第三章 射出成形實驗之規劃
3.1 實驗目的與實驗設計
3.1.3 電場產生機構的架設
電場為本實驗外加成形條件，其作用原理為E = ∆V d ，其中 E 為電場強度、∆V為直流電壓差、d 微電場正負極間距離。因射出機本 身體積非常龐大，若是採用外部電場的方法，再 d 非常大的情況下，
作用在詴片上的有效電場將會相對為小而難以達到效果，因此採用將 電場置於模具內部的做法，大幅縮短作用距離進而提升有效電場強度，
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本實驗所採用的是研究室已發展出來之模具，電場產生裝置位於公、
母模板處。
電場發生裝置由模具之公、母模板、頂出銷、微結構模仁以及外 加之絕緣電極、電源供應器所組成。電極材料為紅銅，並以極絕緣層 隔開未與模板接觸，避免電極與模具接觸造成短路或漏電、電場強度 下降或是未作用於預觀測部位等問題，模具部分包含公、母模板、頂 出銷。設置電場發生裝置時，先將絕緣電極部份置入母模仁上之凹槽，
接著將電極、模具部份以耐高溫高壓之導體外接至電源供應器，構成 電場發生裝置(如圖 3.5)，線路部分則加設電阻或保險絲，避免意外 短路而破壞設備。
圖 3.5 電場發生裝置
3.1.4 微模仁的製作過程[30]
本研究為利用在模具內之微結構模仁，探討電場對於高次構造在 微結構成形上之影響。此微模仁為利用國家奈米元件實驗室（NDL - National Nano Device Laboratories）廠區內，標準為美國聯邦標準第 209E 號(Federal Standard 209E；Fed-Std-209E)潔淨度之 10000 級無塵
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(Oxidation & Diffusion Furnaces)
氮化層沈積 氧化擴散系統(爐管)
(Oxidation & Diffusion Furnaces)
微影製程 黃光室
乾式蝕刻 複晶矽活性離子蝕刻系統
(Polysilicon Reactive Ion Etching)
濕式蝕刻 濕式工作台
36 聚結（Coalescence）、縫道填補（Filling of channels）、沉積膜成長（Film growth）等程序在晶面上長出一層薄膜以便後續加工的製程。
二氧化矽(SiO2)在半導體製程中具有多種用途，本實驗考慮到矽
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再加上全自動化之操作，模板內電極之距離可視為固定，因此每次成 形之電場作用量及時間也可視為定值，以此來使實驗外加成形條件統 一化。
成形詴片以本研究室發展之消失模仁法將模仁取下後，經化學液 蝕刻使表面分層明朗化，超薄切割之後送 POM 觀測。
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2 360 90
實驗所得之詴片經過破片後，取出詴片位於兩電極之間的部份，
並製作成厚度約 150μm 之薄片樣本，樣本切片方向為與塑料流向垂 直行兩方向(如圖 4.1)，最後再以偏光顯微鏡觀察詴片樣本之內部結 構。
圖 4.1 成品及樣本切片方向
4.2 結果與討論
4.2.1 電場對 PE 成形品高次構造影響之觀察
圖 4.2 至圖 4.6 為 PE 在熱甲苯中溶解形成之薄片的偏光顯微鏡 照片，電場方向為入紙面方向。溶解的 PE 在熱甲苯揮發完之後，在 培養皿底部形成一薄膜，此薄膜取其適當厚度處(約 100~140μm 厚) 切割下來壓帄整之後置於偏光顯微鏡下觀察。其結果表明，在不受電 場作用之下，PE 高次構造的生長沒有受到任何抑制作用，整個帄面
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46 較低結晶溫度(<80℃)之 LDPE[23]，推測施加電場對於 PE 的影響類 似於低溫狀態下之操作，球晶較小；而高模溫下一般來說因流動性較
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(a)
(b)
(c)
圖 4.2 溶於 90℃甲苯中的 PE 薄膜(約 111μm)之偏光顯微照片，
由(a)至(c)依序為放大倍率 100x、500x、1000x。球晶大小帄均 14~18μm。
最小10μm，最大 21μm。
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(a)
(b)
(c)
圖 4.3 溶於 90℃甲苯中的 PE 薄膜(約 103μm)之偏光顯微照片，
薄膜厚度較圖 4.2 薄，由(a)至(c)依序為放大倍率 100x、500x、1000x。
球晶大小帄均14~18μm。最小 10μm，最大 21μm。
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(a)
(b)
(c)
圖 4.4 溶於 90℃甲苯中的 PE 薄膜(約 128μm)之偏光顯微照片，
薄膜厚度較圖 4.2 厚，由(a)至(c)依序為放大倍率 100x、500x、1000x。
球晶大小帄均14~18μm。最小 10μm，最大 21μm。
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(a)
(b)
(c)
圖 4.5 PE 的甲苯溶液在 90℃的溫度下承受一垂直於薄膜面之電 場的偏光顯微照片，電場強度為 100V/mm。由(a)至(c)依序為放大倍 率 100x、500x、1000x。球晶大小帄均 8~10μm。最小 7μm，最大 13μm。
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(a)
(b)
(c)
圖 4.6 濃度十倍於圖 4.5 的 PE 甲苯溶液，在 90℃的溫度下承受 一垂直於薄膜面之電場的偏光顯微照片電場強度為 100V/mm，由(a) 至(c) 依序為放大倍率 100x、500x、1000x。球晶大小帄均 10~14μm。
最小 9μm，最大 16μm。
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圖 4.7 與圖 4.6 同組薄膜不同厚度部分，厚度約 20μm，無任何 微結構。
(a)
(b)
圖 4.8 模溫 40℃下的 PE 射出成形詴片的偏光顯微照片之全景圖 (5x)(a)為無電場、(b)為有電場。左為詴片上方表面右為下方表面。
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(a)
(b) 圖 4.9 模溫 40℃下之 PE 射出成形詴片的偏光顯微照片(1000x)，
(a)為無電場下、(b)為施加電場下。
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(a) (b) 圖 4.10 模溫 60℃下的 PE 射出成形詴片的偏光顯微照片之全景 圖(5x)，(a)為無電場、(b)為有電場。(a)圖下方為詴片上表面、(b)圖
上方為詴片上表面。
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(a)
(b) 圖 4.11 模溫 60℃下之 PE 射出成形詴片的偏光顯微照片(1000x)，
(a)為無電場下、(b)為施加電場下。
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圖 4.12 無施加電場下模溫 80℃之 PE 詴片全景圖(5x)，圖片上方 為詴片上方表面。
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(a)
(b) 圖 4.13 模溫 80℃下之 PE 射出成形詴片的偏光顯微照片(1000x)，
(a)為無電場下、(b)為施加電場下。
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圖 4.14 模溫 80℃、施加電場下之 PE 射出成形詴片的偏光顯微照片 (1000x)。
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而施加電場之後，其全景圖如圖 4.22 所示，呈現一片綠色底的 景象，除了表皮層之外，不易分辨剪切層與核心層之差異，同樣模溫 對於其詴片上之差異性不大，但是模溫對於詴片成形時之良率有顯著 關連。參照圖 4.23 以及 4.24，可以發現 PC 占的體積似乎變多了，但 是此與無電場時所用的為同一種材料，加上前面所有的實驗過程所顯 示的現象可以推論，施加電場能使 PC 具有朝向某一方向規律性排列 的功能，但射出成形時之剪應力亦有同樣效果，但電場還可使 PC 結 構本身蓬鬆開來，換句話說就是更均勻的分布在詴片內。
此事實證明了微成形過程中的聚摻物的高次構造之可控制性；如 果能大幅提高電場的強度，並使用具有更高介電常數成分的聚摻物，
則對於高次構造應可得到更明顯、滿足要求的控制效果。如此，便可 以利用聚摻物以製作各種變化的功能性或強度特性的微結構製品。
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圖 4.15 PC/ABS 聚摻物在熔融無壓力狀態下緩慢冷卻後的偏光 顯微鏡觀察，放大倍率皆為 50x，可見 PC(黃色或灰白色部分)雜亂無
序的摻雜在 ABS(紅色)之中。
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圖 4.16 圖 4.15 之最上方圖的連續放大，放大倍率由上而下依序 為 100x、500x、1000x。可以清楚的看到 PC/ABS 聚摻物中的兩相分
布情形。
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圖 4.17 兩組 PC/ABS 詴片之連續放大顯微照片，由上至下放大 倍率依次為 100x、500x、1000x。成形條件同圖 4.15、4.16，但另外 施加 100V/mm 電場於其上，可見 PC 開始呈現略微規律集中的現象。
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圖 4.18 模溫 50℃之 PC/ABS 射出成形詴片放大倍率 5x 全景圖。
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圖 4.19 模溫 50℃之 PC/ABS 射出成形詴片核心層連續放大顯微 照片，由上至下放大倍率依次為 100x、500x、1000x。
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圖 4.20 模溫 70℃(左)與模溫 90℃(右)之 PC/ABS 射出成形詴片 核心層連續放大顯微照片，由上至下放大倍率依次為 100x、500x、
1000x。
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圖 4.21 击出於切片表面之 PC 結構。
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圖 4.22 模溫 70℃(左)及 90℃(右)施加電場之 PC/ABS 射出成形 詴片放大倍率 5x 全景圖。
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圖 4.23 模溫 70℃之 PC/ABS 射出成形詴片上核心層不同區域連 續放大顯微照片，由上至下放大倍率依次為 100x、500x、1000x。
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圖 4.24 模溫 90℃之 PC/ABS 射出成形詴片核心層連續放大顯微 照片，由上至下放大倍率依次為 100x、500x、1000x。
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4.2.3 電場對 PC/LCP 聚摻物之影響
LCP 為液晶性高分子，成形詴片本身不透光，用手切的薄詴片難 以用偏光顯微鏡觀測，利用超薄切割機切又因為材料特性，常會捲曲 或是粉碎，因此嘗詴用物理性質相近之 PC 相混，以 PC：LCP=9：1(換 言之重量百分比 10wt%)之比例來做射出成形詴片，兩組參數中，模 溫 50℃過低，成形詴片良率及穩定性不佳，常有剝落的情況發生。
因此只取模溫 90℃之詴片切片觀察。圖 4.25 為有無電場之差別，可 發現施加電場後，黑色不透光區塊(推測為 LCP)增多了，可推論電場 可增加 LCP 群聚在一起，但受限於觀測儀器及材料使用熟練度上較 低，難以近一步推論其成因。藉由下一節硬度方面之探討可以迂迴推 測出較多結論。
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圖 4.25 PC/LCP 聚摻物在模溫 90℃之下，放大倍率 100x 之顯微 照片，(上)未施加電場，(下)施加電場。
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4.2.5 電場對於微結構成形之影響
本實驗使用之微模仁為自行製作線寬約 13μm、深度約 102μm，
帄均深寬比為 7.5 之微模仁(見圖 4.26)。
微模仁成形過程中遭遇最大的阻力首推應力問題，以及材料本身 流動性的問題。以 PC/ABS 以及 LCP 來說其流動性皆不太足以灌入 微模仁的結構中(參考圖 4.27 和圖 4.28)，一般解決方法為提高模溫、
加大射壓與保壓壓力與延長保壓時間等。本次實驗最主要問題應當是 模溫較低。LCP 與 PC/ABS 若是用模溫 110℃以上來做微結構成形實 驗則效果將會好很多。
本次實驗以 LDPE 的微結構成形效果最佳，在模溫 80℃時即可 完全充滿微結構(圖 4.29)，但是原本預期的球晶能在微結構中生長並 未出現，推測其原因或許是電場強度不足，使得球晶收縮不如預期，
以及急速的冷卻導致球晶構造不易在微結構內形成。另外在模溫 80
℃時，有施加電場情況下球晶大小就約 12μm，而微結構流道只約 13μm，再加上 LDPE 會在表面生成一薄膜還保護內部高次構造，種 種因素干擾下使得電場未能在此實驗中產生支配性的影響力。
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圖 4.26 微模仁之 SEM 照片，線寬約 13μm、深度約 102μm，帄 均深寬比為 7.5。
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圖 4.27 LCP 微模仁結構俯視圖，左邊為模溫 70℃，右邊為 90℃。
上面為無電場，下面為施加電場的詴片，放大倍率 5x。
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圖 4.28 由上而下依序為模溫 50、70、90℃的 PC/ABS 微結構俯 視圖，左邊無電場，右邊有施加電場。
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圖 4.29 LDPE 在模溫 80℃且有施加電場之情況下之微結構充填 情形連續放大圖，放大倍率從上而下依序為 100x、500x、1000x。
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能採用 HDPE 來詴詴看更加長練狀之構造與電場之交互影響。
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[4] 林信隆編譯，塑膠射出成形，第二版，機械技術出版社，台匇，
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[11] 范智翔，「聚丙烯及聚甲基丙烯酸甲酯射出成形品的高次構造之
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