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| 2010/12/03 15:41:07瀏覽2087｜回應0｜推薦2 | |
以聚丙烯做成的PP泡麵碗不但可耐135℃高溫，對酸、鹼、醇等也有很強的抵抗力，使用過後也可回收。 文／楊嘉慧。 審稿／遠東科技大學材料科學與工程系助理教授 林焜章 保麗龍是怎麼做出來的？發泡塑膠是一種內部具有非常多個小氣孔的塑膠，由於質輕、能保溫與吸震，常被應用在包裝材料或當做盛裝容器。理論上，塑膠幾乎都可以發泡，然而不同材料的發泡難易程度不同，一般最常見的發泡塑膠是以聚苯乙烯（polystyrene, PS）當做原料發泡而成的保麗龍，因為 PS 發泡條件低，容易掌控。 保麗龍的製作方法有兩種：PS 發泡粒成型（expandable polystyrene, EPS）和 PS 壓出發泡成型（extruded polystyrene, XPS）。像冰淇淋盒、蛋糕盒等，塑材表面可看到一顆顆泡珠，是屬於 EPS 發泡方式，而泡麵碗及保麗龍漢堡盒、免洗餐具等，泡孔比較細緻的是以 XPS 發泡。泡泡如何產生 EPS 發泡方式是先將發泡劑（可以是丁烷、戊烷、氫化氟烷烴或二氧化碳）灌入塑膠形成一顆顆的泡珠，之後將內含發泡劑的 PS 泡珠放入發泡模具，通入高溫蒸氣，包覆在裡頭的氣體就會膨脹，使泡珠體積漲大（二次發泡）至 40~60 倍。由於加熱至 100℃ 以上 PS 塑膠粒表面會軟化，一顆顆漲大的泡珠便會彼此黏起來，降溫固化後，就是所見的保麗龍。此方法雖可依模具外型製成各種形狀的產品，缺點是批次生產自動化差，需要較多人力。 XPS 發泡法與EPS的差異主要在EPS是加熱使氣體漲大，而 XPS 則是利用壓力減小讓氣體漲大。XPS 發泡是將 PS 先加熱至 200 多 ℃ 軟化，再灌入氣體，隨後在 60~120 個大氣壓力的密閉空間裡，使氣體及塑膠均勻混合，再慢慢降溫到PS黏稠度高、可包覆氣體的溫度（130~160℃，註）後，快速洩壓，氣體體積便會膨漲並撐大塑膠。以此法做的保麗龍，塑膠泡粒比較細緻，體積漲大倍率約只有原來的 20~30 倍。註：塑膠可分為結晶型與非結晶型，PS是非結晶型塑膠，無明顯熔點，只有玻璃轉換溫度（glass transition temperature, Tg）。Tg 是指由硬脆的玻璃態開始變成橡膠態的溫度，PS的Tg約95℃（PS加發泡劑發泡後的 Tg 為 85℃），而在 130~160℃ 時，材料才夠軟，且黏稠度夠高，可包覆氣體。PP耐高溫泡麵碗 保麗龍是一種耐熱性不佳的材質，在 85℃ 以上就會釋出苯乙烯等環境荷爾，因此以保麗龍製成的器皿不能盛裝過熱的食物，也不適合微波爐使用。為了發明一種具保麗龍的保溫、隔熱效果，並可耐高溫的可微波容器，遠東科技大學材料科學與工程系助理教授林焜章及學校師生與瑞巨公司共同研發「PP發泡可微波食品容器材質」，不但耐 135℃ 高溫、耐酸，可以微波，使用過後也能回收。該產品獲得 2009 年日內瓦國際發明展的金牌及特別獎，預計在 2010 年年底量產。 傳統保麗龍是聚苯乙烯（polystyrene, PS）的俗稱，分子鏈含苯環，會溶於多種有機溶液，製造過程中也必須添加化學物質使其穩定。PP 發泡可微波食品容器材質則是以丙烯（C3H6）為單體聚合而成的聚丙烯（polypropylene, PP）。PP的長鏈上沒有氧原子，結構較穩定，對酸、鹼、醇等有很強的抗腐蝕性。因此就材料特性及製作過程而言，以 PP 容器盛裝食物比 PS 安全。 儘管如此，目前幾乎沒有以 PP 發泡的容器，因為 PP 包覆氣體的能力不佳，要讓它發泡，技術上有一定難度。PP 發泡可微波食品容器材質是採用 PP 壓出發泡成型（extruded polypropylene, XPP）發泡（註1），也就是先讓 PP 在 200 多 ℃ 的環境中熔化，再灌入氣體（即發泡劑），接著攪拌塑料和氣體後，進行降溫、洩壓。 林焜章表示，常見的PP原料分子是線性結構，加熱軟化後材料的黏稠度較低，不易包覆氣體。為了提高 PP 發泡成功的機率，他們從國外進口長鏈分支狀PP做為發泡原料，這類 PP 加熱軟化時黏稠度較高，在 130~150℃（註2）具包覆氣體的能力，所以用來發泡較易成功。 除了挑選特定聚合結構的 PP，研究團隊也重新設計壓出機裡的螺桿，讓 PP 發泡板的泡孔大小一致。XPS 發泡過程是靠螺桿讓塑膠與氣體均勻攪拌，以及利用螺桿旋轉時降溫。他們利用增加螺桿上的螺溝及加寬螺距長度（相當於讓轉速下降），分別達到讓 PP 與氣體均勻攪拌及緩慢均勻降溫的目的。如此一來，PP 移到螺桿末端出模頭洩壓時，就不會因為 PP 溫度有差異，而使泡孔大小不均勻。 目前實驗室製造的 PP 發泡容器是使用二氧化碳混合氫化氟烷烴當發泡劑。二氧化碳成本較氫化氟烷烴低，但是它不易溶進 PP 材料，所以只能部份取代氫化氟烷烴。以混合發泡劑發泡，現階段可使原體積漲大 5~7 倍，和單用氫化氟烷烴的 5~10 倍相比，差距不大。林焜章表示，雖然以二氧化碳降低成本，PP 發泡容器的製作成本仍比保麗龍高，然而 PP 較 PS 耐高溫、對酸、鹼、醇等也有很強的抗腐蝕性，且容器回收後，只要加熱就能重新壓模使用，具環保概念，對減少環境廢料有很大幫助。註：1.目前EPP泡珠全由國外進口，應用於包裝緩衝材，產能與價格因素，尚未應用於食品容器。2. PP 屬結晶型塑膠，分子呈規則有序的排列，有明顯的熔點及結晶溫度。高分子聚合物與低分子化合物在相的變化並不同，水只要溫度高於 0℃ 時，就會變成水，低於 0℃ 時變回冰。PP發泡可微波食品容器材質使用的長鏈分支狀PP 由固態變液態的熔點是 163℃，液態變回固態的結晶溫度為124℃。PP能包覆氣體的溫度必須介於 124~163℃ 之間，而以 130~150℃ 效果最佳。延伸閱讀 《塑膠加工實用技術問答》，錢漢英.王秀嫻.李曜賓.李洁濤著，曉園出版 高一課本《基礎化學》 |
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