塑膠加工中顏料熱降解的預防與控制精要

I. 執行摘要與核心問題

塑膠加工過程中顏料（著色劑）的熱穩定性失效，通常是因實際熔體內部溫度（T_{melt, actual}）過高或停留時間（RTD）過久所致。這不僅導致產品色相漂移或產生黑點，更重要的是，它是基體樹脂（聚合物）開始熱降解的「警鐘」，可能影響最終產品的機械性能和耐候性。

核心問題在於製程控制的兩大盲點：

• 隱藏的熱源： 忽略螺桿旋轉等機械能輸入轉化成的剪切生熱，導致 T_{melt, actual} 遠高於機筒設定溫度（T_barrel）。
• 熱歷史的分佈不均： 忽略熔體在料管或流道滯留區（Dead Zones）的極長停留時間，導致局部材料過度降解。

本守則強調，預防顏料熱降解必須依賴精確的溫度監測、優化的製程參數和系統性的材料設計。

II. 顏料失效的兩大核心機制

顏料失效不是單一原因，而是「高溫」和「化學環境」共同作用的結果。

2.1 機制一：內部熔體溫度失控（剪切生熱）

在射出或擠出過程中，螺桿對熔體施加的機械功會產生大量的剪切生熱（Shear Heating）。這使得熔體核心溫度 T_{melt, actual} 顯著高於外部設定的 T_barrel。

• 流變學基礎： 聚合物熔體是非牛頓流體，在高剪切速率下黏度會下降（剪切變稀）。然而，高剪切速率也同時將機械能大量轉化為熱能。
• 熱負荷積累區： 這種溫度尖峰特別容易出現在：高螺桿轉速、高背壓、高黏度材料，以及狹窄的流道和噴嘴區域。

2.2 機制二：延長停留時間（RTD）與化學攻擊

長時間的熱暴露會導致聚合物降解和著色劑的熱分解。

• 滯留區風險： 在料管與噴嘴的連接處、螺桿末端或熱澆道的銳角處，熔體流動速度極低，材料在此處長時間滯留。這些材料承受了極長的熱歷史，發生嚴重降解，並在後續批次中產生黑點或顏色異常。
• 熱化學反應： 熔體在高溫下可能釋放酸性或鹼性降解產物（例如 PVC 釋放鹵化氫 HCl），這些產物會攻擊對酸性不耐受的顏料，導致變色。
• 助劑相容性衝突： 顏料還可能與助劑（如抗氧劑或穩定劑）在高溫下發生化學反應，例如含硫顏料不應與含鉛助劑共用。這類反應不僅影響顏色，還可能削弱抗氧劑功能，使樹脂整體熱穩定性變差。

2.3 製程調整與顏料成本選擇的平衡策略

在實際生產中，製程參數的調整與顏料成本選擇必須取得平衡，以確保產品品質與經濟效益。

• 溫度與成本的權衡： 降低加工溫度可減少顏料熱降解風險，但可能導致熔體黏度增加，需要更長的加工週期。此時，選擇耐溫性較高但成本較高的顏料（如某些高性能有機顏料）可能比調整製程參數更經濟。
• 停留時間與配方優化： 縮短停留時間需要優化螺桿設計和流道幾何，這涉及設備改造成本。相比之下，選擇熱穩定性更好的顏料（如某些無機顏料）可能更具成本效益，但需接受較低的著色力。
• 顏料濃度與分散性： 高著色力顏料可減少添加量，降低材料成本，但可能需要更高的分散要求。這需要平衡顏料成本與分散助劑成本，以及加工設備的分散能力。
• 品質成本考量： 顏料熱降解導致的產品報廢成本遠高於選擇更穩定顏料的額外成本。因此，在關鍵應用中（如汽車、電子產品），應優先考慮顏料的熱穩定性而非僅僅比較單價。