TW201731940A

TW201731940A - 低發泡倍率生質複合發泡板材及其製造方法

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Publication number: TW201731940A
Application number: TW105107858A
Authority: TW
Inventors: 楊華鴻; 林建誠; 王惠琦
Original assignee: 鴻明環保科技股份有限公司
Priority date: 2016-03-15
Filing date: 2016-03-15
Publication date: 2017-09-16
Also published as: TWI606089B

Abstract

一種低發泡倍率之生質複合發泡板材及其製造方法，其包含將一熱塑性澱粉材料、一聚丙烯及一增黏劑混練造粒後得一生質聚丙烯複合材料，將該生質聚丙烯複合材料放置於溫度20～140oC、濕度介於60~100%以及壓力介於1~5atm之環境中1~10分鐘，使該生質聚丙烯複合材料之含水率達0.5%～10%，之後將其投入押出機中，藉由其內含水發泡製成一發生質複合泡板材，若再將其吸塑成型，可得到發泡倍率為1-2倍之低發泡倍率生質複合發泡容器。

Description

低發泡倍率生質複合發泡板材及其製造方法

一種發泡材料，特別是一種低發泡倍率生質複合發泡板材及其製造方法。

聚丙烯(Polypropylene, PP)是目前兼具環保及實用性的泛用塑膠，其較聚乙烯(Polyethylene, PE)有較高的耐熱性，又較聚苯乙烯(Polystyrene, PS)有較佳的化學穩定性，符合一般冷熱食品使用需求，因此在食品接觸相關產品的使用量上，聚丙烯塑料正迅速的增長中。近年來環保意識興起，因此，聚丙烯材料中的聚丙烯發泡材料與生物基聚丙烯複合材料相當熱門。聚丙烯發泡產品因具有質輕及隔熱的特性，也符合環保減量概念，其發展相當受到重視。聚丙烯發泡材料以發泡倍率來分，可分為高發泡倍率(4倍以上)及低發泡倍率(4倍以下)，目前市場以高發泡倍率為主，而其中主流的連續生產製程是以高熔體強度聚丙烯(HMS-PP)經由丙烷與丁烷發泡製成發泡板，但因高熔體強度聚丙烯(HMS-PP)目前產量低，價格高，且使用之發泡設備價格高昂特殊，因此較難快速導入市場。另外，由於高發泡倍率之產品需要有一定厚度才具足夠強度，所製得的發泡器皿體積龐大，不利於堆疊儲存擺放。

生物基聚丙烯複合材料，雖可減少泛用塑膠的使用量，減少碳排放，但輕量化及隔熱效果有限，因此進一步的開發生物基聚丙烯複合發泡材料是一個新的課題。生物基聚丙烯複合發泡材料中含有澱粉或纖維之生物質，若生物質含水份過高，表示生物質較親水，易與聚丙烯產生相分離，造成物性大幅降低，另外，若材料乾燥度不足，雖會有小量微發泡現象產生，但微發泡的泡體大小不一且分布不均的問題，無法規格化生產。

因此生物基聚丙烯複合發泡材料目前在水發泡的應用領域上，皆用在對於物性及孔徑要求不高的發泡塑膠粒上，主要用於包裝運輸的防撞、防震材，較無法適用於對物性及孔徑要求較高的連續壓出製程之板材上。另外，一般生物基聚丙烯複合發泡材料的熔融強度不足，易於出模頭後經壓輪整平時破泡，亦無法有效的生產規格化產品。

請參考圖1，其為既有生物基聚丙烯複合發泡材料的SEM圖，由圖1可看出既有內含澱粉或纖維材料的生物基聚丙烯複合材料發泡後，僅限表面接觸空氣的部份較容易發泡，不易控制發泡程度。

為了解決上述以高熔張聚丙烯所製成的發泡塑膠或生物基發泡塑膠材料成本較高、發泡後體積龐大不利架儲、不易控制發泡程度、易破泡等種種缺點，本發明提出一種低發泡倍率生質複合發泡板材的製造方法，其包含將一熱塑性澱粉材料、一聚丙烯及一增黏劑混練造粒後得一生質聚丙烯複合材料，將該生質聚丙烯複合材料放置於溫度20～140^oC 、濕度介於60~100%以及壓力介於1~5atm之環境中1~10分鐘，使該生質聚丙烯複合材料之含水率達0.5%～10%，再壓製成一發泡板基材並吸塑成形得發泡倍率為2倍之低發泡倍率生質複合發泡板材。

其中，該熱塑性澱粉材料、該聚丙烯及該增黏劑利用一雙螺桿混練機進行混練，該雙螺桿混練機包含有一餵料段、一熔融混練段、一冷卻減壓段及一模頭，其中，該餵料段的溫度控制於145^o C～160^o C；該熔融混練段的溫度控制於170^o C～200^o C；該冷卻減壓段的溫度控制於30^o C～150^o C；該冷卻減壓段佔該單螺桿混練機全長三分之一至二分之一，並利用漸進式減壓與降溫；及該模頭的溫度較佳控制於150^o C～160^o C。

其中，利用一單層或多層押板設備將該生質聚丙烯複合材料壓製成片狀或板狀之該發泡板基材，再將該發泡板基材利用真空吸塑於一模具表面，並密接於該模具上固化成形。

本發明進一步提供一種，其包含將均勻混練的一熱塑性澱粉材料10～70％、一聚丙烯25～80％及一增黏劑5~10%，其中，該發泡板材的發泡倍率為未發泡時的2倍，發展密度為0.5～1g/cm3，發泡孔徑為5µm～20µm；以及該發泡板材發泡區域位於該發泡板材表層。

其中，該熱塑性澱粉材料為將一改質澱粉與該聚丙烯接枝共聚而得，該熱塑性澱粉母粒中澱粉的質量含量介於70~90 %；以及該增黏劑為交聯劑類助劑，包含酸酐類單體、壓克力系單體或前述二者之寡聚物，該聚丙烯之熔融指數為0.1~10 g/10min。

其中，將一澱粉鍵結支鏈打斷，於支鏈上接一官能基團得該改質澱粉，該官能基團為一酯類官能基。

由上述內容可知，本發明具有以下優點：

1.一般生物基聚丙烯複合材料熔融強度不足，易於混練模頭擠出時造成破泡，本發明挑選聚丙烯接枝共聚後之熱塑性澱粉母粒材料，其具有較長且較複雜的支鏈結構，使得後續與聚丙烯進行發泡時，其發泡泡體有足夠的支撐力可包覆住氣體，強度足以負荷螺桿之模頭擠壓壓力而不破泡。

2.本發明將混練後的生質聚丙烯複合材料置放於溫度、濕度及壓力可調控之容器或桶槽中，使含水率達到0.5%～10%之間，後續發泡後的發泡板材具有較低的發泡倍率，厚度較薄，較不佔空間，且依然保有良好結構強度與隔熱效能。

3.本發明透過聚丙烯以及生質材料改質之生質聚丙烯複合材料，達到降低既有高融張聚丙烯成本過高的問題，搭配塑料含水率的調控，使生質聚丙烯材料中澱粉的含水率趨於平均，使發泡孔隙大小一致，增加發泡品質與低發泡倍率的目的，並符合連續押出製程並應用水發泡，以便生產規格化產品。

4.本發明使用之熱塑性澱粉母粒材料是與聚丙烯接枝共聚而得，故與聚丙烯具有較好的相容性，並同時具有聚丙烯耐熱及不易釋放有毒物質的優點，且利用熱塑性澱粉母粒材料及聚丙烯共混發泡，可減少泛用塑膠的使用量，並可減少回收時排碳量。

請參考圖1，一種低發泡倍率生質複合發泡板材的製造方法一較佳實施例係將一熱塑性澱粉母粒材料 (Thermoplastic starch, TPS)、一聚丙烯(Polypropylene, PP)及增黏劑或架橋劑以雙螺桿機高溫混練造粒後得高澱粉含量之一生質聚丙烯複合材料，將該生質聚丙烯複合材料置於溫度、溼度及壓力可調控的容器中一段時間，使該生質聚丙烯複合材料之含水率達0.1％～5％質量百分比後，送入一押出機壓製並發泡得該低發泡倍率生質複合發泡板材。

上述該熱塑性澱粉母粒材料與該聚丙烯及該增黏劑混合質量比例為該熱塑性澱粉材料10～70％，該聚丙烯25～80％，該增黏劑或架橋劑5~10%，該熱塑性澱粉母粒包含一改質澱粉及聚丙烯，其中澱粉的質量含量介於70~90%，該聚丙烯之熔融指數(Melt Flow Indox)介於0.1~10 g/10min。

該熱塑性澱粉母粒係利用改質澱粉與聚丙烯共同接枝共聚而得，故與聚丙烯有較好的相容性，並同時具有聚丙烯耐熱及不易釋放有毒物質的優點，且因接枝共聚後熱塑性澱粉材料具有較長且較複雜的支鏈結構，使得其與聚丙烯混練發泡時能包覆氣體並支撐發泡泡體不易消失破泡。其中，該改質澱粉是將一般澱粉(Starch)的鍵結支鏈打斷，於支鏈上接一官能基團得該改質澱粉，該官能基團包含一酯類官能基。該增黏劑為交聯劑類、架橋劑類助劑，包含酸酐類單體、壓克力系單體或前述二者之寡聚物。

本發明較佳實施例之該熱塑性澱粉母粒材料、該聚丙烯及該增黏劑混練的雙螺桿包含有一進料段、一熔融混練段、一排氣段及一增壓段，該進料段的溫度較佳控制於150^o C～160^o C，進入該熔融混練段時溫度較佳控制於160^o C～180^o C，之後進入該排氣段，該排氣段的溫度較佳控制於160^o C～180^o C，之後進入增壓段，該增壓段溫度控制於170^o C～190^o C。此混練過程中未發泡，只是單純將該熱塑性澱粉母粒與該聚丙烯及該增黏劑利用雙螺桿分散及反應，製得熔融強度較佳之該生質聚丙烯複合材料。

將該生質聚丙烯複合材料置於該容器中的目的是為使生質聚丙烯材料中澱粉的含水率趨於平均，如此可使發泡孔隙大小相近，增加成品的發泡品質，且調控其含水率可控制其發泡率，達到低發泡倍率的目的。前述將該生質聚丙烯複合材料放置於該容器中之參數為溫度介於20~140^o C，濕度介於60~100%，壓力介於1~5atm，放置時間為1~10分鐘，控制該生質聚丙烯複合材料進入該押出機前的含水率較佳介於0.1％～5％質量百分比，達到低發泡倍率之生質聚丙烯複合材料。

本發明較佳實施例之該生質聚丙烯複合材料之壓製步驟所使用的押出機包含一餵料段、一熔融混練段、一冷卻減壓段及一模頭，該餵料段的溫度較佳控制於145^o C～160^o C，進入該熔融混練段時溫度較佳控制於170^o C～200^o C後進入該冷卻減壓段，該冷卻減壓段的溫度較佳控制於160^o C～180^o C，其中該冷卻減壓段較佳佔該單螺桿混練機全長三分之一至二分之一，並利用漸進式減壓與降溫；混練完成後自該模頭擠出並發泡得該低發泡倍率生質複合發泡板材，該模頭的溫度多段可控模頭，溫度漸進式的降低，溫度在150^o C～170^o C。

該生質聚丙烯複合材料壓製成發泡板基材為利用一單層或多層押出機設備，將該生質聚丙烯複合材料壓製成片狀或板狀之發泡板基材，後續加工可再將該發泡板基材利用真空吸塑成形，製成低發泡倍率生質複合發泡相關產品，如食品用的餐具、杯子或瓶子等。其中，利用真空吸塑成形時需控制材料熱軟化的溫度與時間，例如以熱軟化溫度100^o C～160^o C，使該發泡板基材真空吸附於一模具表面，並密接於該模具上固化成形，製成低發泡倍率生質複合發泡產品。

一般聚丙烯(Polypropylene, PP)發泡材料具有4倍以上之較高發泡倍率，其發展密度在0.1g/cm3以下，結構強度容易不足，所得之發泡材料厚度較厚，倉儲時堆疊起來需要較大空間，且發泡程度不均，僅表層區域發泡，影響產品品質；請參考圖3，利用本發明較佳實施例之製造方法所製得的低發泡倍率生質複合發泡板材，其放置於該容器中之參數為濕度60％、壓力1atm及放置時間為3分鐘，由圖3可看出，該低發泡倍率生質複合發泡板材具有小於2倍之低發泡倍率，發展密度為0.5～1g/cm3，可較一般PP發泡板厚度薄，堆疊存放時較不佔空間，且發泡程度均一、發泡顆粒大小一致，可保有良好結構強度與隔熱效能，可耐熱100℃～130℃之溫度。

由上述內容可知，本發明具有以下優點：

3.本發明透過聚丙烯以及生質材料改質之生質聚丙烯複合材料，達到降低既有高融張聚丙烯成本過高的問題，搭配塑料含水率的調控，使生質聚丙烯材料中澱粉的含水率趨於平均，使發泡孔隙大小一致，增加發泡品質與低發泡倍率的目的。

圖1為既有生物基聚丙烯複合發泡材料的SEM圖。圖2為本發明較佳實施例之製造流程圖。圖3為本發明較佳實施例之電子顯微鏡結構示意圖。

Claims

一種低發泡倍率生質複合發泡板材的製造方法，其步驟包含：將一熱塑性澱粉材料、一聚丙烯及一增黏劑或一架橋劑混練後得一生質聚丙烯複合材料；將該生質聚丙烯複合材料放置於溫度20～140^oC 、濕度介於60~100%以及壓力介於1~5atm之環境中1~10分鐘，使該生質聚丙烯複合材料之含水率達0.5%～10%；以及壓製並發泡得發泡倍率為2倍之低發泡倍率生質複合發泡板材。
如申請專利範圍第1項低發泡倍率生質複合發泡板材的製造方法，該熱塑性澱粉材料、該聚丙烯及該增黏劑利用一雙螺桿混練機進行混練，該雙螺桿混練機包含有一餵料段、一熔融混練段、一冷卻減壓段及一模頭，其中，該餵料段的溫度控制於145^o C～160^o C；該熔融混練段的溫度控制於170^o C～200^o C；該冷卻減壓段的溫度控制於30^o C～150^o C；該冷卻減壓段佔該單螺桿混練機全長三分之一至二分之一，並利用漸進式減壓與降溫；及該模頭的溫度較佳控制於150^o C～160^o C。
如申請專利範圍第2項低發泡倍率生質複合發泡板材的製造方法，利用一單層或多層押出機將該生質聚丙烯複合材料壓製成片狀或板狀之該發泡板基材，再將該發泡板基材利用真空吸塑於一模具表面，並密接於該模具上固化成形。
一種低發泡倍率生質複合發泡板材，其為表層發泡之板體，其發泡孔徑為5µm～20µm，發展密度為0.5～1g/cm3，該低發泡倍率生質複合發泡板材之材質係包含均勻混練的一熱塑性澱粉材料、一聚丙烯及一增黏劑或架橋劑，其中該熱塑性澱粉材料、該聚丙烯及該增黏劑之質量比例範圍介於10～70：25～80：5～10。
如申請專利範圍第4項之低發泡倍率生質複合發泡板材，其中，該熱塑性澱粉材料為將一改質澱粉與該聚丙烯接枝共聚而得，該熱塑性澱粉母粒中澱粉的質量含量介於70~90 %；該增黏劑為交聯劑類助劑，包含酸酐類單體、壓克力系單體或前述二者之寡聚物；以及該聚丙烯之熔融指數為0.1~10 g/10min。
如申請專利範圍第5項之低發泡倍率生質複合發泡板材，將一澱粉鍵結支鏈打斷，於支鏈上接一官能基團得該改質澱粉，該官能基團為一酯類官能基。