生物降解塑料能在自然環境條件下較快地分解，達到自然生態的平衡，因此以PLA為代表的可生物降解塑料近年來獲得迅速發展。與此同時，積極進行相應的成型技術的開發也得到廣泛重視。本文結合富強鑫公司的技術研發重點介紹高耐熱PLA成型技術及其應用。
Biodegradable plastics let us enjoy the convenience brought by traditional plastics yet being eco-friendly. As a result, biodegradable plastics are developing quickly, in particular the applications of PLA. This article analyzes the applications and molding technologies of highly heat-resistance PLA with reference to FCS Group's research results. |
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| 圖1 台灣花博所展售之PLA杯子（富強鑫公司整合開發）。 |
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PLA發展歷程及現狀
PLA（聚乳酸）材料最早是在1932年杜邦公司Carothers在真空情況下加熱乳酸，生成了低分子的聚乳酸。到了上世紀七十年代，研究者開始合成高分子量並具有旋光性的PLA。優異的生物兼容性和生物分解性使PLA的研製與開發受到越來越多的重視，直到1987年，Cargill公司和Dow chemical公司在PLA開發方面有了突破性的發展，他們使用玉米為原料，將聚乳酸生產從試驗廠進展到工業化，並於2001年成立NatureWorks，實現PLA的產業化生產。
在原料方面，NatureWorks是目前全球最大的聚乳酸生產商，年產能達14萬噸。帝人化學在2008年從豐田接收1000噸的聚乳酸工廠後，預計在2010年產能可達1200噸。格拉特(Galatic)與道達尔(Total)石化合資成立Futerro公司，計劃建立年產量1.5萬噸聚乳酸工廠。瑞士伍德與德國BioPlastics合資成立Pyramid Technology公司，計劃在德國興建年產6萬噸的聚乳酸廠。Purac、Sulzer與Synbra公司計劃在歐洲興建年產量5萬噸的聚乳酸工廠。浙江海正計劃將聚乳酸產量從5千噸擴大至3-5萬噸。
如果這些計劃中的產能能夠順利開出，估計2012年全球PLA產量可達26萬噸以上。
在成型應用方面，富強鑫(FCS)集團於2008年開始投入PLA成型應用技術的研發，並先後與SABIC台灣分公司以及PLA改性原料商合作，目前已成功開發出高耐熱的PLA成型技術（系統），在民生用品上已有良好的應用與銷售實績，如PLA餐具、PLA馬克杯等。
富強鑫公司提供“PLA專用成型系統”的整廠服務概念，研發並整合射出機、模具、周邊輔助系統（如急冷急熱、飢餓喂料裝置、機械手取出設備等），讓代工業者或是產品設計端可以獲得一個實現PLA產品量產的解決方案，未來更將着重於各種消費型產品的大量生產應用，使PLA製品的整體生產成本降低，並逐漸取代某些塑料製品，落實環境保護的使命。
圖1為富強鑫開發成功的高耐熱PLA航空杯，耐熱溫度達105℃，現已由客戶進行量產並於“2010台北國際花卉博覽會”中展售。
PLA技術與製程簡介
表1 PLA（聚乳酸）材料物性表。 |
PLA物性簡介與製程要點
PLA材料物性如表1所示。此外，純PLA具有結晶速度慢、成品收縮率高，尺寸穩定性差，本質易脆、加工穩定性差、耐久性差以及熱變形溫度低等特點，因此PLA製程大受限制。目前皆以添加複合物的方式改善這些性質，因而有許多PLA改性料問世。
PLA射出成型加工要點主要為成型的溫度控制（料溫、射嘴溫度、模具溫度）、壓力（射出壓力、模內壓力）和對應的各種作用時間（射出時間、保壓時間、冷卻時間）以及會影響塑料溫度、壓力變化的加工因素如螺桿轉速、加料量及料管內停留時間等因素都不可忽視。
料溫
料管溫度要設定在PLA的熔點以上，一般在180~200℃。由於PLA對溫度比較敏感，高溫以及較長停留於料管時間容易導致PLA產生降解。所以在溫度設定時要均衡溫度與停留時間的關係，還要考慮成品和模具的結構特點，可以經過多次的調整試驗確定最佳值。
為了保證喂料順暢，喂料段溫度一般盡可能設定較低溫度，尤其對於非結晶化處理的PLA材料。螺桿轉速不能太高，否則局部剪切生熱過多也容易造成PLA的降解。
模具溫度
模具溫度直接決定PLA熔膠的冷卻速度，而且影響PLA熔膠的充填行為，也影響PLA成品的性能。因此設定溫度時要保證射出時質量完整、脫模不變形，還要綜合考慮模溫對PLA結晶、分子取向、成品應力和各種力學性能的影響。
例如為了提高添加了成核劑的PLA材料成品的結晶度，往往升高模溫至105~115℃並停留一段時間。但模溫升高同時導致成品的翹曲度、收縮率增大以及成型周期的延長，可以通過對材料組分調整等技術進行改善。
射出周期和射出速度
成型周期中以冷卻時間和射出時間最為重要，對成品的性能和質量有決定性的影響。
僅從時間來看，一般成品射出時間都很短，約少於1秒；保壓時間為2~5s；冷卻時間以控製成品脫模時不翹曲，脫模順利為原則，並符合PLA熔膠再結晶化的時間需求，一般為40~120s，依照成型品的大小而做不同的時間選擇。
要提高熱變形溫度，必須提升Tg(玻璃化溫度)，最簡單的方法就是使PLA塑料的再結晶程度變得更高。一般來說，提高模溫並增加冷卻時間(延長成型周期)可使PLA結晶度提升，而結晶化程度越高，耐熱效果也越好。
圖2 退火時間對熱變型溫度之影響。 |
此論證已在相關的基礎研究中得到證實，圖2(A)表示當PLA原料處於長時間的退火處理時(類似於高模溫+長時間冷卻的應用)，材料的再結晶程度也隨之越高。而圖2(B)則表示，較長的退火時間將有助於熱變形溫度的增加(耐熱效果)，圖中的退火時間持續達60 min時，材料的熱變形溫度可提升到95℃。
不過，我們無法接受長達數十分鐘的成型周期，但又想獲得PLA高結晶化程度所帶來的高耐熱效果，以提升PLA製品的巿場應用性。近年來已有不少原料商積極投入PLA材料的改性與技術應用的研究。
FCS-PLA專用成型系統整合與應用
表2 飢餓成型（HF）系列主要規格（※HF-III型控制箱重量9.1kg）。 |
成型與接口設備介紹
1. FCS-射出成型機
圖3 飽食與飢餓成型法示意圖。 |
根據PLA射出成型需求，富強鑫的標準機型HT、HN系列即可進行射出成型，此機種特點如下：
(1) 靜音汽缸搭配新式機架設計，使高速開關模動作平穩且無噪音。
(2) 採用無給油軸承，減少潤滑油使用，提升機台潔淨度。
(3) 加大導柱內距與開模行程，適用性更廣。
(4) 採用FCS-2100電控，可搭配高速比例閥之半回路油壓系統，有效提升機械穩定性。
(5) 可依照成品需求提供不同料管組的搭配，提供客製化的配備。
2. 飢餓成型系統
因應成型質量的問題，富強鑫提出將傳統式的飽食成型法（即原料堆滿入料口）改變為飢餓成型法（如圖3），主要是因為此系統可以達到定量供料，避免塑料隨重力落下，造成塑料停留預熱時間過長。
該系統為日本NIHON YUKI開發成功之產品，並經由與富強鑫的合作，整合成型設備與模具端並擴大其應用。
目前針對不同尺寸的射出成型機，包括三種規格的定量喂料系統。此系統可以有效減少PLA材料在加料段預熱時間，避免材料降解引起的成品不良問題。
表3 成型問題改善實際案例表（※此成型問題改善實際案例表由日本NIHON YUKI所提供）。 |
此系統並不只應用於PLA成型問題解決，也常應用於光學件或者是厚件的成型來改善質量問題，如表面化紋、銀線，計量不穩定等現象。相關成型問題實際案例解決與改善效果如表3所示。
成型技術應用實例-高耐熱PLA成型技術開發
富強鑫公司不僅針對射出成型設備進行開發，在成型技術方面也與台灣相關PLA改性廠商合作，以民生餐具作為開發應用的巿場，並依成品質量問題提出模具與成型條件改善對策，作為開發PLA材料模具之重要設計參考。
圖4 廠商提供刀叉湯匙三合一模具。
表4 FCS AF-100機台主要規格表。 |
圖4為刀、叉、湯匙三合一之餐具模具。並以FCS AF-100油電射出機進行成型研究，該射出成型機規格如表4所示。
在模具進行T1試模時，採用高模溫設定(80℃~85℃)，提高成品的再結晶溫度，以取得較佳的成型品質量，但成型時發現在高模溫時，容易產生保壓不足的情況，且該模具頂出位置設計不良，模溫太高，頂出時產生黏模及成品破壞的狀況所示。
由於該模具頂出設計問題，進行T2試模時降低模溫(~60℃)，實際射出成型後發現低模溫時，成品經過適當冷卻後，硬度明顯提升，整體生產狀況優於T1，由於PLA再結晶溫度影響成品之熱變形，故針對T1及T2成品進行熱變形強度的測試。使用熱水(~98℃)，將兩成品同時進行浸泡約2分鐘，取出後以人工彎折發現，再結晶溫度太低，產品熱變形以及強度明顯減弱。
據本次測試結果，我們已掌握關鍵PLA原料成型特性與主要成型條件要求。針對該客戶模具提出流道系統與模穴位置，乃至頂出設計均有缺陷，並提出相關模具設計變更要點回饋客戶，建議修改；模具溫度明顯影響成品強度，這是由於PLA原料在冷卻階段要求較高的模溫來完成“再結晶”，但高模溫不利脫模頂出且成型周期增加，故富強鑫已整合“急冷急熱”或“表面加熱”技術來克服這一問題。
（本文由台灣富強鑫精密工業(股)公司模具與成型系統應用部提供）
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