（2009年4月1日 《PT塑料》）作者：迈克尔·奈茨

-- 在加工新一代可再生生物聚合物方面，美国注塑商仍相当缺乏经验。这些源自生物的材料，如聚乳酸（PLA）、聚羟基脂肪酸酯（PHA）及淀

粉基树脂，因其与石油基热塑性塑料无关联，正吸引着日益增长的市场兴趣。

这些树脂在成型过程中需要小心处理，以免超出其耐热性、耐剪切性和水解稳定性。材料供应商一直在开发新型及增强牌号，以提高其加工性

能和最终使用性能，这可能有助于该材料进入更广泛的应用领域。添加剂供应商也推出了克服加工和性能局限的产品。

“我们已与大多数领先的生物聚合物供应商合作，并进行了广泛的材料试验，”马萨诸塞州克林顿市Nypro公司的技术总监Michael McGee说。这并

不像直接替换聚丙烯（PP）那样熟悉的材料那么简单。“流变性、收缩率和排气要求因材料而异，但差异很细微，因此你必须了解产品设计、

模具设计、加工设备及工艺参数。我们一直在积累关于可生物降解和生物基材料的丰富知识。我们现在更了解它们的干燥、浇口设计和位置、

流道、流速、排气和成型。”

“有些人认为它们极难加工，但这种看法正在开始改变，”中国PHBV生物聚合物（PHA的一种）供应商天安生物的北美销售与营销副总裁Jim Lunt

博士说。“许多生物聚合物之所以看似难加工，是因为其熔点或加工温度与分解点之间的窗口很小。对于像PHBV这样的生物聚合物，树脂可能

在310°F（约154°C）熔化，但在360°F（约182°C）就会降解，这是一个相当窄的加工窗口。过热会导致零件产生凝胶、黑点或泛黄。”因此，

注塑商需要关注熔体温度、螺杆速度和注射速度，以及适当的干燥，因为这些材料往往具有吸湿性和对水分敏感。

Nypro表示，其核心市场（消费品包装、电子、电信和医疗行业）对生物聚合物成型零件的兴趣日益增长。“我们并非在推这项技术，而是客户

在拉动它，”McGee说。Nypro的客户对可持续性和可生物降解性感兴趣，并想知道这些材料是否适合他们的产品和市场。

“需求增长如此之快，我们预计未来几年生物聚合物产品每年都将实现两位数增长，”McGee说。Nypro已开发了自己的专用流动模拟软件包，用

于模拟生物聚合物的成型行为，包括收缩和翘曲。

消费品公司Design Ideas推出了其新的EcoGen系列浴室产品，该产品采用天安PHBV材料，由普立万（PolyOne）复合制成专用牌号。设计总

监Chris Hardy表示，Design Ideas通过合同在亚洲注塑这些产品。“EcoGen是我们首次涉足耐用且100%可生物降解的注塑零件领域，”他说。

如封面所示，产品包括牙刷架、浴杯、大小浴盒、泵式分配器、肥皂碟和浴桶。大多数零件相当小，最大的是浴桶，重500克（1.1磅）。同时，

EcoGen办公桌配件于2008年推出。Hardy说，下一步的开发将是更大的零件，如厨房和办公室的储物盒。

Mirel也可用于一次性消费品、一次性剃须刀和包装。营销和销售副总裁Bob Findlen解释说：“Telles将瞄准硬质应用领域，PHA可在这些领域替

代ABS。目前正在进行用于手机和PDA等手持设备以及打印机等办公设备的注塑零件的研发。已经有一个用于实验室的小型注塑吸头托盘，由

加利福尼亚州佩塔卢马的Labcon北美公司制造。”

NatureWorks是PLA生物聚合物的第一家也是目前最大的供应商，其市场开发经理Salvador Ortega表示，正在注塑成型的零件多种多样，从废

纸篓到杯子，再到口红盒等化妆品。Ortega说，PLA可以替代通用聚苯乙烯（GPPS）、高抗冲聚苯乙烯（HIPS）和ABS：“我认为它可以与苯乙

烯类零件竞争，并可以在一些消费品中替代PET和PP。它的收缩类似于苯乙烯类材料，可以使用相同类型的模具。”

NatureWorks也有客户将其Ingeo树脂用于注拉吹成型的水和乳制品饮料瓶。这为注塑PLA瓶坯开辟了潜在市场，并激励了一些模具和设备公司

（见下文）。

“注塑商正在使用我们多种注塑级产品，”澳大利亚提供淀粉基生物树脂的Plantic Technologies公司美洲区副总裁兼全球联盟经理Thomas Black说。

Cereplast可堆肥PLA共混物的注塑应用包括牙科产品、玩具、工具、餐具、包装、杯子和其自有品牌Nat-Ur的一次性餐具。Cereplast树脂也用

于安大略省彼得伯勒市Harco Enterprises Ltd.的Natures Plast系列的勺子、饮料搅拌棒、三明治签、飞盘等产品。

最近获得Cerestech开发的热塑性淀粉（TPS）共混物许可的Teknor Apex公司也瞄准了注塑成型。“我们预期应用于餐具、容器、电子产品、玩

具和其他消费品，”新战略计划经理Edwin Tam说。该许可允许Teknor在全球制造和销售TPS与PLA、PHA、生物聚酯和PP的合金。Teknor计划在

6月芝加哥的NPE展上推出首个商业牌号。

*了解其特性*

“注塑这些材料的最大问题是热量、水分以及由过高温度、剪切或停留时间引起的降解，”热塑性淀粉基树脂供应商Novamont的业务开发总监

Stefano Facco说。他补充道，加工商在所有树脂上都会在一定程度上面临这些问题，但生物聚合物更甚。

“我们发现PLA的加工要求很独特，”D-M-E公司热流道系统全球业务经理Bob Ameel说。与PS等标准树脂相比，“PLA保热性更强，因此需要更长

的冷却时间。它在长距离薄壁中流动性不佳。增加压力以填充只会增加剪切，这可能升高温度并导致降解。”

NatureWorks的Ortega说，生物树脂具有吸湿性，必须干燥，否则分子量和熔体粘度会下降，并增加飞边和零件脆性的可能性。PLA和PHA是

聚酯，干燥要求与PET和PBT相当——即比ABS、尼龙或PC更严格。

“水分敏感性和缺乏耐热性似乎是未改性生物聚合物的最大问题，”普立万（PolyOne）的生物材料市场开发负责人Marcel Dartée说。普立万提供

一系列生物基改性剂，旨在改善生物聚合物的加工和性能局限。其他公司如阿科玛（Arkema）、科莱恩母料（Clariant Masterbatches）、杜邦

（DuPont）和罗门哈斯（Rohm and Haas）也提供解决这些问题的添加剂解决方案（参见了解更多栏目）。

Dartée说，一些生物材料的加工类似PE或PET。“经过一些初步调整，即使是没有经验的注塑商也应该能够稳定地加工这些材料，”他补充道。即

使处理不当，“与传统树脂不同，这些材料的熔体降解不太可能堵塞成型设备。”

虽然生物树脂在干燥和加工条件方面有特殊要求，但Telles应用开发工程师Tom Pitzi表示，这并不总是对模具设计提出特殊要求。“你可以使用

点浇口、扇形浇口，所有标准浇口几何形状都可以。”

这些材料可以在任何类型的注塑机上运行。威猛巴顿菲尔（Wittmann Battenfeld）表示，其5.5吨的Microsystem注塑机用于成型专为医疗植入

物设计的特殊PLA树脂。据报道，这些“可生物吸收”的医疗级材料在两阶段计量和注射系统中加工时不会降解，该系统最大限度地减少了熔体

停留时间。注塑销售经理David Purcell指出，每次注射都会将全部熔体料注入。Microsystem最大限度地减少了浇道尺寸，这对于这些非常昂贵

的医疗级材料很重要，因为它们通常不允许使用回料。它还提供了在洁净室和干燥空气条件下进料、干燥、成型和包装的完全集成。

Netstal（耐驰特）瑞士PET系统应用技术经理Stefan Bock表示，其PET-Line瓶坯注塑机使用标准PET螺杆已成功运行PLA。“系统必须彻底清洁

PET树脂，因为生物聚合物的加工温度较低。它的加工更接近PVC，但难度较小。注塑商应将加工温度控制在±2°C以内，”Bock说。他指出，可

以修改热流道系统以防止泄漏，模具应以约24°C（75°F）的水运行以避免析出（plateout）。Bock说，已在其注塑机上用PET模具成型了重达24

克的PLA瓶坯。

并非只有Netstal认识到PLA瓶坯的潜力。正如我们在2008年2月报道的那样，赫斯基（Husky）与NatureWorks、美国瓶制造商Biota Brands of 

America, Inc.（科罗拉多州特柳莱德）以及拉吹机制造商SIG Corpoplast合作开发了一个24腔热流道系统，用于生产可堆肥水瓶。赫斯基的热

流道系统用于成型0.5升至1升瓶子的瓶坯。

大多数生物聚合物是半结晶性的，但即使熔点相对较低，它们也往往在模具中结晶或凝固得相对较慢。NatureWorks的Ortega说，添加剂正在

帮助克服这一局限：“成核技术使得提高循环时间和耐热性成为可能。”

有消息来源指责生物聚合物在加工中容易粘附金属表面。但供应商表示，粘附主要是在运行高比例非晶态（未结晶）再生料时需要考虑的问题。

添加脱模剂可能有助于减少在注塑机或模具中粘附金属表面的机会。

如今的生物聚合物设计得更易于加工。天安的Lunt说，许多材料是“某种形式的共聚物，主要目的是增加材料的操作窗口，主要是结晶和分解

之间的温度差。”使用共聚物也提供了增强或改变性能的机会，如刚性或熔体强度。“你现在可以扩大操作窗口以改善加工性能。扩大窗口允许

你在更传统的设备上运行产品。”他告诫说，这并不意味着这些材料像PE或PS那样宽容，或者可以在一些加热器不工作的老旧注塑机上运行。

“如果暴露在环境空气中，这些材料可能在五分钟内吸收足够的水分，使干燥的大部分好处失效，”Conair集团的干燥机产品经理Jamie Jamison

警告说。“需要在所有阶段妥善处理，以尽量减少吸湿。如果干燥温度过高，材料可能在干燥料斗中软化和结块。如果温度过低，则不易干燥，

”Jamison说。

Novamont的Facco说：“淀粉基材料在生产结束时必须用低密度聚乙烯（LDPE）从机筒中清料，以防止过度降解。”Telles的Pitzi也建议清料Mirel

 PHA，并且大多数消息来源不建议在工作日结束时将生物树脂留在机器中。

据澳大利亚墨尔本该实验室的高级经理兼首席材料工程师Russell Speight称，欧特克（Autodesk）的Moldflow实验室一直在研究生物聚合物的

加工，以优化其针对这些材料的模拟软件。

*供应商指南*

至少有八家公司提供或计划提供可注塑生物聚合物。NatureWorks的Ingeo PLA系列包括三种注塑级，尽管其最新的Ingeo 3251D是一种更高流

动性的材料，将取代之前的两种Ingeo牌号（3001D和3051D）。NatureWorks开发Ingeo 3251D用于薄壁应用。其在410°F（约210°C）下的熔

体流动速率为70至85 g/10 min，在374°F（约190°C）下为30至40 g/10 min。相比之下，旧的注塑级分别为10-25 g/10 min和10-30 g/10 min。

NatureWorks推荐使用压缩比为3:1、长径比（L/D）为20:1的通用螺杆来熔化材料而不过度剪切。喂料喉温度应约为70°F（约21°C），推荐的

熔体温度为370至410°F（约188至210°C）。螺杆速度应为100至200 rpm，背压为50至100 psi。计量区和喷嘴温度应在370至400°F（约188至

204°C）。模具应保持冷却，约75°F（约24°C），预期零件收缩率为0.004 in./in.（0.4%）。

Novamont的Mater-Bi淀粉基生物聚合物有一种注塑级，其熔体流动指数（MFI）范围为6至30 g/10 min。它应使用恒定锥度、单螺纹、压缩比

为2.5:1、L/D为25:1的螺杆进行加工。Facco说，可以使用标准止逆环，以及中到高的注射速度。熔体温度为302至430°F（约150至221°C）。

半结晶生物聚合物的成型速度可能比更常用的半结晶树脂慢50%。模具温度通常为65°F（约18°C）。

Novamont的Facco说，任何浇口设计都可用于Mater-Bi。最小浇口尺寸通常为1毫米（全圆），但可根据特定牌号的粘度增大或减小。Facco指出，

冷流道或热流道都适用。

天安生物（Tianan Biologic）的PHBV（聚羟基丁酸戊酸酯）是一种通过植物淀粉细菌发酵生产的生物聚酯。据称这家中国公司是全球最大的

PHBV生产商，PHBV是PHA家族的一员。其Enmat PHBV材料被批准用于食品接触包装，并获得了可生物降解产品研究所（BPI）的认证。

Cereplast供应一条由PLA共混物组成的可堆肥（Compostables）产品线，和一条新的淀粉与PP反应性共混的“混合（Hybrid）”产品线。Cereplast

提供标准和更高流动性（35 MFR）的可堆肥注塑级，以及一个推荐用于餐具、盘子和碗的牌号，和一个具有更高柔韧性用于冷冻应用的牌号。

新的可堆肥1001牌号的加工建议见附表。

Teknor Apex表示，其TPS/PP共混物可在标准注塑机上运行，无需修改螺杆。Cereplast推荐其淀粉/PP混合料使用低剪切螺杆。Cereplast推荐熔

体温度低于392°F（200°C）。Teknor表示其新共混物可承受高达400°F（约204°C）的机筒温度。Tam建议采用慢速初始注射、大直径喷嘴以及

带有冷料井和全圆流道（而非半圆流道）的排气模具。