態。然而，DSC 可提供關鍵的熱性質證據，協助工程師理解為何某些材料能穩定加工，而另一些材料卻會出現收縮、表面條紋、密度不穩定、壓縮永久變形不佳或生產成型視窗狹窄等問題。
對鞋類中底與緩衝部件而言，DSC 應視為一張「熱性質地圖」。它可協助判斷材料何時進入可加工狀態、何時結晶或固化、冷卻過程中形成多少結構，以及先前的加工熱歷史是否會影響製品品質。
圖 1 DSC 分析、SCF 射出發泡與鞋類中底品質之整合概覽
為何 DSC 對 SCF 射出發泡很重要
SCF 射出發泡並非僅由氣體用量、射出壓力與模具設計所控制。這些變數都必須在聚合物的熱性質限制內運作。材料必須維持熔融狀態足夠長的時間，以溶解超臨界氮氣、充填模具、形成泡孔核並進行受控膨脹；同時又必須足夠快速地結晶或固化，使泡體在脫模前穩定。
此平衡關係界定了實際可用的成型視窗。
若結晶發生得太早，泡體可能在完全膨脹前即被凍結，造成密度較高、泡孔成長受限、表面條紋或充填不完全。若結晶發生得太晚，泡體可能收縮、塌陷、變形，或在脫模後持續重新排列。若不同批次間的熱行為發生變化，即使使用相同加工條件，也可能得到不同的製品品質。
DSC 可協助工程師在材料開發前期與開發過程中理解這些風險。
DSC 測量什麼
DSC 測量聚合物在加熱與冷卻過程中吸收或釋放多少熱量。對 SCF 射出發泡而言，最實用的 DSC 輸出包括玻璃轉移溫度、熔融行為、結晶行為、熔融焓、結晶焓、冷結晶，以及第一次加熱、冷卻與第二次加熱掃描之間的差異。
玻璃轉移溫度 Tg 描述非晶聚合物鏈段由硬而呈玻璃態的狀態，轉變為較柔軟且具有較高活動性的狀態。Tg 對 TPU、aTPU、TPEE、PEBA 與 SEBS 系統中的軟鏈段尤其重要，因為它會影響柔韌性、低溫觸感、彈性以及隨溫度變化的性能。
熔融溫度 Tm 描述結晶區域在加熱過程中熔融的位置。對 EVA、TPEE、PEBA 及部分 TPU 系統等半結晶材料而言，熔融行為有助於界定料管穩定加工與氮氣溶解所需的溫度範圍。然而，不應將 Tm 視為單一且精確的加工溫度。商用鞋材配方常因含有共聚物、混摻物、填料、添加劑、顏料或回收料，而呈現寬廣的熔融範圍、多重熔融峰或複雜的熱轉變。
結晶溫度 Tc 往往是 SCF 射出發泡最重要的 DSC 數值之一。Tc 顯示聚合物在冷卻過程中開始結晶的位置。這一點很重要，因為結晶有助於穩定泡體結構。若結晶太早，膨脹可能受限；若太晚，製品在脫模後可能收縮、塌陷或變形。
熔融焓與結晶焓可用來估算相對結晶含量與結構形成程度。較高的結晶度可改善尺寸穩定性、耐熱性與壓縮回復性，但也可能增加剛性、降低柔軟度或縮窄發泡窗口。對鞋類發泡材料而言，目標並非追求最高結晶度，而是取得柔軟度、回彈、壓縮永久變形、耐久性、尺寸穩定性與製程穩健性之間的適當平衡。
冷結晶是指聚合物因先前冷卻時未充分結晶，而在後續加熱過程中發生結晶。在 SCF 射出泡體中，冷結晶可能表示材料在成型後仍會持續重新排列，進而造成延遲收縮、尺寸漂移、硬度變化或熱老化效應。
如何判讀 SCF 射出發泡的 DSC 曲線
對 SCF 射出而言，判讀 DSC 曲線的實務目的很簡單：確認聚合物何時軟化、熔融、結晶、重新排列並達到穩定。
熔融屬於吸熱反應，表示結晶結構被破壞時聚合物吸收熱量；結晶屬於放熱反應，表示有序結構形成時聚合物釋放熱量。玻璃轉移通常呈現為基線位移，而非明顯尖峰。
尖銳的熔融峰通常代表較明確的熔融轉變；寬廣的熔融峰則可能表示結構分布較廣、形態複雜、共聚物效應或存在多種結晶族群。多重熔融峰可能表示不同結晶相、相分離、加熱過程中的再結晶，或先前的熱歷史影響。
冷卻掃描對 SCF 射出尤其重要，因為泡體品質高度取決於聚合物在模具內冷卻時所發生的變化。較高的結晶溫度表示材料在冷卻過程中較早結晶；較低的結晶溫度表示材料維持可流動狀態較久。尖銳的結晶峰可能代表快速結晶及較窄的製程窗口，而較寬的峰則可能表示穩定化速度較慢或分布較廣。
第一次加熱、冷卻與第二次加熱應分別解讀。第一次加熱顯示材料原始來料或成型後的狀態，其中包含先前的熱歷史；冷卻掃描顯示受控測試條件下的結晶行為；第二次加熱則顯示先前熱歷史大致消除後的材料狀態。綜合這些掃描結果，可協助區分材料本身的化學特性與加工熱歷史。
圖 2 半結晶聚合物的典型 DSC 曲線：Tg、Tc 與 Tm 的位置
熱性質如何影響發泡行為
在 SCF 射出能穩定進行之前，聚合物必須先在料管中達到充分可加工狀態。若材料熔融不足，黏度可能仍過高、氮氣溶解可能不均勻，且射出系統內的流動可能變得不穩定。然而，過高的熔體溫度同樣具有風險，因為它可能降低熔體強度、促進泡孔合併、增加收縮，或加速材料劣化。
結晶行為控制泡體的穩定化。在 SCF 射出過程中，隨著壓力下降會發生氮氣成核與泡孔成長；同時，聚合物也在模具表面持續冷卻。理想情況下，材料應維持足夠長的可流動時間以完成膨脹，同時在脫模前形成足夠結構來穩定泡孔。
快速結晶可改善尺寸穩定性，但可能限制膨脹並提高對模具溫度的敏感度。較慢的結晶可讓膨脹更完整，但可能增加收縮或脫模變形。兩者並非哪一種必然較好；正確的行為取決於聚合物化學性質、目標密度、模具溫度、製品厚度與成型週期。
因此，DSC 最有價值的使用方式，是將其納入更完整的製程開發計畫中解讀。它不能取代成型試驗，但能協助工程師理解成型試驗結果所代表的意義。
圖 3 SCF 射出發泡流程與中底形狀模穴
DSC 與 SCF 射出成型視窗
SCF 射出成型視窗是指材料能夠產出穩定、可重複泡體品質的條件範圍。DSC 可藉由顯示聚合物何時熔融、何時結晶、結晶強度，以及先前熱歷史是否影響成型製品，協助界定此成型視窗。
料管溫度設定：DSC 可協助確認熔融或軟化範圍。料管必須有足夠溫度以確保穩定流動與氮氣溶解，但不能高到使熔體強度、泡孔穩定性或材料停留穩定性受到影響。
模具溫度策略：DSC 可協助將結晶行為與表皮形成、表面外觀、冷卻時間及脫模穩定性連結起來。模具過冷可能造成表皮過早形成、表面條紋或膨脹受限；模具過熱則可能增加成型週期、收縮、黏模或變形。
冷卻時間與脫模：DSC 可協助判斷泡體結構在離開模具前是否有足夠時間達到穩定。延遲結晶的材料可能需要更長冷卻時間或調整模具溫度；快速結晶的材料可能可以更快脫模，但對表面外觀缺陷也可能更敏感。
寬廣的成型視窗表示正常的生產變動不會造成製品品質大幅改變；狹窄的成型視窗則表示熔體溫度、模具溫度、冷卻、氮氣用量或材料批次的微小變化，都可能造成可見或機械性能缺陷。
DSC 與製品品質
DSC 與 SCF 射出泡體的多項實際製品品質問題有直接關聯。
泡孔結構：DSC 不直接測量泡孔尺寸或均勻性，但結晶行為可協助解釋聚合物是否在正確時間穩定泡體。過早穩定會限制膨脹；過晚穩定則可能造成泡孔合併、塌陷或收縮。
密度均勻性：模具內的溫度梯度可能造成不同區域的結晶時機差異，進而導致同一製品不同區域之間，或不同模穴之間的密度差異。
收縮與尺寸穩定性：延遲結晶、結晶不足、冷結晶或強烈的熱歷史效應，都可能造成成型後收縮或尺寸漂移。
壓縮永久變形與回彈：DSC 不直接測量壓縮永久變形或回彈，但可協助解釋支撐彈性回復的結晶結構或硬鏈段結構。這對 TPEE、PEBA、TPU 與 aTPU 系統尤其重要。
表面條紋與流痕：表面外觀會受到表皮形成、結晶、冷卻與流動的強烈影響。若聚合物在模壁附近快速結晶，可能在充填與泡體穩定完成前就先形成表皮，進而造成光澤差異、條紋或可見的流動方向紋路。
熱老化：DSC 可協助辨識不穩定或尚未完全形成的結構；這些結構可能在儲存、運輸、貼合或高溫使用過程中持續變化。
不同材料的 DSC 判讀
DSC 的判讀高度取決於聚合物種類。
EVA：DSC 可協助評估熔融行為、結晶行為、醋酸乙烯酯含量效應、收縮風險、表面外觀與尺寸穩定性。在 SCF 射出中，EVA 以熱塑性材料方式加工，發泡過程不使用化學發泡劑或交聯，因此熔融與結晶行為尤其重要。
TPEE：DSC 非常實用，因為 TPEE 的性能高度取決於硬鏈段結晶。結晶行為會影響泡體穩定、回彈、壓縮永久變形、耐熱性與加工敏感度。
TPU 與 aTPU：TPU 系統可能呈現寬廣或複雜的 DSC 熱轉變，因其形態受到軟鏈段、硬鏈段、相分離、氫鍵、化學組成與熱歷史影響。DSC 很有用，但必須搭配流變分析、含水率控制、熔體強度評估及實際成型泡體試驗。
PEBA：DSC 可協助評估聚醯胺硬鏈段的熔融與結晶。PEBA 具有良好的輕量化性能潛力，但其熱轉變必須與射出、發泡、冷卻與脫模條件相互配合，才能建立實用的 SCF 射出成型視窗。
SEBS：SEBS 大多屬於非晶性材料，因此 DSC 在結晶分析上的重要性較低。相較於結晶峰，Tg、軟化行為、流變性、熔體強度、含油量、苯乙烯含量與配方架構可能更為重要。
交聯 EVA：傳統化學發泡 EVA 的行為不同，因為聚合物網絡已被化學方式固定。若未考量兩者不同的製程架構，不應將交聯 EVA 的 DSC 資料直接套用至熱塑性 SCF 射出。
故障排除表：DSC 觀察結果與 SCF 射出的意義
| DSC 觀察結果 | SCF 射出可能代表的意義 | 應檢查項目 |
|---|---|---|
| 寬廣的熔融範圍 | 複雜形態、混摻物、共聚物或多種結晶族群 | 料管溫度、停留時間、批次一致性 |
| 多重熔融峰 | 多相、不同結晶族群或熱歷史效應 | 配方、加工歷史、批次差異 |
| 高結晶溫度 | 冷卻過程中提早結晶 | 表皮過早形成、膨脹受限、條紋 |
| 低結晶溫度 | 穩定化延遲 | 收縮、塌陷、冷卻時間較長 |
| 尖銳結晶峰 | 在狹窄溫度範圍內快速結晶 | 模具溫度敏感度、模穴差異 |
| 寬廣結晶峰 | 緩慢或分散式結晶 | 冷卻時間、成型後收縮 |
| 弱結晶峰 | 結構形成有限 | 尺寸穩定性、壓縮永久變形 |
| 冷結晶 | 先前冷卻時結晶不完全 | 成型後收縮、熱老化變化 |
| 第一次加熱與第二次加熱不同 | 先前熱歷史效應強 | 加工歷史、開機穩定性、成型製品老化 |
| 不同批次間結晶峰位移 | 批次間熱性質差異 | 生產一致性、密度、收縮、表面外觀 |
此表應用於協助故障排除，而非取代成型製品測試。DSC 觀察結果可指出可能的機制，但仍需透過密度測試、顯微觀察、尺寸檢查、壓縮永久變形、回彈與生產試驗加以確認。
DSC 無法告訴你的事情
DSC 功能強大，但並不是完整的可發泡性測試。DSC 不直接測量氮氣溶解度、氮氣擴散率、熔體強度、伸長黏度、成核密度、最終泡孔尺寸、密度分布、長期耐久性或實際量產穩定性。
即使材料具有良好的 DSC 行為，若氣體溶解、流變性、熔體強度、模具設計或加工條件不合適，仍可能發泡不良。因此，DSC 應搭配流變分析、成型試驗、密度量測、顯微觀察、壓縮永久變形測試、回彈測試、循環壓縮、尺寸穩定性檢查及量產重複性數據。
正確使用 DSC，可協助工程師理解問題的熱性質面向，但它無法取代其他工程驗證工作。
DSC 判讀的常見錯誤
最常見的錯誤是將 Tm 視為單一加工溫度。在商用鞋材中，熔融通常發生於一段溫度範圍，而不是某一個精確溫度點。
另一個錯誤是只關注熔融行為而忽略結晶。對 SCF 射出而言，冷卻過程中的結晶可能更為重要，因為它決定泡體何時開始穩定。
工程師也應避免比較不同升溫或降溫速率下取得的 DSC 曲線、假設結晶度越高一定越好、假設僅靠 DSC 就能預測可發泡性，或忽略第一次加熱與第二次加熱之間的差異。
DSC 最佳的使用方式，是形成更好的工程假設，而不是省略驗證。
常見問題
DSC 分析在 SCF 射出發泡中有什麼用途？
DSC 分析用於了解聚合物如何熔融、結晶、保留熱歷史，以及在冷卻過程中如何穩定。這可協助工程師評估材料適用性、成型視窗、收縮風險、表面外觀敏感度與製品品質問題。
DSC 能預測材料是否能良好發泡嗎？
不能。DSC 無法直接預測可發泡性，因為它不測量氮氣溶解度、氮氣擴散率、熔體強度、成核密度或最終泡孔形態。它可協助判斷聚合物的熱行為是否有利於穩定發泡。
為什麼結晶溫度很重要？
結晶溫度有助於判斷泡體何時開始穩定。若結晶太早，膨脹可能受限；若結晶太晚，製品在脫模後可能收縮、塌陷或變形。
DSC 能解釋表面條紋或流痕嗎？
DSC 可協助解釋材料為何可能容易出現表面條紋，尤其是在結晶速度快或對冷卻條件高度敏感時。它無法直接預測流痕，但可協助判斷結晶行為是否為問題成因之一。
較高的結晶度能改善泡體品質嗎？
有時可以，但並非一定。較高結晶度可改善尺寸穩定性與壓縮回復性，但也可能增加剛性、降低柔軟度、限制膨脹或縮窄成型視窗。
結論
DSC 分析並非獨立的可發泡性測試，而是一張熱性質地圖，可協助工程師了解聚合物在 SCF 射出發泡過程中如何熔融、結晶、重新排列並穩定。正確判讀 DSC，可協助解釋發泡行為、成型視窗敏感度、收縮、表面外觀、壓縮永久變形、回彈與量產重複性。
DSC 最有效的用途不是尋找單一理想的熔點或結晶溫度，而是比較不同材料、批次、成型製品與製程條件下的熱行為。第一次加熱可顯示先前的熱歷史；冷卻可顯示結晶行為；第二次加熱則有助於區分材料本質行為與加工熱歷史。
當 DSC 與流變分析、成型製品試驗、密度測試、顯微觀察、壓縮永久變形、回彈測試、尺寸穩定性檢查及生產數據搭配使用時，便能成為改善 SCF 射出泡體品質並建立更穩健製造製程的實用工程工具。