适用于生物塑料加工的热流道技术

由生物质制成的可生物降解聚合物对于配制塑料化合物来说越来越重要，更何况它们还能实现可持续的材料设计。但是，它们的剪切敏感性给加工带来了困难，尤其是在涉及薄壁部件和细长型热流道的情况下。

以聚羟基链烷酸酯（PHA）为例，它通过碳水化合物和脂肪的微生物发酵获得。在特定条件下，它们可以在室温下轻松地被微生物降解。术语PHA涵盖了一组具有不同结构（图1）和广泛机械性能的聚合物。预计到2025年，这些生物聚酯的年产量将从目前的50,000吨增加到250,000吨。PHA的低二氧化碳排放量和出色的生物降解性使其成为了生物塑料的理想成分，可在不同应用中发挥其作为化石原料替代品的作用。

PHA化合物的加工

为了在此类材料的加工过程中生成经验值，Günther Heisskanaltechnik公司对Bio-Fed公司提供的牌号M•Vera GP1012（含天然纤维）和GP 1045进行了试验。两个产品都是家用可堆肥的PHA化合物，全部由耐高温（HDT>100°C）的可再生原料组成。它们还可用于食品接触。

M•Vera化合物可在具有通用螺杆配置的传统注塑机上进行加工。它们已成功应用于多个商业领域，例如：包装和餐具。但是，它们必须遵守一些特定的要求：PHA化合物需要适中的加工温度，熔体温度不得超过165°C。

图1：聚-(R)-3-羟基丁酸酯（P3HB）——一种聚羟基链烷酸酯的化学结构（来源：公开资料）

较低的加工温度会增加熔体粘度，进而增加流动阻力，因此与标准热塑性塑料相比，它们可能需要更高的注射压力。此外，避免高剪切力和长停留时间也很重要，因为它们会产生过热和聚合物降解的可能性，尤其对使用传统冷流道的薄壁应用而言。在模具设计过程中，应避免使用小直径喷嘴、流道和浇口，因为它们会阻碍熔体流动并增加剪切热。

图2：M•Vera GP1012在不同温度条件下的剪切与粘度的毛细管流变仪分析

（来源：Bio-Fed；图：© Hanser）

图3：带尖端的热流道喷嘴和BlueFlow加热元件（左）以及将喷嘴与模具嵌件进行金属连接的散热装置（右）

© Günther Heisskanaltechnik

流变仪分析（图2）反映了不同熔体温度对M•Vera GP1012粘度的影响。材料的粘度在140°C和150°C之间已经出现下降，表明与传统聚合物相比，其加工窗口更小。在冷却阶段，PHA在40°C的模具温度条件下结晶速度最快，因此温度控制对于高效的生产周期来说非常重要。机械性能不受模具温度的影响（表1）。

Bio-Fed和Günther Heisskanal-technik合作的主要目的是对新开发的PHA化合物在两种最先进的热流道系统中的流动特性和加工稳定性进行分析。其目标是扩大这些生物塑料的应用范围，尤其是在可用较短周期时间制造精密部件的领域。

辅助加工的特殊热流道喷嘴

经验表明，在加工生物材料时，应使用具有适当的温度特性的热流道系统来避免热损坏。为了确保这一温度特性，热流道系统应根据热原理和流变原理进行设计。

热流道中必要的温度特性受温控模具和加热的热流道喷嘴之间良好的热分离等因素的影响，而Günther Heisskanaltechnik公司生产的热流道喷嘴通过一个两部式轴来实现这种热分离，该轴由导热系数约为7W/(m•K）的钛合金和钢制成。喷嘴轴和加热元件之间的气隙产生了额外的热分离。使用BlueFlow加热元件能够定向分配加热功率。例如：将50%以上的加热功率都集中在喷嘴的前部（尖端），它能够确保足量的热能被传导到尖端部分。由于喷嘴的中心区域没有散热装置，因此该区域的加热功率明显更少，以免该区域过热（图3a）。

市场上的许多热流道喷嘴都直接或通过钛环居于模腔嵌件中部。钢与钢在浇注点区域的这种金属连接具有极好的导热效果。由于热量总是从热的物体流向冷的物体，预计热流道喷嘴中的热损失非常大（图3b）。结果表明，在某些情况下，热流道喷嘴中的实际温度明显高于显示温度。因此，敏感聚合物（包括添加剂）可能会被热损坏。

在喷嘴具有两部式轴的情况下，热损失显著降低，温度分布更加均匀，不会出现巨大的温差。因此，PHA等热敏塑料的加工变得更容易。

不同试验本体的试模

在Günther Heisskanaltechnik试验工厂进行的加工试验旨在展示用不同的热流道系统（开放式与针阀式）加工所选M•Vera牌号的结果。试验期间对以下项目进行了评估：
◆ 稳定工艺参数的测定；
◆ 浇注点的开放特性/填充研究；
◆ 阀式浇口的最大保压时间；
◆ 模拟工艺中断后的启动性能；
◆ 在特定时间内保持工艺稳定性的证据。

Günther Heisskanaltechnik公司生产的双腔试模（图4）被用在电动注塑机（型号：Allrounder 520A，1500-400；制造商：阿博格）上进行试验。模具的这种构造使得那些适用于各种试样设计的可互换嵌件可被用于动半模上。定半模则可按需选择带尖端或阀式浇口的开放式喷嘴。

图4：适用于各种试样的可互换嵌件可安装在双腔试模里 © Günther Heisskanaltechnik

用开放式热流道喷嘴进行的试验

开放式热流道的试验通过两个带BlueFlow加热元件的6SHF80喷嘴（图3）进行，热量通过高导热金属制成的尖端传导到浇注点。它使得浇口处的开放特性基本一致并具有高质量的浇注点。在本例中，盘状样品本体（图5）用直径1.2mm的浇注点进行测量。

图5：注射重量3g、直径60mm、壁厚1mm的盘状试样 © Günther Heisskanaltechnik

PHA共混物用150°C的工艺温度（注射装置和热流道）和40°C的模具温度进行加工。研究人员发现该工艺是稳定的且没有压力波动。热流道喷嘴的温度被逐渐降至135°C，中间没有出现工艺波动。

相同的喷嘴温度可用于生成填充样本。模拟过程中断15分钟后可不受限制地重启。使用带尖端的喷嘴时，浇注点质量被评为良好。在GP1012产品中，天然纤维起着成核剂的作用：与GP1045相比，样品本体脱模的冷却时间缩短了5秒。通过使用优化的参数，PHA共混物在一个小时内稳定地完成了加工。

用针阀式热嘴进行的试验

针阀式系统的试验通过两个8NHT2–80LA喷嘴进行。使用针阀式系统时，开放特性更加精确，并且浇注点的质量在光觉和触觉特性方面表现出色。在此处使用的阀针导套LA中（图6），浇注点被集成在阀针导套中，因此能够塑造外形。阀针导套由粉末冶金钢制成，具有高耐磨性。阀针导套浮置于喷嘴中，如有需要，无需重做模具嵌件即可轻松更换。

图6：由耐磨钢制成的LA阀针导套 © GüntherHeisskanaltechnik

选用的浇注点为2.0mm的阀针可以通过最大针阀关闭力为800N的气动单向阀移动。所选杆状试样（图7）的壁厚为2mm，流路长度约为90mm。

图7：注射重量4g、流路长度90mm、壁厚2mm的杆状试样 © Günther Heisskanaltechnik

M•Vera牌号GP1045和GP1012都可以在150°C的热流道温度和40°C的模具温度条件下进行稳定的加工。作为针阀式系统的常见情况，由于熔体在保压阶段的固化特性，两种PHA牌号的保压时间都受到限制。如果保压时间过长，针阀关闭期间可能会发生工件过载或飞边产生的情况。

在模拟过程中断15分钟后，该工艺可以重新开始，两种材料类型都不受限制。首件会出现轻微的变色。

GP1045和GP1012都可以在冷却3秒后轻松脱模。但是，在冷却时间长达6秒时，将出现因顶杆造成的压痕或变形。如果要给壁厚约为2mm的工件脱模并且不产生变形或压痕，冷却时间应在6秒以上。此外，浇口附近应设置可单独操作的温控装置。注射压力曲线未出现任何异常，运行时间为一小时的加工能力记录表明工艺稳定。

结语

测试表明，两种PHA牌号都可以用Günter Heisskanaltechnik公司生产的标准热流道喷嘴作为开放式（尖端）和针阀式热嘴的替代品进行良好的加工。通过使用上文所述的热流道喷嘴，Bio-Fed公司的M•Vera牌号都可以在规格范围内实现稳定而温和的加工。

本文翻译自KUNSTSTOFFE INTERNATIONAL杂志
作者：Dipl.-Ing. Jörg Essinger，Dr.-Ing. Alejandro Puentes，Dr. Inno Gaul

来源：荣格-《国际塑料商情》

原创声明：
本站所有原创内容未经允许，禁止任何网站、微信公众号等平台等机构转载、摘抄，否则荣格工业传媒保留追责权利。任何此前未经允许，已经转载本站原创文章的平台，请立即删除相关文章。