聚焦生物塑料的应用与发展


作者:本刊记者 Matthew Naitove 日期:2019/07/08 来源:PT塑料网

Steinwall公司是一家位于美国明尼苏达州明尼阿波利斯郊区Coon Rapids的订制注塑成型商,公司价值达2500万美元。多年以来,该公司一直致力于以生物聚合物和天然纤维增强材料为基础的设计与成型,其业务发展总监Jeremy Dworshak表示:“市场对生物塑料的接受度仍处于早期阶段。但是,我们和其他一些业内人士对加工这些材料的工艺以及所得产品的性能有着中等程度的了解。”当生物塑料革命来临时,Steinwall公司将作好准备。

该公司已经针对生物基聚乳酸(PLA)树脂以及来自木材、亚麻、大麻、稻壳、叶子和龙舌兰(一种制作龙舌兰酒的仙人掌)的天然纤维进行了大约5年的研究工作。

“我们学到了一些关键的东西。”Dworshak说。在2019年5月于底特律举办的SPE ANTEC大会中,Dworshak分享了其中的一些知识。Dworshak与别人一起,为这一会议撰写了一篇题为“生物基和生物填充树脂的注塑成型加工(Injection Molding Processing of Bio-Based & Bio-Filled Resins)”的论文。文章提出了一些基本的设计原则,如需要减少PLA成型部件中的应力集中,因为它们往往比传统的热塑性塑料更脆。例如,使用圆角就是一个典型的例子,参与生物塑料设计的Steinwall公司项目工程师Jake Nelson指出。该论文还提出了一些天然纤维填充PLA设计卡扣的方法。

这篇ANTEC论文内容也涉及了纤维增强PLA的加工工艺。Steinwall公司的工艺工程师Luke Buerkley指出,加工中的关键问题是控制PLA和天然纤维的热敏感性以及剪切敏感性。在其研究过程中采用的是低充模速度,但这需要热尖式浇口有更高的温度来进行补偿,以防止冻结。

论文中提出的另一点是,由于担心加工过程中的热降解可能导致乳酸产生,因此诸如不锈钢材质的无腐蚀性模具材料常被推荐用于PLA的成型。 “但我们的加工步骤减轻了这种影响。”Buerkley表示,因此Steinwall公司相信标准的模具钢足以胜任PLA的成型。

成立于1965年的Steinwall公司拥有一座22761.24m2的工厂,员工170人。这个工厂中运行着55台30~1750t的注塑机。目前,有两款采用含有生物填料的PLA制成的部件正在这里进行商业化生产。其中一款是用大麻纤维增强PLA制成的药用大麻储存容器。Steinwall公司为位于科罗拉多州丹佛的Sana Packaging公司供应这款产品已有一年。2019年,Steinwall公司计划可以生产100万个这样的容器。

这个药用大麻容器以PLA与大麻纤维制成,是Steinwall公司采用生物聚合物实现的一个大批量商业化应用
以PLA与大麻纤维制成的药用大麻容器是Steinwall公司采用生物聚合物实现的一个大批量商业化应用

第二个商业化的产品是采用亚麻增强PLA制成的驱鼠剂盒子。Steinwall公司为位于北达科他州Bismarck的EarthKind公司供应这款产品,每年产量约15000个,这项合作已经持续了两三年的时间。

这个驱鼠剂盒子采用亚麻增强PLA制成,是Steinwall公司生产的一款中批量商业化产品
用亚麻增强PLA制成的驱鼠剂盒子是Steinwall公司生产的一款中批量商业化产品

Dworshak指出,在这两个案例中,客户都选择生物材料作为“天然”和“可持续性的”解决方案。与采用传统材料相比,他们要为每磅材料多支付大约30%的费用,但是他们还是十分愿意。

限制增强PLA复合材料在工程应用领域增长的因素之一是这些材料的来源和可用性有限。“这个供应链仍在发展之中。”Dworshak表示。与之相比,采用常规树脂(如聚丙烯)的天然纤维复合材料更容易获得。Dworshak认为,这类材料与填充滑石粉的复合材料相比具有成本竞争力,如大麻填充聚丙烯的价格为1.15$/lb(1lb=0.4536kg)。除了“天然性”这一优势外,这些材料在某些情况下也是十分具有吸引力的,因为它们利用了本来可能会成为农业废弃物(如稻壳、龙舌兰和来自锯末的木纤维)的材料。但Dworshak也承认,天然纤维使回收变得复杂,因为它们对再加工具有热敏感性。

尽管如此,天然纤维仍然引起了很多领域的关注和兴趣,特别是汽车工业。2019年1月,Steinwall公司组织了一个面向主要汽车制造商和农业设备制造商的成型演示会。在这场演示中,Steinwall公司采用聚丙烯复合材料进行了内饰部件的生产。这款聚丙烯材料中填充了龙舌兰、稻壳、椰子和木纤维。所有复合材料均由位于密歇根州Whitmore Lake的RheTech公司提供。“我们提供给他们样品来展示不同天然填料所带来的不同外观特性。”Buerkley说,“由于我们的技术团队和公司围绕生物基塑料进行工艺开发的悠久历史,使得我们首次尝试就成功地成型出了这些零部件。”

这个盖子采用椰子纤维增强聚丙烯制成
用椰子纤维增强聚丙烯制成的盖子是为汽车和农业设备制造商生产的一种测试部件