可视化射出成型技术探讨循环再利用塑料材料成型特性──以聚丙烯材料为例

■逢甲大学 / 彭信舒 副教授

(转载自繁体版ACMT电子技术月刊No.070)

前言

运用数字制造提升供应链韧性，发展洁净能源和低碳制程技术，以永续科技落实绿色循环新经济是后疫情时代国家重要前瞻政策，也是本届德国杜塞道夫(Dü sseldorf)国际 橡塑胶展K2022(K-Show)重要展出主题。 塑料是由不可再生资源生产的，其来源有限，不当处理将可能使部分化学成分或元素对环境产生不良影响。 因此，由于塑料废弃物的不当处置明显造成环境污染，导致全球的废物管理能力紧张。

近年来，随着循环经济与塑料制品轻量化发展趋势，3R原则（减量化-Reduce、再使用-Reuse与再回收-Recycle）受到产业高度重视；提倡以塑料循环利用为核心，促进产业链结、提升循环价值，对于回收料物性变化与成型特性的了解俨然成为重要研究课题。所以，塑胶废弃物处理已成为全球议题，世界各国重新将塑料产品生命周期转型成循环经济的模式。如果能正视问题使危机变成转机，实践循环理念开拓新商机，并建立创新技术思维，延伸产品应用情境，建构循环经济商业模式，进而达到永续发展的目标。

有鉴于此，财团法人塑胶工业技术发展中心（以下简称塑胶中心）近年来致力于推动「消费后塑胶再生料(Post-Consumer Recycled Plastic Material)」验证平台和应用推广，已从「降低成本」跃升到「绿色要求」，也触发了「废塑胶」回收、再利用的新商机。

塑胶材料循环再利用──成型特性探讨

目前，关于使用回收塑胶材料进行射出成型产品制造，塑料成型产业的普遍作法会将生产之产品和流道进行分离，将分离后的流道或不良品收集起来，透过粉碎机将废料粉碎成更小体积成为回收料。在允许条件下，业界多数的作法是与原料混合再利用，一方面可以有效资源回收，一方面可以节省材料成本。但是因为回收料经过多次粉碎的外力作用下（压轧、剪下、冲击、研磨），材料相关特性产生变化而影响到塑胶原料成型特性，且特性的变化根据回收料不同添加比例与回收次数而有所不同，对回收再使用塑料原料的性质（流动特性或机械性质等）掌握，是业者在进行塑料产品生产制造前需要审慎评估的问题。

以本研究所使用之塑料为例，聚丙烯（Polypropylene，简称PP），为热塑性塑胶材料，是一款可回收的塑料材质，美国塑胶工业协会塑料材质回收分类编码为5。对于热塑性塑料来说，塑料粒在经过射出机螺杆的塑化与剪切，其塑料分子链会被剪断，黏度性质或流动特性可能产生变化，进而影响塑料产品成型。由目前文献搜集可得知，学术上的研究发表大多在不同回收料添加比例、配方与制程特性上进行研究与探讨，但对于塑胶原料经重复射出→粉碎→再射出，且不加入原塑料材料(Raw material)情形下的回收料之成型特性较少探讨。

图1：循环再利用塑料射出成型实验流程示意图

因此，本文章分享塑料在经过多次射出→粉碎→再射出的制程中（如图1所示），透过在模穴内安装压力感测组件，观察回收塑料射出成型过程熔胶流动长度与充填至模穴之压力变化，并计算其黏度因子；藉以透过成型信息实时感测（成型信息可视化）方式了解不同回收次数之塑胶成型特性。

另一方面，透过熔融指数试验机(Melt flow index tester)以及热示差扫描分析仪(Differential scanning calorimetry, DSC)针对不同粉碎次数之实验材料进行检测，观察塑胶原料回收次数增加后其熔融流动特性与热性质变化。

最后，透过射出成型实验进行成型试片机械性质测试观察，将试片（ASTM D638拉伸试片）进行拉伸测试，藉由拉伸测试结果，并整合模穴压力变化、黏度因子变化，以及相对应的回收料流动特性与热性质变化，进行探讨。

研究结果与讨论

图2(a)为原材料Raw-PP在多次回收粉碎过程后，进行射出成型实验并观察熔胶充填流动特性的变化，图中显示随着回收次数增加，可明显观察到Melt flow rate随回收次数增加而变大，意味着PP分子量随着回收次数增加而变低，且回收次数到达4次以上时达到饱和。材料会因射出与粉碎过程的剪切应力、加热、塑化等过程，造成材料的分子链遭受破坏导致分子量下降与分子量分布变宽，使材料流动性提高；同时，回收次数到达4以上时，PP分子链产生明显断链或破坏情形已较不明显。

图2(a)：(a)~(c)为不同回收次数塑料流动特性和结晶度之变化。(a)为原材料Raw-PP在多次回收粉碎过程后，进行射出成型实验并观察熔胶充填流动特性的变化

进一步将成型试片透过热示差扫描分析仪进行测试，图2(b)为不同回收次数PP 塑料DSC降温图形，可明显观察到一放热结晶峰，峰值顶点为结晶温度。

图2(b)：(a)~(c)为不同回收次数塑料流动特性和结晶度之变化。(b)为不同回收次数PP 塑料DSC降温图形

图2(c)：(a)~(c)为不同回收次数塑料流动特性和结晶度之变化。(c)表示不同回收次数的结晶度与结晶温度变化图

图2(c)表示不同回收次数的结晶度与结晶温度变化图，由图中可得知随着回收次数的增加熔融结晶温度也随之上升，意味着随着回收次数增加使PP分子量降低，但进一步使PP结晶速率上升。

图3：不同回收次数塑料结晶度、黏度因子和拉伸强度之关系

图3显示在不同回收次数条件下，结晶温度、黏度因子与拉伸强度之间的关系。从图中可以看出，随着回收次数的增加，黏度因子有下降趋势，在塑料结晶温度方面，会随着回收次数增加而上升，这样的结果同样的反应在拉伸强度上。

综合图2与图3的研究结果显示，虽然塑料结晶度与机械性质有正相关性，但值得注意的是，当塑料回收次数到达四次以上，机械性质便开始下降，表示塑料回收经历多次热历程，结晶度虽然有提升现象，但塑料同样经历多次粉碎（外力作用），导致产品机械性质产生下降趋势。相信，透过可视化射出成型技术建立循环再利用塑料材料成型特性数据，对产业需求有正面助益。

结语

本研究透过不同回收次数之PP塑料进行射出成型特性、模穴压力、黏度因子与拉伸强度等变化趋势作为探讨主轴，提供产业了解在不同回收次数下之塑料特性，以支持产业需求。

此外，循环再利用塑胶材料可能来自不同的回收场域，回收塑料本身会随批次不同，而有不同的特性（如黏度、密度、成型特性等），造成业者在进行回收塑料射出成型加工时，产品质量与特性容易产生极大的差异性与挑战。因此，在建构循环经济及追求净零碳排永续发展的趋势下，运用感测组件建立实时感测技术让成型信息可视化，预期可加速协助业者建立测试平台与数据库。

随着智能化射出成型技术的发展，结合可视化信息，让成型信息进一步透明化，实时掌握不同批次回收塑料之特性变异，进一步透过成型参数调整，得到质量均一之射出成型产品，实现射出成型数字智能制造的目的，增加其塑料回收料再利用之价值。■

此文章摘录自ACMT- SmartMolding杂志-(2022/12月刊)

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