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高耐热PLA成型技术开发与应用 |
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作者：台湾富强鑫精密工业(股)公司 来源：雅式工业专网 |
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PLA发展历程及现状
PLA（聚乳酸）材料最早是在1932年杜邦公司Carothers在真空情况下加热乳酸，生成了低分子的聚乳酸。到了上世纪七十年代，研究者开始合成高分子量并具有旋光性的PLA。优异的生物兼容性和生物分解性使PLA的研制与开发受到越来越多的重视，直到1987年，Cargill公司和Dow chemical公司在PLA开发方面有了突破性的发展，他们使用玉米为原料，将聚乳酸生产从试验厂进展到工业化，并于2001年成立NatureWorks，实现PLA的产业化生产。
在原料方面，NatureWorks是目前全球最大的聚乳酸生产商，年产能达14万吨。帝人化学在2008年从丰田接收1000吨的聚乳酸工厂后，预计在2010年产能可达1200吨。格拉特(Galatic)与道达尔(Total)石化合资成立Futerro公司，计划建立年产量1.5万吨聚乳酸工厂。瑞士伍德与德国BioPlastics合资成立Pyramid Technology公司，计划在德国兴建年产6万吨的聚乳酸厂。Purac、Sulzer与Synbra公司计划在欧洲兴建年产量5万吨的聚乳酸工厂。浙江海正计划将聚乳酸产量从5千吨扩大至3-5万吨。
如果这些计划中的产能能够顺利开出，估计2012年全球PLA产量可达26万吨以上。
在成型应用方面，富强鑫(FCS)集团于2008年开始投入PLA成型应用技术的研发，并先后与SABIC台湾分公司以及PLA改性原料商合作，目前已成功开发出高耐热的PLA成型技术（系统），在民生用品上已有良好的应用与销售实绩，如PLA餐具、PLA马克杯等。
富强鑫公司提供“PLA专用成型系统”的整厂服务概念，研发并整合射出机、模具、周边辅助系统（如急冷急热、饥饿喂料装置、机械手取出设备等），让代工业者或是产品设计端可以获得一个实现PLA产品量产的解决方案，未来更将着重于各种消费型产品的大量生产应用，使PLA制品的整体生产成本降低，并逐渐取代某些塑料制品，落实环境保护的使命。
图1为富强鑫开发成功的高耐热PLA航空杯，耐热温度达105℃，现已由客户进行量产并于“2010台北国际花卉博览会”中展售。
图1 台湾花博所展售之PLA杯子（富强鑫公司整合开发）
PLA技术与制程简介
PLA物性简介与制程要点
PLA材料物性如表1所示。此外，纯PLA具有结晶速度慢、成品收缩率高，尺寸稳定性差，本质易脆、加工稳定性差、耐久性差以及热变形温度低等特点，因此PLA制程大受限制。目前皆以添加复合物的方式改善这些性质，因而有许多PLA改性料问世。表1 PLA（聚乳酸）材料物性表
 PLA射出成型加工要点主要为成型的温度控制（料温、射嘴温度、模具温度）、压力（射出压力、模内压力）和对应的各种作用时间（射出时间、保压时间、冷却时间）以及会影响塑料温度、压力变化的加工因素如螺杆转速、加料量及料管内停留时间等因素都不可忽视。
料温
料管温度要设定在PLA的熔点以上，一般在180~200℃。由于PLA对温度比较敏感，高温以及较长停留于料管时间容易导致PLA产生降解。所以在温度设定时要均衡温度与停留时间的关系，还要考虑成品和模具的结构特点，可以经过多次的调整试验确定最佳值。
为了保证喂料顺畅，喂料段温度一般尽可能设定较低温度，尤其对于非结晶化处理的PLA材料。螺杆转速不能太高，否则局部剪切生热过多也容易造成PLA的降解。
模具温度
模具温度直接决定PLA熔胶的冷却速度，而且影响PLA熔胶的充填行为，也影响PLA成品的性能。因此设定温度时要保证射出时质量完整、脱模不变形，还要综合考虑模温对PLA结晶、分子取向、成品应力和各种力学性能的影响。
例如为了提高添加了成核剂的PLA材料成品的结晶度，往往升高模温至105~115℃并停留一段时间。但模温升高同时导致成品的翘曲度、收缩率增大以及成型周期的延长，可以通过对材料组分调整等技术进行改善。
射出周期和射出速度
成型周期中以冷却时间和射出时间最为重要，对成品的性能和质量有决定性的影响。
仅从时间来看，一般成品射出时间都很短，约少于1秒；保压时间为2~5s；冷却时间以控制成品脱模时不翘曲，脱模顺利为原则，并符合PLA熔胶再结晶化的时间需求，一般为40~120s，依照成型品的大小而做不同的时间选择。
要提高热变形温度，必须提升Tg(玻璃化温度)，最简单的方法就是使PLA塑料的再结晶程度变得更高。一般来说，提高模温并增加冷却时间(延长成型周期)可使PLA结晶度提升，而结晶化程度越高，耐热效果也越好。
此论证已在相关的基础研究中得到证实，图2(A)表示当PLA原料处于长时间的退火处理时(类似于高模温+长时间冷却的应用)，材料的再结晶程度也随之越高。而图2(B)则表示，较长的退火时间将有助于热变形温度的增加(耐热效果)，图中的退火时间持续达60 min时，材料的热变形温度可提升到95℃。
图2 退火时间对热变型温度之影响
不过，我们无法接受长达数十分钟的成型周期，但又想获得PLA高结晶化程度所带来的高耐热效果，以提升PLA制品的巿场应用性。近年来已有不少原料商积极投入PLA材料的改性与技术应用的研究。表2 饥饿成型（HF）系列主要规格（※HF-III型控制箱重量9.1kg）
 FCS-PLA专用成型系统整合与应用
成型与接口设备介绍
1. FCS-射出成型机
根据PLA射出成型需求，富强鑫的标准机型HT、HN系列即可进行射出成型，此机种特点如下：
(1) 静音汽缸搭配新式机架设计，使高速开关模动作平稳且无噪音。
(2) 采用无给油轴承，减少润滑油使用，提升机台洁净度。
(3) 加大导柱内距与开模行程，适用性更广。
(4) 采用FCS-2100电控，可搭配高速比例阀之半回路油压系统，有效提升机械稳定性。
(5) 可依照成品需求提供不同料管组的搭配，提供客制化的配备。
2. 饥饿成型系统
因应成型质量的问题，富强鑫提出将传统式的饱食成型法（即原料堆满入料口）改变为饥饿成型法（如图3），主要是因为此系统可以达到定量供料，避免塑料随重力落下，造成塑料停留预热时间过长。
图3 饱食与饥饿成型法示意图
该系统为日本NIHON YUKI开发成功之产品，并经由与富强鑫的合作，整合成型设备与模具端并扩大其应用。
目前针对不同尺寸的射出成型机，包括三种规格的定量喂料系统。此系统可以有效减少PLA材料在加料段预热时间，避免材料降解引起的成品不良问题。
此系统并不只应用于PLA成型问题解决，也常应用于光学件或者是厚件的成型来改善质量问题，如表面化纹、银线，计量不稳定等现象。相关成型问题实际案例解决与改善效果如表3所示。表3 成型问题改善实际案例表（※此成型问题改善实际案例表由日本NIHON YUKI所提供）。
 成型技术应用实例-高耐热PLA成型技术开发
富强鑫公司不仅针对射出成型设备进行开发，在成型技术方面也与台湾相关PLA改性厂商合作，以民生餐具作为开发应用的巿场，并依成品质量问题提出模具与成型条件改善对策，作为开发PLA材料模具之重要设计参考。
图4 厂商提供刀叉汤匙三合一模具
图4为刀、叉、汤匙三合一之餐具模具。并以FCS AF-100油电射出机进行成型研究，该射出成型机规格如表4所示。表4 FCS AF-100机台主要规格表
 在模具进行T1试模时，采用高模温设定(80℃~85℃)，提高成品的再结晶温度，以取得较佳的成型品质量，但成型时发现在高模温时，容易产生保压不足的情况，且该模具顶出位置设计不良，模温太高，顶出时产生黏模及成品破坏的状况所示。
由于该模具顶出设计问题，进行T2试模时降低模温(~60℃)，实际射出成型后发现低模温时，成品经过适当冷却后，硬度明显提升，整体生产状况优于T1，由于PLA再结晶温度影响成品之热变形，故针对T1及T2成品进行热变形强度的测试。使用热水(~98℃)，将两成品同时进行浸泡约2分钟，取出后以人工弯折发现，再结晶温度太低，产品热变形以及强度明显减弱。
据本次测试结果，我们已掌握关键PLA原料成型特性与主要成型条件要求。针对该客户模具提出流道系统与模穴位置，乃至顶出设计均有缺陷，并提出相关模具设计变更要点回馈客户，建议修改；模具温度明显影响成品强度，这是由于PLA原料在冷却阶段要求较高的模温来完成“再结晶”，但高模温不利脱模顶出且成型周期增加，故富强鑫已整合“急冷急热”或“表面加热”技术来克服这一问题。(end)
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(1/5/2012) |
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