TW201738344A - 射出成型用結合劑 - Google Patents

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Abstract

本發明係提出一種射出成型用結合劑，其包含佔約3至約20%重量百分比的帶有順丁烯二酸酐基團的聚烯烴、佔約30至約40%重量百分比的聚烯烴化合物、佔約5至約20%重量百分比的聚甲醛、佔約1至約5%重量百分比的硬脂酸及佔約35至約60%重量百分比的蠟。本發明之射出成型用結合劑的特點為利用帶有順丁烯二酸酐基團的聚烯烴與聚烯烴化合物及聚甲醛鍵結，以提升結合劑成分間的相容性，延長其熱裂解時間，達到減少物件的缺陷，提高其尺寸的精確度及一致性之功效。

Description

射出成型用結合劑
本發明係關於一種射出成型用結合劑，尤其是用於金屬粉末或陶瓷粉末射出成型的結合劑。
粉末射出成型為一種零件製造技術，其結合了塑膠射出成型與粉末的技術，其中主要又可分為金屬粉末射出成型(Metal Injection Molding, MIM)及陶瓷粉末射出成型(Ceramic Injection Molding, CIM)兩大應用領域，此等技術具有表面狀態良好、成型循環快、精密度高且品質均勻、適合大量生產複雜形狀並可減少後續加工等等的優點，故受到工業界廣泛的重視。粉末射出成型的基本步驟為將金屬粉末或陶瓷粉末加入結合劑(binder)中，以結合劑為載體，於適當溫度下混煉(blending)為待塑料，之後經射出機射出成型為生胚，再經脫脂過程脫除生胚中的結合劑，然後燒結成零件。以上過程中皆牽涉結合劑與粉末之間的相互作用，故結合劑的性質對物件能否成功成型，甚至進一步達成高精密度的要求有密切的關係。
結合劑主要的功能為提供載體，降低粉末間的摩擦力，使其具有流動性，且在脫脂時仍可維持生胚形狀。而單一成分的結合劑不容易同時擁有多種特性，故結合劑通常為多成分設計，其帶來的優點為在脫脂過程時，可逐漸移除各成分，避免瞬間脫去大量的結合劑而導致物件變形或崩解，同時，先被移除的成分(例如石蠟、微晶蠟等)亦可產生初期孔道，以利脫脂過程中產生的氣體能順利擴散至生胚外，避免胚體產生膨脹破裂。
優良的結合劑必須使混煉後的待塑料具有良好的流動性及成形性，且需具有分散粉體的作用，避免粉體顆粒結塊，以及在脫脂後生胚不易崩塌，易於受熱去除而不產生殘碳等等的特性。然而，多成分的結合劑中所使用的高分子通常具有晶質(例如聚甲醛(Polyoxymethylene, POM))與非晶質(聚乙烯(Polyethylene, PE))的特性，因其性質的差異及結構的不同，影響彼此間的相容性，導致組成的結合劑產生不均勻的現象。此種不均勻的情況會使得(1)待塑料缺乏良好的流動性，增加製程所需花費的時間，且在複雜之射出成型零件的狀況下，甚至會造成不完全的鑄模充填；以及(2)讓射出成型生胚在後續的脫脂過程中，因受熱分解的速率不一致而產生缺陷(例如變形)。以上所述即為產品尺寸、精密度不易控制的主要原因，因此有必要對於結合劑中各成分之間的相容性進行加強，以滿足對高品質粉末射出成型零件的市場需求。
有鑑於上述習知之問題，本發明之目的在於提供一種射出成型用結合劑，提升結合劑中各成分之間的相容性以滿足製造高品質的粉末射出成型品之需求。
根據上述之目的，本發明係提出一種射出成型用結合劑，其可包含：帶有順丁烯二酸酐(maleic anhydride)基團的聚烯烴、聚烯烴化合物、聚甲醛、硬脂酸(stearic acid)及蠟。其中，帶有順丁烯二酸酐基團的聚烯烴的平均分子量可為約90,000至約110,000。
較佳者，其中聚烯烴化合物及聚甲醛可藉由分別與帶有順丁烯二酸酐基團的聚烯烴形成鍵結而接合。
較佳者，帶有順丁烯二酸酐基團的聚烯烴可佔射出成型用結合劑約3至約20%的重量百分比；該聚烯烴化合物可佔該射出成型用結合劑約30至約40%的重量百分比；聚甲醛可佔該射出成型用結合劑約5至約20%的重量百分比；硬脂酸可佔該射出成型用結合劑約1至約5%的重量百分比；以及該蠟可佔該射出成型用結合劑約35至約60%的重量百分比。
較佳者，其中聚烯烴化合物可包含密度為約0.950至約0.965g/cm3 的高密度聚乙烯(high density polyethylene, HDPE)或密度為約0.915至約0.930g/cm3 的低密度聚乙烯(low density polyethylene, LDPE)；蠟可選自由石蠟、密蠟、巴西蠟、微結晶蠟及其組合所組成的群組中。
本發明亦提供一種用來製造成型物件的組合物，其可包含約30至約50體積%之本發明的射出成型用結合劑；以及約50至70體積%之可燒結粉末。其中，所述組合物可在約170 至約190 ℃下將本發明的射出成型用結合劑與可燒結粉末混煉約90至約150分鐘而得。
較佳者，可燒結粉末可選自由金屬粉末、金屬合金粉末、金屬羰基粉末、陶瓷粉末及其組合所組成的群組中。
承上所述，依本發明之射出成型用結合劑能藉由帶有順丁烯二酸酐基團的聚烯烴與聚烯烴化合物及聚甲醛形成鍵結，以達到提高結合劑本身的相容性之功效，並藉此延長結合劑熱分解的溫度區間以降低燒結時產生缺陷的機率。此外，結合劑之相容性提高亦有助於提升生胚之流動性，能避免射出成型時短射(shortshots)，造成流痕(flowing mark)、結合線(welding line)等不美觀表面。
本發明之第一實施例提供了一種五成分系的結合劑組合物，以應用於射出成型，其可包含帶有順丁烯二酸酐基團的聚烯烴、聚烯烴化合物、聚甲醛、硬脂酸及蠟。在此實施例中，帶有順丁烯二酸酐基團的聚烯烴的平均分子量可為約90,000至約110,000，較佳為約100,000。聚烯烴化合物可包含密度為約0.950至約0.965g/cm3 的高密度聚乙烯 (HDPE)或密度為約0.915至約0.930g/cm3 的低密度聚乙烯(LDPE)，較佳為高密度聚乙烯。蠟可選自由石蠟、密蠟、巴西蠟、微結晶蠟及其組合所組成的群組中，較佳為石蠟、微結晶蠟及其組合所組成的群組，但不限於此。
根據此第一實施例，將帶有順丁烯二酸酐基團的聚烯烴、聚烯烴化合物、聚甲醛、硬脂酸及蠟在約170至約190 ℃下均勻混合約90至約150分鐘，較佳為在約180 ℃下均勻混合約120分鐘，可得到具有高相容性的結合劑，其中帶有順丁烯二酸酐基團的聚烯烴可佔射出成型用結合劑約3至約20%的重量百分比，較佳為約3%；聚烯烴化合物可佔射出成型用結合劑約30至約40%的重量百分比，較佳為約33%；聚甲醛可佔射出成型用結合劑約5至約20%的重量百分比，較佳為約11%；硬脂酸可佔射出成型用結合劑約1至約5%的重量百分比，較佳為約3%；以及蠟可佔射出成型用結合劑約35至約60%的重量百分比，較佳為約50%。
請參照第1圖，其係為本發明第二實施例之射出成型用結合劑、高密度聚乙烯、聚甲醛及第一比較例之熱重分析結果圖。在本發明第二實施例中，帶有順丁烯二酸酐基團的聚烯烴可為經順丁烯二酸酐改質的線性低密度聚乙烯(maleic anhydride modified low-density polyethylene, OREVAC® 18302N，密度為0.912 g/cm3 )，佔射出成型用結合劑約3%的重量百分比；聚烯烴化合物可為高密度聚乙烯，其密度為0.955 g/cm3 ，係佔射出成型用結合劑約33%的重量百分比；聚甲醛係佔射出成型用結合劑約11%的重量百分比；硬脂酸，係佔射出成型用結合劑約3%的重量百分比；以及蠟，係佔射出成型用結合劑約50%的重量百分比，其中石蠟與微結晶蠟比例為2：1。將上述5種成分在約180 ℃下均勻混合約120分鐘，即可得到本發明第二實施例之射出成型用結合劑。此外，另提供第一比較例，在第一比較例中，除了使用乙烯-醋酸乙烯共聚物(ethylene vinyl acetate copolymer, EVA)取代經順丁烯二酸酐改質的線性低密度聚乙烯之外，其餘的組成比例及混合方法皆與本發明第二實施例之射出成型用結合劑相同。藉由熱重分析儀分別對本發明第二實施例之射出成型用結合劑、高密度聚乙烯、聚甲醛及第一比較例做熱重分析，可得到彼等在不同溫度下的重量燒失曲線。如圖所示，可以悉知單一化合物，也就是聚甲醛的重量燒失曲線A及高密度聚乙烯的重量燒失曲線B從開始熱分解至熱分解結束的溫度區間相當狹窄，皆僅為約80 ℃的區間(聚甲醛為約320 至約400 ℃；高密度聚乙烯為約380 至約460 ℃)。而本實施例之射出成型用結合劑的重量燒失曲線C之熱分解過程則有約290 ℃的廣泛區間(約200至490 ℃)。相較之下，第一比較例的重量燒失曲線D僅有約265 ℃的溫度區間(約200至465 ℃)。
上述結果顯示，本發明第二實施例之射出成型用結合劑為一具有高相容性之結合劑。其基本原理為帶有順丁烯二酸酐基團的聚烯烴與聚烯烴化合物及聚甲醛可形成鍵結，使原本相容性不佳的聚烯烴化合物及聚甲醛藉由化學鍵結合在一起，提升此結合劑的相容性表現，從而使熱裂解區間顯著延長。此外，比起僅利用凡得瓦力來提升結合劑成分之間相容性的先前技術(例如乙烯-醋酸乙烯共聚物與聚乙烯)，本案因具有化學鍵之存在，故於生胚的強度上佔有優勢。
請參照第2圖，其係為本發明第三實施例之利用本發明之射出成型用結合劑製造射出成型物件之流程圖。在此實施例中，結合劑為本發明之射出成型用結合劑。可燒結粉末可選自金屬粉末、金屬合金粉末、金屬羰基粉末、陶瓷粉末及其組合所組成的群組中，但不限於此。如圖所示，其實施流程可包含下列步驟：
步驟S1：將本發明之射出成型用結合劑與可燒結粉末均勻混合。其中，本發明之射出成型用結合劑佔體積百分比約30至約50%且可燒結粉末佔體積百分比約50至約70%。
步驟S2：將步驟S1中所得之混合物在約180 ℃下混煉約120分鐘，可得到組合物。
步驟S3：將步驟S2中所得之組合物冷卻，接著進一步將其粉碎勻化後造粒，以利射出成型機給料。
步驟S4：利用射出成型機將步驟S3中所得之料粒射出成型為所需的物件生胚。
步驟S5：將物件生胚中放入脫脂爐，在約800 ℃下持溫約120分鐘以去除結合劑。
步驟S6：將脫脂後的物件生胚放入燒結爐，在約1,200至約1,360 ℃，較佳為約1,360 ℃下持溫約120至約240分鐘，較佳為約120分鐘以燒結生胚，即可得到所需物件。
請參照第3圖，其係為應用第2圖之流程所得之第二比較例之生胚燒結後照片。第二比較例與本發明第三實施例大致相同，且步驟S1中的射出成型用結合劑佔體積百分比約40%且可燒結粉末佔體積百分比約60%，不同之僅在於第二比較例的射出成型用結合劑僅由經順丁烯二酸酐改質的線性低密度聚乙烯、硬脂酸及蠟組成，其中，經順丁烯二酸酐改質的線性低密度聚乙烯佔射出成型用結合劑約47%的重量百分比；硬脂酸佔射出成型用結合劑約3%的重量百分比；以及蠟佔射出成型用結合劑約50%的重量百分比，且石蠟與微結晶蠟比例為2：1。如圖所示，能夠悉知經順丁烯二酸酐改質的線性低密度聚乙烯自身即可將可燒結粉末結合，並能形成具有一定強度的生胚，惟生胚燒結後之變形狀況不甚理想，呈現大幅彎曲狀態。
請參照第4圖，其係為本發明第三實施例之生胚燒結後照片。在此實施例中，所用之結合劑為本發明第二實施例之射出成型用結合劑，且步驟S1中的射出成型用結合劑佔體積百分比約40%且可燒結粉末佔體積百分比約60%。對照第3圖及第4圖可知根據本發明第三實施例製得之物件的變形狀況明顯較根據第二比較例製得之物件為小，由此可證實本發明之結合劑除了能夠解決聚甲醛與高密度聚乙烯之間的相容性不良之問題，且能進一步改善燒結時產生缺陷或變形的狀況。
請參照第5圖，其係為本發明第四實施例之組合物與第三比較例之黏度與剪率之結果圖。在本發明第四實施例中，組合物可依照第2圖中的步驟S1至S2製得，其中射出成型用結合劑可與本發明第二實施例之射出成型用結合劑相同，且可燒結粉末可為金屬粉末(三菱17-4PH)。在第三比較例中，除了使用日本ATECT公司之M3結合劑取代本發明第二實施例之射出成型用結合劑之外，其餘皆與本發明第四實施例相同。如圖所示，第四實施例之組合物的黏度在測量的剪率範圍內比第三比較例的黏度小或大致上相同。由此能夠悉知，本發明第四實施例之組合物比起使用市售之結合劑而製得的組合物具有較高或大致上相同的流動性，可藉此在之後的射出填模過程中達到較好或大致上相同的填充率。
綜上所述，由本發明之射出成型用結合劑所組成的組合物，因結合劑中帶有順丁烯二酸酐基團的聚烯烴與聚烯烴化合物及聚甲醛形成鍵結，故能夠解決聚甲醛與高密度聚乙烯之間的相容性不良之問題，令其相容性提高，從而使其熱裂解區間比起使用乙烯-醋酸乙烯共聚物之結合劑的先前技術有顯著的延長。利用此特點，可令生胚在脫脂及燒結的過程中，緩慢均勻地脫去結合劑，避免因短時間內脫去過多結合劑而導致物件變形或崩解，故能有效減少物件的缺陷，提高其尺寸的精確度及一致性。此外，結合劑之相容性提高亦有助於提升組合物之流動性，填模時能避免形成生胚內部氣泡或因填模不完全而在模具角落產生孔洞或缺角。最後，由本發明之射出成型用結合劑所組成的組合物僅需高溫燒結即可移除結合劑，不需要容易產生污染及造成後續廢棄物處理問題的溶脫及酸脫製程。
以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。
S1~S6‧‧‧步驟。
第1圖係為本發明第二實施例之射出成型用結合劑、高密度聚乙烯、聚甲醛及第一比較例之熱重分析(Thermogravimetric Analysis, TGA)結果圖。
第2圖係為本發明第三實施例之利用本發明之射出成型用結合劑製造射出成型物件之流程圖。
第3圖係為應用第2圖之流程所得之第二比較例之生胚燒結後照片。
第4圖係為本發明第三實施例之生胚燒結後照片。
第5圖係為本發明第四實施例與第三比較例之黏度與剪率(shear rate)之結果圖。

Claims (6)

  1. 一種射出成型用結合劑，其包含： 帶有順丁烯二酸酐基團的聚烯烴； 聚烯烴化合物； 聚甲醛； 硬脂酸；以及 蠟， 其中，該帶有順丁烯二酸酐基團的聚烯烴的平均分子量為約90,000至約110,000。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之射出成型用結合劑，其中該聚烯烴化合物及聚甲醛係藉由分別與該帶有順丁烯二酸酐基團的聚烯烴形成鍵結而接合。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之射出成型用結合劑，其中該帶有順丁烯二酸酐基團的聚烯烴佔該射出成型用結合劑約3至約20%的重量百分比；該聚烯烴化合物佔該射出成型用結合劑約30至約40%的重量百分比；聚甲醛佔該射出成型用結合劑約5至約20%的重量百分比；硬脂酸佔該射出成型用結合劑約1至約5%的重量百分比；以及該蠟佔該射出成型用結合劑約35至約60%的重量百分比。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之射出成型用結合劑，其中該聚烯烴化合物係包含密度為約0.950至約0.965g/cm3 的高密度聚乙烯或密度為約0.915至約0.930g/cm3 的低密度聚乙烯；該蠟係選自由石蠟、密蠟、巴西蠟、微結晶蠟及其組合所組成的群組中。
  5. 一種用來製造成型物件的組合物，其包含： 約30至約50體積%之如申請專利範圍第1至4項之任一項的射出成型用結合劑；以及 約50至約70體積%之一可燒結粉末， 其中，該組合物係在約170 ℃至約190 ℃下將如申請專利範圍第1至4項之任一項的射出成型用結合劑與該可燒結粉末混煉約90至約150分鐘而得。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之組合物，其中該可燒結粉末係選自由金屬粉末、金屬合金粉末、金屬羰基粉末、陶瓷粉末及其組合所組成的群組中。
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