消費后回收材料(PCR)的高附加值應用開發
消費后回收材料(PCR)的高附加值應用開發
■ 蘇州誠模精密 材料應用研究中心 / 孫同杰 經理
引言
塑料產品在經過流通、消費和使用后，經過物理回收或化學回收，得到消費后回收材料(PCR)。和原生料相比，PCR的結構和性能都發生改變：一方面，PCR的結構變得不穩定，對于模具設計和射出成型工藝的控制提出挑戰；另一方面，PCR的外觀和性能缺陷使其難以應用在高附加值產品當中，而往往應用于較低端的應用場景中。
當前環境下，塑料的回收再造粒成本高，因此PCR的價格本身就高于原生料。如果不能控制利用PCR原料制造PCR產品的模具和生產工藝成本，不能挖掘PCR的高附加值應用，將難以在市場大面積推廣PCR。
PCR材料評估及創新應用
塑料在老化過程中，隨著時間的推移，會發生交聯，也會發生降解。交聯結構的存在使得PCR的熔體彈性提升，而適度的降解導致的小分子的存在，則可以提升熔體的流動性。基于這樣的思考，引進人才試圖將PCR材料應用于具有高光澤度外觀的射出產品中。
在消費類電子產品和汽車等領域中，消費者對于各類射出產品的外觀要求越來越高，因此具有鮮艷色澤、高光澤度并具有較為平衡的力學強度的射出產品成為眾多生產商追求的目標。
為了改善射出制品的外觀，現有的解決方案主要從兩方面入手。第一方面從射出工藝的角度進行外觀改善，一般采用比較高的模溫以增加熔體的流動性，但高的模溫往往會延長成型周期。第二方面從原料的角度進行外觀改善，一般需要調節塑料原料的熔融指數和分子量分布，但要開發一個新的產品牌號往往需要很高的人力和時間成本。并且，在許多實際應用場景中，如何有效地平衡射出制品的外觀和物理力學性能，也成為棘手的問題。比如，對于抗沖擊性能要求比較高的應用場合，通常會選擇熔融指數相對比較低的聚碳酸酯材料，但過低的熔融指數往往帶來許多外觀問題；對于強度和模量要求特別高的場合，通常會選擇加纖料，但玻璃纖維的加入常常會導致射出制品表面浮纖，嚴重影響外觀；對于有免噴涂要求的產品，其外觀和耐磨性往往難以平衡。
因此，如能將PCR材料應用到高光澤度射出產品中，不但可以開發出改善射出制品外觀的新方法，而且可以大大提升PCR材料應用的附加價值，顛覆PCR材料只能用于低端應用場景的傳統觀念。
圖1：評估PCR材料應用可行性的技術路線圖
基于這樣的背景，誠模精密的材料應用研究中心開發了PCR材料應用可行性評估方法（圖1），利用此方法篩選出合適的PCR材料，可以在不升高模溫的條件下，有效改善射出件外觀（凹痕、表面浮纖等），縮短成型周期，降低生產成本；利用玻璃纖維和PCR材料的協同效果，可以在不降低材料力學強度的前提下改善射出制品外觀，進一步提升PCR的創新應用附加價值，并成功應用于薄壁產品的生產（圖2）。結合Moldex3D模流仿真分析技術，不同批次PCR原料的結構和性能變化的不穩定因素將得到有效管理和控制。模流仿真過程會適應PCR的結構變化，快速得到適合每一批次PCR的成型工藝條件，進而指導現場射出，有效降低現場射出成型的調機成本，大大提升PCR產品的質量。
圖2：PCR加纖用于薄壁產品開發
從材料分子結構考慮，熔融指數是影響制品外觀的重要因素，因此，我們嘗試利用消費后回收材料(PCR)來改善射出件外觀。塑膠材料經過一段時間的使用，可能會發生材料的降解、老化，因此平均分子量可能會減小，從而使得PCR材料再加工的時候流動性變好，進而有可能改善外觀，但同時力學強度也會受到影響。因此，合理、有效、快速地評估PCR材料的結構和性能變化，是找到PCR材料高附加值應用的關鍵。
目前PCR材料的原料來源極不穩定，盡管各家原料商都有提供PCR材料的物性表，但依然無法保持原料中所使用的PCR材料結構和性能一致。因此，我們需要借助實驗室分析資源，對于PCR材料的不穩定性做出有效評估，并將此不穩定性納入模具設計和成型工藝的考量之中，通過Moldex3D模流仿真分析，搭建材料不穩定性與射出成型的關系。
結語
如何評估和使用PCR材料，提升PCR材料應用的附加價值，是實現產業綠色發展的重要一步。未來，誠模精密的模具和射出產品將圍繞可持續發展，協助相關材料環保解決方案（PCR材料、免噴涂材料、輕量化材料等）落地。同時，整合材料解析數據、模流分析、模具設計、射出平臺和智能制造，形成一整套數字化解決方案，為消費電子、汽車、醫療等各行業的各類產品建立全套解決方案庫，推動整個模具和射出行業技術變革。
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