CN101412288A - 耐热性聚乳酸树脂成型品的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种耐热性聚乳酸树脂成型品的制造方法，包括下列步骤：将一含有聚乳酸原料与成核剂组份的混合物以一预定的成型方法成型为一个初成型品后，使该初成型品快速冷却，再将该初成型品直接浸置于一预定温度的液体中进行再加热，以形成一个二次成型品，加热完成后，将该二次成型品冷却到聚乳酸原料的玻璃转移温度以下并取出，以获得该耐热性聚乳酸树脂成型品。藉由浸置液体加热的后热处理程序，使该初成型品能快速地再结晶以形成具有较高耐热性的稳定结构，并能减少该初成型品停留于成型机与冷却机构的时间，进而能提升制程效率与减少生产成本。

Description

耐热性聚乳酸树脂成型品的制造方法

技术领域

本发明涉及一种聚乳酸树脂成型品的制造方法，特别是涉及一种耐热性聚乳酸树脂成型品的制造方法。

背景技术

以石油为原料的高分子聚合物材料虽广泛被制成日常生活用品，但此类高分子聚合物，例如，聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯等，使用后很难再回收利用，且由于其结构稳定，不易在自然环境中被分解，对环境造成极大的冲击，因此对于高分子聚合物的回收机制与可分解高分子聚合物的研究也越来越重要。

其中，聚乳酸(polylactic acid，简称为PLA，亦称为聚丙交酯)是目前研究应用相对较多的一种降解材料，它是以淀粉发酵或化学合成得到的乳酸为基本原料制备得到的一种较不会危害到环境的材料，除了具有生物可分解的特性外，聚乳酸还具有良好的机械特性、加工方便，及容易取得材料来源等优点。因此，其应用十分广泛，经过加工后可制成各种民生与卫生医疗用品，例如，快餐饭盒、无纺布、保健织物、地垫、免拆型手术缝合线等。

但一般聚乳酸树脂产品，由于聚乳酸的软化点(glass transition，亦称为玻璃转移温度)约为60℃，所制成的产品以货车运输时，由于货舱为密闭空间，白天受热后温度易持续上升高达50℃以上，导致置于货舱中的产品会因不耐热而产生软化变形的情形；或者，当该聚乳酸树脂产品在使用时必须与高温物品相接触，例如，以聚乳酸餐盒盛接饭菜时，刚煮好的饭菜温度多高于50℃以上，与该餐盒接触时也容易导致餐盒变形而不耐使用，导致现有聚乳酸树脂产品具有不利于长途运输储藏与使用范围较有限的缺点。

为了改善上述缺点，会在聚乳酸原料中再加入成核剂(nucleic agent)以增加聚合物的结晶度，及提高该聚乳酸树脂产品的热变形温度，通常添加有成核剂的聚乳酸树脂产品，其热变形温度可提高至70℃～150℃，参阅图1，为现有制造聚乳酸树脂成型品的制造方法，包括下列步骤：

步骤101为制得一个初成型品，是将一含有聚乳酸原料与成核剂的混合物搅拌均匀后，配合一个适当的模具并采用一预定的成型方式成型为该初成型品。

步骤102为冷却与制得一个最终成型品，制得该初成型品后，将其移送到一冷却装置，并控制其降温速度，使该初成型品于一定时间内形成均匀且大量的结晶，直到该初成型品的温度降至聚乳酸的玻璃转移点温度以下(通常是降温至50℃以下)为止，则可制得该最终成型品，再将冷却完成的最终成型品取出。

虽然在聚乳酸原料中添加成核剂的制程，可制出具有较高热变形温度且耐热性较佳的聚乳酸树脂成型品，但实际仍存有下列缺失：

一、当该混合物成型为该初成型品后，必须让该初成型品缓慢冷却，否则会造成结晶不佳而影响最终成型品的机械强度，由于该初成型品必须留在该冷却装置内，以控制降温速度的方式使其温度缓慢降低，才能使聚乳酸形成完美结晶，导致制程所需时间相对冗长，进而使该现有的制造方法相对具有制程效率较差的缺点。

二、由于该初成型品在该冷却装置中必须缓慢且稳定地降温以形成该最终成型品后才能取出，除了制程效率与产品产量会受限外，所花费的时间成本也较高，考量到制程的效率、时间与产量，使所制得的耐热性聚乳酸树脂成型品的成本与售价相对增加，而较不利于推广使用。

发明内容

本发明的目的是在提供一种制程效率较高，且仍能维持所制出成型品的耐热性与机械强度的耐热性聚乳酸树脂成型品的制造方法。

于是，本发明耐热性聚乳酸树脂成型品的制造方法包括下列步骤：

一、初步成型，是将一包括有聚乳酸原料与成核剂组份的混合物搅拌均匀后，以一预定的成型方法成型为一个初成型品；

二、冷却，使该初成型品快速冷却至一预定温度以下；

三、后热处理，将该初成型品直接浸置于温度范围在65℃～150℃内的液体中一段预定时间进行再加热，以形成一个二次成型品；及

四、冷却，使该二次成型品冷却到聚乳酸原料的玻璃转移温度以下，以获得该耐热性聚乳酸树脂成型品。

本发明的有益效果在于：即使该初成型品被快速降温而产生结晶度不足的情形，仍能透过步骤(三)直接浸置于液体中再加热的后热处理程序，使该初成型品能较快速地受热，并藉由再结晶程序形成结晶度较高的稳定结构，此外，由于该初成型品可利用较快速的降温方式定型，再移到其它装置进行后热处理程序，使步骤(一)能以较快速的高效率方式产出该初成型品，使本发明的制造方法能透过步骤(二)的快速冷却处理，及步骤(三)的直接在液体中受热的后热处理程序有效提升整体制程效率，且仍然能使该耐热性聚乳酸树脂成型品维持较佳的耐热性与机械强度。

附图说明

图1是一说明现有的一耐热性聚乳酸树脂成型品的制造方法的流程图；

图2是一说明本发明耐热性聚乳酸树脂成型品的制造方法一第一较佳实施例的流程图；

图3是一说明本发明耐热性聚乳酸树脂成型品的制造方法一第二较佳实施例的流程图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行详细说明：

参阅图2，为本发明耐热性聚乳酸树脂成型品的制造方法一第一较佳实施例，包括下列步骤：

步骤201为初步成型，是将一包括有聚乳酸原料与成核剂组份的混合物搅拌均匀后，以一预定的成型方法并配合一预定的成型机与一成型模具一体成型为一个初成型品。

其中，该成核剂可依制程设计与产品规格选用有机成核剂或无机成核剂，该无机成核剂是一选自于下列群组中的物质：粘土(clay)、云母(mica)、硅酸盐类、碳酸钙(CaCO3)、二氧化硅(silica)、滑石(talc)，以及它们的组合。且该成核剂组份还经过微粒化或纳米化为小粒径的粉粒型式以利于提升其与聚乳酸的成核效率。

此外，该成型方法可以为一选自下列群组中的方法：射出成型法、押出成型法、吹塑成型法，及热成型法。且该热成型法是采用一选自下列群组中的方法：真空成型、热压成型，以及其等的组合。进一步地，该成型机与该成型模具可配合所用的成型方法与所要制出的成型品选用适当的类型，前述成型方法及可相搭配使用的成型机与模具是属于业界周知的技术，故在此不再详述。

例如，当采用射出成型方式时，该混合物可射出形成板材型式的初成型品，也可以配合射出成型模具的设计，使该初成型品成型为具有立体结构变化的初成型品。

当进行押出成型时，该混合物可通过该成型模具成型为一个呈薄片型式的初成型品，也可配合设计为特定形状的成型模具进行异型押出，或圆管状押出，以挤压成型为一个呈预定截面形状的初成型品，例如，该混合物可配合该押出成型模具被挤压为一个呈中空薄板型式的初成型品，或配合另一种设计型式的成型模具被挤压为一个具有T形截面的初成型品。

该吹塑成型则是将熔融的聚合物混合物挤压成空心管状的瓶坯，并使该瓶坯受一组可相对应组合的模具包围，再吹气使瓶坯膨胀而抵着模具内壁，待塑料冷却定型后，打开模具，就能成型出呈瓶状的初成型品。

该热成型法一般的作法则是先将该混合物初步成型为一片材，再将该片材夹在一框架上加热到软化状态，在外力作用下，使其紧贴模具的型面，以形成与该型面相对应的形状，待塑料冷却后，就能成型出预定形状的初成型品。由于热成型相较于注射成型，有生产效率高、投资设备少，及能制造表面积较大的制品的优点，在市场上，热成型制品有逐渐增多的趋势，例如，杯、碟、食品盘、汽车元件、帽盔，及建筑装饰件等皆可由热成型法制得。

步骤202为冷却，是藉由一第一冷却装置使该初成型品快速冷却至一预定温度以下，再将该初成型品自该模具中取出。

其中，该第一冷却装置可采用水冷、气冷或冷媒冷却等方式使该初成型品降温，一般是降温到50℃以下，但所使用的降温方式不应受到限制，其主要目的是藉由使该初成型品快速降温，而能及早将该初成型品取出并移到下一个处理程序，使该成型机构能被有效利用并维持在高效率的产出状态，避免整体制造速度受到拖延，进而能大幅提升该成型机与该模具的利用效率。

步骤203为后热处理，是将该初成型品直接浸置于温度范围在65℃～150℃内的液体中一段预定时间进行再加热，以形成一个二次成型品。其中，该初成型品直接透过液体加热的方式可以采用水浴加热法或油浴加热法。

当使用水浴加热时，较佳是使该初成型品于温度65℃～100℃的范围内被加热30秒～20分钟，以形成该二次成型品。使用油浴加热时，较佳则是使该初成型品于温度65℃～150℃的范围内被加热15秒～20分钟，以形成该二次成型品，且进行油浴加热时，所用的液体较佳是使用甘油或硅油。

利用水浴与油浴加热是以液体为介质加热该初成型品，由于液体可完全围绕包覆住该初成型品，使该初成型品可均匀地受热，由于液体的导热效率佳，所以藉由水浴加热或油浴加热能够以较低的加热温度与较短的加热时间达到引发再结晶的效果，此外，由于油浴加热的介质为甘油或硅油，其沸点较高且比热较大，因此还可再进一步增加加热温度、扩大加热温度范围及减少加热时间，进而能提升再加热效率。实际制造生产时，仍可依需求选用水浴加热或油浴加热。

因此，藉由对该初成型品进行再加热作为一种后热处理，使该初成型品虽然可能因为在步骤202中进行快速降温而发生结晶度不足的情形，仍能透过再加热处理而产生再结晶程序，进而形成结晶度较高的稳定结构，使最终产品的耐热性与机械强度不致受影响。

步骤204为冷却，是使该二次成型品冷却到聚乳酸原料的玻璃转移温度以下，以获得该耐热性聚乳酸树脂成型品。在该较佳实施例中，配合聚乳酸的玻璃转移温度约为60℃左右，较佳是使该二次成型品冷却到60℃以下，更佳则是使该二次成型品冷却到50℃以下。

值得说明的是，在步骤204中，该二次成型品的冷却方式也可以选用水冷、气冷或冷媒冷却来达到降温的效果，或者也可以静置使其自然冷却，最终都能获得结晶度较高且耐热性佳的聚乳酸树脂射出成型品，由于在步骤203的再加热处理中，已足以使该半成品通过再结晶程序形成结晶度较高、结构稳定的成型品，所以步骤204的冷却处理，不见得要如传统的方式一般，必须控制冷却速度使该成型品冷却到预定温度以下，但在该第一较佳实施例中，即使是采用缓慢的自然冷却方式，由于该半成品已移出该模具与该成型机，因此并不会有占用模具与成型机而影响到步骤201与步骤202的制程顺畅度与速度的问题，仍可藉此提高产品的生产效率，进而降低生产成本。

此外，当在步骤203是采用水浴加热进行再加热时，则可透过气冷或风冷等吹气冷却，或在干燥环境下静置待其自然冷却等方式，同时达到冷却与干燥的效果。

当在步骤203是采用油浴加热法进行再加热时，则较佳是在步骤203后先进行清洁，并以预定的清洁方式清洁附着于该耐热性聚乳酸树脂成品上的残留物，接着，再于步骤204进行冷却与干燥。

参阅图3，为本发明耐热性聚乳酸树脂成型品的制造方法一第二较佳实施例，该第二较佳实施例与该第一较佳实施例的主要差别是在该初步成型步骤中，在该混合物中还添加有发泡剂而较适于进行发泡成型法，该第二较佳实施例包括有下列步骤：

步骤301为初步成型，是将一包含有聚乳酸原料、成核剂组份与发泡剂的混合物搅拌均匀后，再采用发泡成型法成型出一个初成型品，此发泡成型法可为射出发泡或连续押出发泡，其成型品可为已具有预定形状的初成型品，或先制成呈板材型式的半成品，此板材型式的半成品能够再进一步藉由热成型法制成具有预定外形的初成型品。其中，该发泡剂可使用物理发泡剂或化学发泡剂。

其中，该物理发泡剂是选用一选自下列群组中的物质：丁烷(butane)、戊烷(pentane)、二氧化碳(carbon dioxide，CO2)，以及氮气(nitrogen，N2)。及该化学发泡剂则是选用一选自下列群组中的物质：碳酸氢钠(sodium bicarbonate，NaHCO3，俗称小苏打)，以及碳酸氢铵(ammonium hydrogencarbonate，NH4HCO3)。

步骤302为冷却，使该初成型品快速冷却至一预定温度以下。

步骤303为后热处理，是将该初成型品直接浸置于温度范围在65℃～150℃内的液体中一段预定时间进行再加热，以形成一个二次成型品。

步骤304为冷却，使该二次成型品冷却到聚乳酸原料的玻璃转移温度以下，以获得该耐热性聚乳酸树脂成型品。

在该第二较佳实施例，除了步骤301因添加有发泡剂而采用发泡成型法制得该初成型品外，其余步骤302、303、304的制程条件与内容，例如冷却方式、加热装置、冷却温度等皆与该第一较佳实施例的步骤202～204相同，故在此不再赘述。

经由以上的说明能够得知，本发明耐热性聚乳酸树脂成型品的制造方法能够获致下述的功效及优点，故确实能达到本发明的目的：

一、当该混合物被成型为该初成型品后，由于该初成型品可再藉由后热处理程序形成结晶度较高的结构，因此能够先以快速冷却的方式，让该初成型品降温到聚乳酸的软化点温度以下，就能将该初成型品移到下一个处理程序，使该成型机与押出模具仍能维持高效率的产出，进而能够大幅减少制程时间，使本发明的制造方法相对具有制程效率较高、可提高单位时间的产品产量，进而能降低生产成本的优点。

二、透过再加热处理，使该初成型品在初步成型时由于快速冷却所造成的结晶度不足问题可确实获得改善，并再形成结晶度较高与结构较稳定的二次成型品，且经冷却后，使最终制得的聚乳酸树脂成型品具有可耐高温(约70℃～150℃)的特性，而能有效提升该聚乳酸树脂成型品的实用价值，且透过再加热的后热处理程序，可改善习知该初成型品停留于该冷却机构时间过长的缺点，因此，能够进一步减少时间成本与生产成本，使本发明制造方法所制得的耐热性聚乳酸树脂押出成型品不但具有稳定实用的耐热性与机械强度，且由于制造成本较低，使其售价较容易为使用者接受，而有利于相关产品的推广使用。

三、本发明该制造方法可搭配不同的成型方法使用，并都能通过再加热处理达到提升该成型品的耐热性与结构强度的效果，而具有可应用范围较广的特性。

四、本发明该制造方法藉由将该初成型品浸置于液体中进行再加热的方式，可使该初成型品均匀且较快速地受热，并可配合所用的液体种类，扩大加热温度范围与减少加热时间，同样具有能够改善制程效率的优点。

五、由于本发明该制造方法可将具有生物可分解特性的聚乳酸原料制成具有预定形状与功能的成型品，并能透过后热处理程序再结晶而形成结晶度较高的稳定结构，使该成型品不但有可实用的价值，当废弃或无法使用时，也可以较容易地被生物分解并被自然环境吸收消化，而不会成为环保上的问题，使该制造方法具有有利于制造实用的环保制品的特性。

Claims (12)

1.一种耐热性聚乳酸树脂成型品的制造方法，其特征在于：该制造方法包括有下列步骤：

一、初步成型，是将一包含有聚乳酸原料与成核剂组份的混合物搅拌均匀后，以一预定的成型方法成型为一个初成型品；

二、冷却，使该初成型品快速冷却至一预定温度以下；

三、后热处理，将该初成型品直接浸置于温度范围在65℃～150℃内的液体中一段预定时间进行再加热，以形成一个二次成型品；

四、冷却，使该二次成型品冷却到聚乳酸原料的玻璃转移温度以下，以获得该耐热性聚乳酸树脂成型品。

2.如权利要求1所述的耐热性聚乳酸树脂成型品的制造方法，其特征在于：在步骤一中，是采用一选自下列群组中的成型方法成型出该初成型品：射出成型法、押出成型法、吹塑成型法、热成型法，以及发泡成型法。

3.如权利要求2所述的耐热性聚乳酸树脂成型品的制造方法，其特征在于：该热成型法是采用一选自下列群组中的方法：真空成型、热压成型，以及它们的组合。

4.如权利要求2所述的耐热性聚乳酸树脂成型品的制造方法，其特征在于：在步骤一中，是在包括有聚乳酸原料与成核剂组份的混合物中进一步加入一发泡剂，并采用发泡成型法成型出该初成型品，且该发泡剂可使用物理发泡剂或化学发泡剂。

5.如权利要求4所述的耐热性聚乳酸树脂成型品的制造方法，其特征在于：在步骤一中，是加入物理发泡剂进行发泡成型，且该物理发泡剂是选用一选自下列群组中的物质：丁烷、戊烷、二氧化碳，以及氮气。

6.如权利要求4所述的耐热性聚乳酸树脂成型品的制造方法，其特征在于：在步骤一中，是加入化学发泡剂进行发泡成型，且该化学发泡剂是选用一选自下列群组中的物质：碳酸氢钠，以及碳酸氢铵。

7.如权利要求1所述的耐热性聚乳酸树脂成型品的制造方法，其特征在于：在步骤三中，是采用水浴加热的方式进行再加热，并使该初成型品于温度65℃～100℃的范围内被加热30秒～20分钟，以形成该二次成型品。

8.如权利要求1所述的耐热性聚乳酸树脂成型品的制造方法，其特征在于：在步骤三中，是采用油浴加热的方式进行再加热，并使该初成型品于温度65℃～150℃的范围内被加热15秒～20分钟，以形成该二次成型品。

9.如权利要求8所述的耐热性聚乳酸树脂成型品的制造方法，其特征在于：进行油浴加热所用的液体可为甘油或硅油。

10.如权利要求9所述的耐热性聚乳酸树脂成型品的制造方法，其特征在于：还包括一在步骤三以后的步骤三-1，且步骤三-1为清洁，是以预定的清洁方式清洁附着于该耐热性聚乳酸树脂成品上的残留物。

11.如权利要求1至权利要求10中任一项所述的耐热性聚乳酸树脂成型品的制造方法，其特征在于：在步骤一中，该成核剂组份是选用无机成核剂，并经微粒化或纳米化以制成小粒径的型式，且该无机成核剂是一选自于下列群组中的物质：粘土、云母、硅酸盐类、碳酸钙、二氧化硅、滑石，以及它们的组合。

12.如权利要求11所述的耐热性聚乳酸树脂成型品的制造方法，其特征在于：在步骤四中，该二次成型品是被冷却到50℃以下。

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