■逢甲大學 / 彭信舒 副教授

(轉載自繁體版ACMT電子技術月刊No.070)

前言

運用數字制造提升供應鏈韌性，發展潔凈能源和低碳制程技術，以永續科技落實綠色循環新經濟是后疫情時代國家重要前瞻政策，也是本屆德國杜塞道夫(Dü sseldorf)國際 橡塑膠展K2022(K-Show)重要展出主題。 塑料是由不可再生資源生產的，其來源有限，不當處理將可能使部分化學成分或元素對環境產生不良影響。 因此，由于塑料廢棄物的不當處置明顯造成環境污染，導致全球的廢物管理能力緊張。

近年來，隨著循環經濟與塑料制品輕量化發展趨勢，3R原則（減量化-Reduce、再使用-Reuse與再回收-Recycle）受到產業高度重視；提倡以塑料循環利用為核心，促進產業鏈結、提升循環價值，對于回收料物性變化與成型特性的了解儼然成為重要研究課題。所以，塑膠廢棄物處理已成為全球議題，世界各國重新將塑料產品生命周期轉型成循環經濟的模式。如果能正視問題使危機變成轉機，實踐循環理念開拓新商機，并建立創新技術思維，延伸產品應用情境，建構循環經濟商業模式，進而達到永續發展的目標。

有鑒于此，財團法人塑膠工業技術發展中心（以下簡稱塑膠中心）近年來致力于推動「消費后塑膠再生料(Post-Consumer Recycled Plastic Material)」驗證平臺和應用推廣，已從「降低成本」躍升到「綠色要求」，也觸發了「廢塑膠」回收、再利用的新商機。

塑膠材料循環再利用──成型特性探討

目前，關于使用回收塑膠材料進行射出成型產品制造，塑料成型產業的普遍作法會將生產之產品和流道進行分離，將分離后的流道或不良品收集起來，透過粉碎機將廢料粉碎成更小體積成為回收料。在允許條件下，業界多數的作法是與原料混合再利用，一方面可以有效資源回收，一方面可以節省材料成本。但是因為回收料經過多次粉碎的外力作用下（壓軋、剪下、沖擊、研磨），材料相關特性產生變化而影響到塑膠原料成型特性，且特性的變化根據回收料不同添加比例與回收次數而有所不同，對回收再使用塑料原料的性質（流動特性或機械性質等）掌握，是業者在進行塑料產品生產制造前需要審慎評估的問題。

以本研究所使用之塑料為例，聚丙烯（Polypropylene，簡稱PP），為熱塑性塑膠材料，是一款可回收的塑料材質，美國塑膠工業協會塑料材質回收分類編碼為5。對于熱塑性塑料來說，塑料粒在經過射出機螺桿的塑化與剪切，其塑料分子鏈會被剪斷，黏度性質或流動特性可能產生變化，進而影響塑料產品成型。由目前文獻搜集可得知，學術上的研究發表大多在不同回收料添加比例、配方與制程特性上進行研究與探討，但對于塑膠原料經重復射出→粉碎→再射出，且不加入原塑料材料(Raw material)情形下的回收料之成型特性較少探討。

圖1：循環再利用塑料射出成型實驗流程示意圖

因此，本文章分享塑料在經過多次射出→粉碎→再射出的制程中（如圖1所示），透過在模穴內安裝壓力感測組件，觀察回收塑料射出成型過程熔膠流動長度與充填至模穴之壓力變化，并計算其黏度因子；藉以透過成型信息實時感測（成型信息可視化）方式了解不同回收次數之塑膠成型特性。

另一方面，透過熔融指數試驗機(Melt flow index tester)以及熱示差掃描分析儀(Differential scanning calorimetry, DSC)針對不同粉碎次數之實驗材料進行檢測，觀察塑膠原料回收次數增加后其熔融流動特性與熱性質變化。

最后，透過射出成型實驗進行成型試片機械性質測試觀察，將試片（ASTM D638拉伸試片）進行拉伸測試，藉由拉伸測試結果，并整合模穴壓力變化、黏度因子變化，以及相對應的回收料流動特性與熱性質變化，進行探討。

研究結果與討論

圖2(a)為原材料Raw-PP在多次回收粉碎過程后，進行射出成型實驗并觀察熔膠充填流動特性的變化，圖中顯示隨著回收次數增加，可明顯觀察到Melt flow rate隨回收次數增加而變大，意味著PP分子量隨著回收次數增加而變低，且回收次數到達4次以上時達到飽和。材料會因射出與粉碎過程的剪切應力、加熱、塑化等過程，造成材料的分子鏈遭受破壞導致分子量下降與分子量分布變寬，使材料流動性提高；同時，回收次數到達4以上時，PP分子鏈產生明顯斷鏈或破壞情形已較不明顯。

圖2(a)：(a)~(c)為不同回收次數塑料流動特性和結晶度之變化。(a)為原材料Raw-PP在多次回收粉碎過程后，進行射出成型實驗并觀察熔膠充填流動特性的變化

進一步將成型試片透過熱示差掃描分析儀進行測試，圖2(b)為不同回收次數PP 塑料DSC降溫圖形，可明顯觀察到一放熱結晶峰，峰值頂點為結晶溫度。

圖2(b)：(a)~(c)為不同回收次數塑料流動特性和結晶度之變化。(b)為不同回收次數PP 塑料DSC降溫圖形

圖2(c)：(a)~(c)為不同回收次數塑料流動特性和結晶度之變化。(c)表示不同回收次數的結晶度與結晶溫度變化圖

圖2(c)表示不同回收次數的結晶度與結晶溫度變化圖，由圖中可得知隨著回收次數的增加熔融結晶溫度也隨之上升，意味著隨著回收次數增加使PP分子量降低，但進一步使PP結晶速率上升。

圖3：不同回收次數塑料結晶度、黏度因子和拉伸強度之關系

圖3顯示在不同回收次數條件下，結晶溫度、黏度因子與拉伸強度之間的關系。從圖中可以看出，隨著回收次數的增加，黏度因子有下降趨勢，在塑料結晶溫度方面，會隨著回收次數增加而上升，這樣的結果同樣的反應在拉伸強度上。

綜合圖2與圖3的研究結果顯示，雖然塑料結晶度與機械性質有正相關性，但值得注意的是，當塑料回收次數到達四次以上，機械性質便開始下降，表示塑料回收經歷多次熱歷程，結晶度雖然有提升現象，但塑料同樣經歷多次粉碎（外力作用），導致產品機械性質產生下降趨勢。相信，透過可視化射出成型技術建立循環再利用塑料材料成型特性數據，對產業需求有正面助益。

結語

本研究透過不同回收次數之PP塑料進行射出成型特性、模穴壓力、黏度因子與拉伸強度等變化趨勢作為探討主軸，提供產業了解在不同回收次數下之塑料特性，以支持產業需求。

此外，循環再利用塑膠材料可能來自不同的回收場域，回收塑料本身會隨批次不同，而有不同的特性（如黏度、密度、成型特性等），造成業者在進行回收塑料射出成型加工時，產品質量與特性容易產生極大的差異性與挑戰。因此，在建構循環經濟及追求凈零碳排永續發展的趨勢下，運用感測組件建立實時感測技術讓成型信息可視化，預期可加速協助業者建立測試平臺與數據庫。

隨著智能化射出成型技術的發展，結合可視化信息，讓成型信息進一步透明化，實時掌握不同批次回收塑料之特性變異，進一步透過成型參數調整，得到質量均一之射出成型產品，實現射出成型數字智能制造的目的，增加其塑料回收料再利用之價值。■

此文章摘錄自ACMT- SmartMolding雜志-(2022/12月刊)

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