TWI784251B

TWI784251B - 環保高分子產品之製造方法及其衍生物

Info

Publication number: TWI784251B
Application number: TW109109463A
Authority: TW
Inventors: 蔡柏淵; 白振安
Original assignee: 蔡柏淵
Priority date: 2019-07-22
Filing date: 2020-03-20
Publication date: 2022-11-21
Also published as: TW202104388A

Abstract

本發明係一種聚乳酸複合材料之製造方法，其步驟包含: 以第一剪切參數混練一聚乳酸原料、一植物纖維以及一補充材料，產生一預先混合物；以一種以上與該第一剪切參數不同之第二剪切參數混練該預先混合物，產生一完成混合物，該完成混合物中該植物纖維、該聚乳酸及補充材料於完成混合後，該植物纖維於該聚乳酸形成預排列；將該完成混合物造粒形成一母料；以及將該母料以機械力配合加溫形成流動狀態後射出至一模具內，並於模具內保持一成型時間並成型，該成型時間為30秒內。

Description

環保高分子產品之製造方法及其衍生物

一種環保高分子產品之製造方法及其衍生物。

塑膠是對地球環境造成的問題，是本世紀最難以解決的問題之一。由於生產便利與價格優勢，完全摒除棄用幾乎是不可能達成的，因此除了減少使用之外，選擇可以生物分解的原料是唯一正途。

排除石化來源的材料，由生物材料取得可製作塑膠的高分子來源是近年常見的模式，例如由玉米等植物所提取的聚乳酸(Poly Lactic Acid, PLA)是目前可在特定狀況下分解且具有類泛用塑膠性能的良好替代品之一。目前PLA雖具有的優勢，但如果要增加其製品的耐熱性，則需要在塑膠射出的模具內維持一定時間（80秒左右）與溫度才得以結晶，而提昇PLA的製成品的機械性能與耐溫性。然而，對於一般生產製程而言，長時間的持溫代表生產方式受到限制（例如僅能使用射出製程）、產率下降、製程參數控制不易、設備攤提高昂、材料耗損大等，造成總體製造成本大幅飆升。

為了解決既有聚乳酸(Poly Lactic Acid, PLA)材料必須透過產品於成型過程長時間持溫才能提昇產品具有一定耐熱性或機械強度，造成之總體成本大幅提昇、生產方式受到限制的問題，本發明提出一種聚乳酸複合材料之製造方法，其步驟包含: 以第一剪切參數混練一聚乳酸原料、一植物纖維以及一補充材料，產生一預先混合物；以一種以上與該第一剪切參數不同之第二剪切參數混練該預先混合物，產生一完成混合物，該完成混合物中該植物纖維、該聚乳酸及補充材料於完成混合後，該植物纖維於該聚乳酸形成預排列；將該完成混合物造粒形成一母料；以及將該母料以機械力配合加溫形成流動狀態後射出至一模具內，並於模具內保持一成型時間並成型，該成型時間為30秒內。

其中，該第二剪切參數為剪切力、混練單元長度或混練單元溫度大於該第一剪切參數。

其中，該聚乳酸原料含量介於40～70wt%；該植物纖維含量介於10wt%~30wt%；以及該補充材料含量介於10～35wt％。

其中，該植物纖維長度介於0.01mm~3mm，包含稻榖粉、椰子殼粉、咖啡渣、稻殼粉、柳樹粉、竹子粉或木粉；以及該補充材料包含一晶核劑0.5～6wt%、一防水劑0.5～5wt%、一抑菌劑1~10wt%、一架橋劑0.1～5wt%、一滑劑、一抗壓改質劑、一分解促進材料0.1～2wt%或前述材料之組合。

其中，該晶核劑包含滑石粉、長碳鏈為主要成分的羧酸鈣鹽；該抑菌劑包含珊瑚粉；該滑劑包含食用蠟或油脂；該抗壓改質劑包含丁二醇、碳酸酯、聚對苯二甲酸乙二酯、乙烯基樹脂、乙烯醇、聚對苯二甲酸丁二酯或甘油酯；以及該分解促進材料包含蛋白質。

其中，該母料成型為一次性餐具。

較佳地，該一次性餐具為一餐刀、叉子、湯匙或吸管。

較佳地，前述該環保高分子製品於裁切成段後可做為燃料。

藉由上述說明可知，本發明具有以下優點：

1. 本發明所提供的PLA成型製程時間短，可產出耐溫性佳之成品。現有如要產生耐熱溫度大於100^oC 之產品，則必須於成型時，於模具內維持成型時間約80秒，才得以使聚乳酸完成結晶，而可提昇其耐溫性。然而，本發明前述方法可以透過多段剪切參數之控制，讓材料於料管內產生預排列，大幅降低於射出成型時模內持溫時間，進而縮短成型時間為30秒內，有效解決現有技術成型時間過長導致成本上升的技術問題。

2. 本發明回收後，切斷成段，可以作為燃料。燃燒時，主要材料聚乳酸與植物纖維皆為生物來源材料，不會造成空氣污染，可有效作為火種或者高密度燃料。

請參考圖1，本發明一種聚乳酸(Poly Lactic Acid, PLA)複合材料製品之製造方法，其步驟包含：

STEP 1 ：以第一剪切參數將一聚乳酸原料、一植物纖維以及一補充材料予以混合，產生一預先混合物。其中，使用第一剪切參數時，該聚乳酸原料之含量介於40～70wt%，該植物纖維介於10wt%~30wt%，該補充材料則依據聚乳酸、植物纖維之配比補充其餘含量，其含量可依據需求調整，例如介於10～35wt％之間。

該植物纖維可為稻榖粉、椰子殼、咖啡渣、稻殼粉、柳樹粉、竹子粉、木粉、竹碳粉、抹搽粉、火龍果粉、石榴粉、綠藻粉、葉菜類粉等粉體等乾燥化的植物短纖維。纖維長度可介於0.01mm~3mm，較佳低於1mm以便於能均勻分散於該聚乳酸內。前述植物纖維粉體所含有的天然色料，可作為聚乳酸複合材料之製成品染色劑與提昇生物分解效率之雙重不可預期功效。

該補充材料包含由一晶核劑0.5～6wt%（較佳為2~4wt%）、一防水劑0.5～5wt%（較佳為3wt%）、一抑菌劑1~10wt%（較佳為5wt%）、一架橋劑0.1～5wt%（較佳為3wt%）、一滑劑(較佳為1～4wt%)、一抗壓改質劑（較佳為1～10wt%）、一分解促進材料0.1～2wt%(較佳為0.5wt%以下)或前述所提材料的組合。

該晶核劑可以是滑石粉(Talc)、長碳鏈為主要成分的羧酸鈣鹽(cav102，科萊恩成核劑)等有助於聚乳酸結晶之材料。該抑菌劑可為珊瑚粉，添加比例介於1～10wt%，較佳為5wt%±1，其除可抑制細菌生成之外，也可對於材料剛性有所提昇。該滑劑可為食用蠟、油脂等，例如米糠油等，協助混練混合的加工性。該抗壓改質劑可以是丁二醇、碳酸酯、聚對苯二甲酸乙二酯(Polyethylene terephthalate)、乙烯基樹脂(Vinyl ester resin)、乙烯醇、聚對苯二甲酸丁二酯(Polybutylene terephthalate)、甘油酯等。該分解促進材料可為蛋白質。

該植物纖維、該聚乳酸原料、該補充材料共同熔融混練，熔融混練係可利用一多段料管混練設備熔融混練，其較佳可於先將聚乳酸原料加入該多段料管混練設備熔融混練設備之一前段施以機械力與溫度將聚乳酸融熔軟化，再於該多段料管混練設備之一中段開口添加補充材料、植物纖維於該聚乳酸中一同熔融混練。

STEP 2 ：以一種以上與該第一剪切參數不同之第二剪切參數混練該預先混合物，產生一完成混合物。相較於預先混合物，該完成混合物使該植物纖維與該聚乳酸及補充材料均勻混合，且該植物纖維、該聚乳酸產生一預排列。

該第一剪切參數與一種以上的該第二剪切參數之差異可以包含該多段料管混練設備之混練單元轉速、混練單元對材料提供的剪切力、混練單元長度、混練單元之溫度。較佳地，一種以上的該第二剪切參數為具有相對較大的剪切力；較佳地，一種以上的該第二剪切參數為材料提供的具有相對較大的轉速；較佳地，一種以上的該第二剪切參數為具有相對較大的料管長度。較佳地，該第一剪切參數與一種以上的第二剪切參數係為分布於該多段料管混練設備的不同加工段落。

STEP 3 ：將該完成混合物造粒形成一母料。此步驟係將完成混合物自混練機擠出降溫並形成該母料，該母料可裁切為顆粒狀，便於後續加工需求。

STEP 4 ：將該母料加工成型，產生聚乳酸複合材料製品：係將母料以機械力配合溫度控制形成流動狀態後，輸出至一產出單元，使流動狀態的該母料於該產出單元內射保持一成型外觀於一成型時間，其中該成型時間短於30秒。

依據不同的製品，可選擇不同樣態的該產出單元，使該母料最終得於該成型時間內保持該成型外觀後降溫固定為該成型外觀。舉例而言，該成型外觀可為塑膠射出的模具構造，而該成型時間為該母料注入該模具內之持溫時間，使該母料配合產生該成型外觀的聚乳酸複合材料製品，該成型外觀可為餐具外觀如吸管、一次性使用餐具（刀、叉、匙）、花盆等，或又例如該聚乳酸複合材料製品為筷子或吸管時，該成型外觀可為押出模頭，利用調整該模頭之長度得使該母料於模頭內成型結晶，產生具有高強度與耐溫的筷子、吸管。

《實施例 1 》

取聚乳酸原料60wt%、植物纖維10％(稻榖粉)、補充材料30％先以第一剪切參數混練後，再以剪切力相對較高之第二剪切參數混練，使該植物纖維於該聚乳酸內形成預排列狀態，之後造粒形成母料與加工成型步驟。

《實施例 2 》

取聚乳酸50wt%、植物纖維20％、補充材料30％先以第一剪切參數混練後，再以剪切速度相對較高之第二剪切參數混練，使該植物纖維於該聚乳酸內形成預排列狀態，之後造粒形成母料與加工成型步驟。

《實施例 3 》

取聚乳酸55wt%、植物纖維15％、補充材料30％先以第一剪切參數混練後，再以混練長度相對較高之第二剪切參數混練，使該植物纖維於該聚乳酸內形成預排列狀態，之後造粒形成母料與加工成型步驟。

《 實施例 4 》

製造一次性刀叉匙時，可包含下列成分與條件：

A. 聚乳酸原料50wt%

B. 植物纖維20wt%

C. 補充材料30wt%。該補充材料至少包含抗壓改質劑10wt%、滑劑3～5wt%、滑石粉7～10wt%、cav102 1～5wt%等。

前述配方依據本發明提供的製造步驟完成母料之後，以射出設備配合模具，完成成品製造。其中，射出製程條件可為一出口料管溫度介於180～220^o C，射出模具之模內溫度維持於45～70^oC 並維持20～30秒，即可取出具有耐溫效果的成品。

《 實施例 5 》

製造一次性產品，例如吸管等需要快速分解的產品時，可包含下列成分與條件：

A. 聚乳酸原料60wt%

B. 植物纖維20～30wt%

C. 補充材料10～20wt%。該補充材料至少包含蛋白質0.3～0.5wt%、甘油酯3～6wt%、蠟3～5wt%、米糠油0.2～0.4wt%以及防水劑1~5wt%。

《實施例 6 》

製造一次性產品，例如筷子時，可包含下列成分與條件：

A. 聚乳酸原料50～60wt%

B. 植物纖維10～20wt%

C. 補充材料10～20wt%。該補充材料至少包含蠟3～5wt%、珊瑚粉4～6wt%、滑石粉5～10wt%、抗壓改質劑2～4wt%、架橋劑2～5wt%以及防水劑1~5wt%等。

進一步地，該聚乳酸複合材料製品可於使用之後回收，於洗滌去除表面髒污之後，裁切成段，形成燃料或火種。

藉由上述說明可知，本發明具有以下優點：

1. 成型時間短，可產出耐溫性佳之成品：現有如要產生耐熱溫度大於100^oC 之產品，則必須於成型時，於模具內維持成型時間約80秒，才得以使聚乳酸完成結晶，而可提昇其耐溫性。然而，本發明前述方法可以透過多段剪切參數之控制，讓材料於料管內產生預排列，大幅降低於射出成型時模內持溫時間，進而縮短成型時間為30秒內，有效解決現有技術成型時間過長導致成本上升的技術問題。

2. 成型時間短，大幅改善傳統製造方法只能用射出方式完成製品的技術問題；縮短的製造時間可以利用押出等方式製造不同的製品，進一步克服塑膠射出連續產出能力不佳的問題。

圖1為本發明製造方法一較佳實施例流程圖。

Claims

一種環保高分子產品之製造方法，其步驟包含：以第一剪切參數混練一聚乳酸原料、一植物纖維以及一補充材料，產生一預先混合物；以一種以上與該第一剪切參數不同之第二剪切參數混練該預先混合物，產生一完成混合物，該完成混合物中該植物纖維、該聚乳酸及補充材料於完成混合後，該植物纖維於該聚乳酸形成預排列，其中，該第二剪切參數為剪切力、混練單元長度或混練單元溫度大於該第一剪切參數；將該完成混合物造粒形成一母料；以及將該母料以機械力配合加溫形成流動狀態後射出至一模具內，並於模具內保持一成型時間並成型，該成型時間為30秒內。
如申請專利範圍第1所述的環保高分子產品之製造方法，其中：該聚乳酸原料含量介於40~70wt%；該植物纖維含量介於10wt%~30wt%；以及該補充材料含量介於10~35wt%。
如申請專利範圍第2項的環保高分子產品之製造方法，其中：該植物纖維長度介於0.01mm~3mm，包含稻榖粉、椰子殼粉、咖啡渣、稻殼粉、柳樹粉、竹子粉、木粉、竹碳粉、抹搽粉、火龍果粉、石榴粉、綠藻粉或葉菜類粉；以及該補充材料包含一晶核劑0.5~6wt%、一防水劑0.5~5wt%、一抑菌劑1~10wt%、一架橋劑0.1~5wt%、一滑劑、一抗壓改質劑、一分解促進材料0.1~2wt%或前述材料之組合。
如申請專利範圍第3項的環保高分子產品之製造方法，其中：該晶核劑包含滑石粉、長碳鏈為主要成分的羧酸鈣鹽；該抑菌劑包含珊瑚粉；該滑劑包含食用蠟或油脂；該抗壓改質劑包含丁二醇、碳酸酯、聚對苯二甲酸乙二酯、乙烯基樹脂、乙烯醇、聚對苯二甲酸丁二酯或甘油酯；以及該分解促進材料包含蛋白質。
如申請專利範圍第1所述的環保高分子產品之製造方法，該母料成型為一次性餐具。
如申請專利範圍第5項的環保高分子產品之製造方法，該一次性餐具為一餐刀、叉子、湯匙或吸管。
一種環保高分子產品之衍生物，其係為申請專利範圍第1~6項任一項之環保高分子製品於裁切成段後之燃料。