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表1 常用之裝盛熱食塑膠食品包材

資料來源：塑膠中心整理


以耐高溫的PP材料製作發泡材來替代發泡PS作為食品包材已成為國內外研究之主要趨勢，但PP發泡的技術困難度相當高，其原因為PP之結構屬於線性結晶性高分子，在結晶熔化時，熔體黏度會急劇變小，故在發泡過程與氣泡長成階段中，氣體很難被PP熔體包覆，也因熔體黏度變化大，導致PP發泡的加工窗非常的窄，製程之控制的困難度相當高，產品的發泡倍率偏低，影響其應用，因此，若要使PP發泡材達到所欲應用領域之特性，除了需改善原料的熔體黏度外，設備也需要精密的條件控制來配合，才有其可行性。

改善PP熔體黏度有幾種方法，如使用高支鏈化的PP(High Branched PP, HB-PP)、使用交聯PP以及各種PP的共混，分別說明如下：

(1)使用HB-PP：HB-PP在分子鏈上多了很多支鏈，這些支鏈在PP熔化時產生糾纏，造成熔體黏度的增加，即可改善PP在發泡過程中黏度不足的缺點。

(2)使用部分交聯PP：PP經過交聯可提高熔體強度，但由於分子結構的特性，在交聯的同時易發生側基剪斷反應(β-scission)而導致分子鏈降解，因此交聯品質難控制，目前只有輻射交聯之PP品質較穩定，但同時也代表製程的成本較高。

(3)各種PP共混改性：PP因聚合法不同有許多不同的規格，如HOMO-、BLOCK COPOLYMER-、RAMDOM COPOLYMER-…等，以不同規格的PP共混可以提高熔體黏度，增加發泡的可行性，此法成本較低，但其共混比例及對發泡特性的影響尚需大量的研究與證明。

上述的方法皆能達到使PP熔體黏度增加的效果，目前國內外皆有相關的研究與探討，也有相對應的材料販售，市售料絕大部分統稱為高熔體強度PP(High Melting Strength PP, HMS-PP)。 


國內外技術能量的分析比較

目前國內具有PP發泡技術的廠商屈指可數，國外的技術也掌握在幾個跨國型的企業，其技術分析、產品與應用彙整如下表2.所示，由表中可知，目前普遍量產的PP發泡技術均為押出發泡板製程，其製程牽涉到設備的程度相當高，同時PP材料也需要改質以符合製程，兩者搭配才有實現的可行性。

表2. 國內外PP發泡板材技術分析

資料來源：塑膠中心整理

如圖2.所示，暗紅色區塊顯示國內並無生產適合押出發泡製程的HMS-PP原料，因此國內生產PP發泡食品包材的製造商只能使用國外進口的原料，單就材料成本即國內原料的2~3倍，致使終端產品價格高居不下，導致食品製造廠使用意願低，加上國內食品包材相關法規不明確，更使PP發泡食品包材推廣不易。雖然目前國內上游原料廠積極投入開發，但新原料仍需經過完整的加工製程測試後才能正式進入市場，故也需加工設備商的配合(圖2.中黃色區塊)，但一般原料測試的作法通常需要消耗大量的原料(通常是一噸以上)，測試之設備也不盡符合所需條件，因此，在市場與法規的條件不明確下，這樣的測試對於原料開發者及設備商而言，都是巨大的負擔。有鑑於此，在押出發泡投料試產前，一連串的測試是必要的，除了可精確地得到所欲的產品，且可免除試料的資源耗損。

  


熔體強度的鑑定方法

無論以何種方式進行塑膠的發泡，其原理皆為填充大量氣泡於塑膠內 (如下圖3.所示)。影響塑膠發泡成功與否的因素很多，其中以熔體強度性質(Melting Strength)為重要參考依據，因含有發泡劑的塑料熔體在壓力瞬間降低時，氣泡在熔體內長成，此時，熔體被拉扯形成壁(Cell wall)的結構，若塑料的熔體拉伸強度不足，即有可能在這個階段被”扯破”，產生包不住氣體或破泡的現象，導致致低發泡倍率、破泡或發泡失敗。因此，一般而言，熔體強度越強越易發泡，越弱則不易發泡甚至不能發泡。


圖三、塑料發泡示意圖


以PP押出發泡為例，如下圖4.所示，上方圖為一般加掛環形模(Annular Die)之串聯式押出發泡機(Tandem Extruder)，第一段螺桿為將原料熔化及混合添加劑(核劑、助劑、發泡劑…等)；第二段螺桿主要為冷卻作用；下方圖為塑料押出發泡之製程示意圖，主要在說明PP進料到出模頭成型之各階段所發生的變化，押出發泡進行時，分別經歷「進料→熔解→混合→冷卻→壓力降」等階段，PP原料則經歷了「高分子流體→高分子/氣體混合物流體→成核與氣泡成長穩定」，因此，要完成各階段之熔體流變行為及加工參數的定義及預測，才有可能製作出預期的發泡產品。
  

圖4. PP押出發泡製程各階段評估項目


塑料熔體強度的測試方法有許多種，目前較為普遍的方式為毛細管流變儀(Capillary Rheometer)加掛熔體拉伸(Haul off Device)及力量轉譯裝置(Force Transducer)，如圖5.所示，當高分子流體由毛細管流變儀擠出時，下方的拉伸裝置的滾輪組提供一非常細微的拉力(以知名德國流變儀製造商GÖTTFERT為例，其測試之力量精密度為0.001N)，滾輪受到的阻力傳回連接的力量轉譯裝置，其內部的精密天秤可計算出細微的力量變化，其數據的輸出即為熔體強度，典型的數據展示即為熔體強度與下拉速度的圖譜(如圖6.所示)。

圖5. 熔體強度測試裝置(圖片來源：GÖTTFERT)




圖6. 熔體強度測試結果(圖片來源：塑膠中心)

由圖6.可知，藍色、天藍色與綠色的線皆判定為在該測試條件下具高熔體強度的PP原料，紅色與紫色線即表示熔體強度較低之PP原料。

熔體強度也可由熔融指數(MFI)來換算，此法乃利用聚合物在一定溫度下及一定荷重下，對抗自身重量的強度的間接表示方法，但因操作變異較大，其結果只可當作熔體強度的粗估。另外，以流變儀中的各種測試法結果交叉比對，也可由加工視窗的範圍來間接判斷是否為具高熔體強度之塑料(圖7.所示)。



圖7. 由流變儀測試結果所得之高分子發泡加工窗(圖片來源：Associated Polymer Labs)

 

物理發泡測試

根據熔體強度測試結果，以批次式物理發泡測試機進行發泡測試，發泡後之材料進行比重測試，並將其換算為發泡倍率。發泡測試之條件如下表3.所示：


將批次式物理發泡測試結果與熔體強度測試結果進行比對。由比較結果可知，市售之HMS-PP，其熔體強度測試結果為最高，同時在相同測試條件下，也具有較高的發泡倍率；市售之Low MI-PP，有一支測試結果符合高熔體強度與高發泡倍率，另一則顯示相反的結果，雖熔體強度高，但卻是低發泡倍率。


結論

由前述之實驗結果可知，高分子的熔體強度與發泡倍率有關，但不見得有正相關，考量產品欲達到的發泡效果，除了熔體強度需要測試外，高分子的分子結構、流變行為、加工窗…等條件都需一併考慮，才能達成所欲達成之目標。同樣的技巧也可應用於類似PP之結晶性或半結晶性材料，如PET、PLA、PA…等，應用領域除了食品包材外，也可推廣於建材、車用材、隔音材…等需輕量化，又需具備阻隔效果之領域。