生物分解塑料與生物基塑料的成型加工(一)

2021-02-13 降解塑料專委會

成型加工與材料特性

上面已經提過,成型加工的主要操作就是熔融→流動→成型→冷卻固化。所謂熔融就是要令樹脂處於流動狀態,所以具體來說就是要加熱到玻璃轉化溫度(Tg)或熔點(Tm)以上。所謂流動,就是要令樹脂的粘度在適當的範圍內。所以在成型中,彈性、粘彈性是很重要的參數。然後在冷卻固化時,必須了解結晶化溫度(Tc)、結晶化時間和熱收縮、熱膨脹的狀況。生物分解性樹脂在這些方面也是一樣的。

塑料的彈性度和溫度

高分子的分子鏈處於無法自由運動的狀態時,塑料會比較硬,可以適度運動時就會比較軟。高分子鏈的運動跟溫度有關,溫度在玻璃轉化溫度以下時高分子鏈的運動會凍結,彈性度在1000MPa左右。非結晶性高分子在溫度高於玻璃轉化溫度時會呈粘液狀流動,而結晶性高分子,在熔點以下時,由於結晶限制了分子鏈的運動,不會呈流動狀態而是變軟。這個變軟的程度與結晶化度有關,結晶化度越低越軟。圖6-1顯示了結晶性高分子和非結晶性高分子的溫度和彈性度之間的關係。結晶化溫度基本是在玻璃轉化溫度和熔點之間。

圖6-1 結晶性、非結晶性高分子的溫度和彈性度之間的關係

塑料的粘彈性

塑料被認為是由無數根細長繩狀鏈段結合而成的。這種結合越多粘度就越高,結合越密實熔融狀態和彈性度就越高。用結合點間分子量Me和分子量(高分子鏈的長度)M可以給定高分子的特徵。結合點數Z=M/Me,與分子量成正比,塑料的熔融粘度是分子量的3.5次方的函數。通過粘度計測定動態粘彈性(貯藏彈性度G』,損失彈性度G與頻率之間的關係),可以了解塑料的粘彈性。圖6-2就是G』的模式圖。

圖6-2 貯藏彈性度G』的頻率關係圖

塑料的結晶

高分子可分為結晶性高分子和非結晶性高分子。

結晶性高分子,是高分子鏈有規則地整齊排列成結晶,大小從50Å到100μm不等。這種結晶中,高於可見光波長範圍的大型結構是不透明的,而低於可見光波長的,結晶和不結晶的高分子一樣都是透明的。也就是說,可以通過控制成型加工的條件來控制高分子的透明性。就算是結晶性高分子,如果進行急速冷卻抑制結晶的成長,使得結晶不那麼大,就是透明的。PET瓶和PP杯等都是屬於這種情況。

塑料的PVT特性

高分子的比容V(單位質量所佔的體積)隨著溫度T的上升而膨脹,隨著壓力P的增大而減少。結晶化高分子由於高分子鏈排列規整,比容比較小。接近平衡狀態的壓力-比容-溫度的關係即所謂的PVT特性。圖6-3顯示了非結晶性和結晶性塑料的PVT關係。

圖6-3 非結晶性和結晶性塑料的PVT關係

注射成型產品,可以從PVT關係來預見在溫度差(成型溫度→室溫)和壓力差下體積發生變化情況,從而來進一步計算成型後的收縮量。

生物分解性塑料的特性

生物分解性塑料可以分為天然高分子(纖維素,甲殼質,澱粉)、微生物合成、化學合成、以及它們的共混物等幾類。目前市場上幾種主要生物分解塑料的玻璃轉化溫度、熔點見表6-1。

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