高分子材料先進制造的微積分思想

楊衛民

(1.北京化工大學機電工程學院,高分子材料先進制造英藍實驗室,北京100029;2.青島科技大學機電工程學院,高分子材料先進制造山東省重點實驗室,山東青島266061)

高分子材料先進制造的微積分思想

楊衛民1,2

(1.北京化工大學機電工程學院,高分子材料先進制造英藍實驗室,北京100029;2.青島科技大學機電工程學院,高分子材料先進制造山東省重點實驗室,山東青島266061)

為了解決現代制造業發展進程中,高分子制品微型精密化和大型復雜化所遇到的瓶頸問題,提出了高分子材料先進制造的微積分思想。基于這一思想,在高分子材料注射成型、擠出成型、靜電紡絲、納米復合材料制備和制品結構創新等先進制造技術領域開展了比較系統的原理探索和方法研究,發明了一系列加工成型新方法、新裝備和制品應用新技術。通過部分工業化應用的實踐檢驗,證明高分子材料先進制造的微積分思想對于突破傳統制造模式的束縛、發展加工成型新方法和制品應用新技術具有一定的指導意義。

先進制造;高分子材料;微積分思想;靜電紡絲;注射成型;擠出成型

0 前言

人類文明的進步在很大程度上取決于制造業的發展。現代制造業主要是將金屬、無機非金屬和有機高分子材料加工成各種用途的制品。自1907年出現合成酚醛樹脂以來,高分子材料的人工合成和加工應用取得了突飛猛進的發展。高分子材料由于具有諸多優點,正越來越多地取代金屬和無機非金屬,成為現代制造業重要的基礎材料。從小至萬分之一克的微型精密齒輪到大至數噸重的巨型工程輪胎,可以看出高分子材料加工制造技術的發展前沿和明顯趨勢。目前,高分子材料加工成型仍然延續著傳統制造業的慣性思維模式:即用小型設備制造小型制品,用大型設備制造大型制品。沿著這一思路發展的工藝路線給高分子材料加工成型裝備提出了越來越嚴峻的挑戰。例如,在高分子材料的微注射成型裝備方面,當塑化注射螺桿縮小到12 mm時,已接近強度極限,進一步微小化就被迫回到了柱塞式注射成型的原始方法上;而在巨型工程輪胎制造裝備方面,每開發一種更大規格的輪胎就需要配套相應的加工成型裝備,設備投資規模和加工制造難度大幅度提高。這些問題已經成為制約高分子材料加工制造業繼續發展的一大瓶頸。筆者在研究解決這些問題的過程中,受到高等數學經典微積分原理的啟迪,提出了高分子材料先進制造的微積分思想。近年來,帶領研究團隊圍繞高分子材料加工成型和制品應用的微積分原理及可行方法,開展了較為系統的研究。目前,有些研究課題已進展到工業化應用階段,并取得了很好的效果。需要特別指出的是,盡管這一研究思路的萌生是源于經典數學的微積分原理,但在工程實際應用中不可能也無必要達到嚴格數學意義上的極限狀態。

1 微分、積分注射成型原理與方法

基于高分子材料先進制造的微積分思想,筆者提出了微分注射成型的概念,發明了一種微分注塑機。微分注塑機的關鍵是在高分子聚合物熔融塑化注射系統的前端設置微分泵,如圖1所示,其基本結構和工作原理如圖2所示。行星齒輪式熔體微分泵,具有一進多出且均勻分割計量的功能,對高分子熔體進行分流、輸送、增壓和計量注射,配合相應的模具實現微分注射成型。采用微分注射成型方法,可用一臺微分注塑機代替多臺微注塑機,高效率、低成本、大批量地制造微型高分子制品。

圖1 行星齒輪式熔體微分泵Fig.1 Planetary gear-type melt differential pump

圖2 微分注射成型原理Fig.2 Schematic diagram of differential injection molding

積分注射成型原理是與微分注射成型相反的流程,將相對較小的多股聚合物熔體匯聚,完成大容量注射成型加工作業。一種可行的實現方案是將圖1所示的微分泵進出口倒置成為積分泵,用多臺小型塑化裝置分別塑化供料,通過積分泵匯流后進入模腔,實現大型制品的精密注射成型。采用積分成型方法還有利于實現注射成型裝備的模塊化和標準化,可根據制品大小組合成為相應規格的成型裝備。

2 微分、積分擠出成型原理與方法

微分或積分擠出成型原理與微分或積分注射成型有著相似的熔體分流與匯流過程。圖3所示為筆者發明的熔體微分擠出機。微分擠出機通過微分泵,實現一個塑化系統同時均勻地擠出成型多條制品的功能,對于紡絲、光纖、電纜、型材等高效率生產裝備的研發具有重要意義。筆者同時還發明了熔體積分擠出機,其基本原理是通過積分泵的匯流作用,實現多臺小型塑化擠出系統同時供料生產大型高分子制品的目的。

在寬幅片材、大直徑管材和薄膜等加工成型中,熔體流動平衡和分布均勻性是影響制品品質的關鍵。根據微積分思想,筆者發明了一種大型高分子制品擠出成型方法及裝置,如圖4所示。這種新型擠出裝置的工作原理是,利用微分泵先對高分子熔體進行微分和等壓等流量輸送,然后再到模具內積分匯流,從而保障流動平衡,提高制品均勻性,降低模具設計與制造難度。在此基礎上還可衍生出多種擠出成型新方法。

圖3 微分擠出成型原理Fig.3 Schematic diagram of differential extrusion

圖4 微積分擠出成型原理Fig.4 Schematic diagram of differential and integral extrusion

3 微分、積分靜電紡絲原理與方法

靜電紡絲被認為是最有希望用于制造納米纖維的方法,但至今尚未進入大規模工業化應用階段。國內外在這一領域開展了大量的研究工作,主要有溶液電紡和熔融電紡兩條技術路線。從公開發表的專利和文獻來看,90%以上的工作都集中在溶液靜電紡絲方面。雖然溶液電紡在實驗室采用玻璃容器供料容易實現高壓電絕緣,但存在著溶劑回收的問題;而熔融電紡沒有溶劑揮發,但金屬料筒的高壓電絕緣等設備難題使得涉足這一領域的研究者十分罕見。上述兩條技術路線除了各自不同的難題之外,在實現工業化的道路上必須跨越的共同障礙是生產效率太低,典型的靜電紡絲采用毛細管噴頭,紡絲效率一般為0.001～1 g/h。

筆者帶領研究團隊直接針對裝備技術難度大,但具有節能環保優勢的熔融靜電紡絲技術進行攻關,成功解決了高分子熔體靜電紡絲裝置高壓絕緣等設備技術難題,同時還基于微積分思想,提出了熔體微分靜電紡絲原理,發明了一種高效率熔體靜電紡絲頭,如圖5所示。這種具有熔體微分功能的高效噴頭和傳統毛細管噴頭相比,紡絲效率可提高100倍以上。在此基礎上,還發明了一種多噴頭組合的積分式靜電紡絲板,如圖6所示,根據積分基數大小,產量還可再提高100倍以上,從而可以滿足工業化生產的要求。圖7是采用熔體微分高效靜電紡絲方法制得的聚丙烯超細纖維,直徑為190 nm,質地密實光滑。圖8是采用毛細管溶液靜電紡絲方法所制得的纖維,由于溶劑揮發造成了纖維表面的孔洞缺陷,會影響到纖維的強度。不難看出,與溶液法相比,筆者發明的超細纖維熔體靜電紡絲技術不僅環保節能,而且產品性能也有顯著提高。在此基礎上,還發明了一些熔融靜電紡絲的新技術。

圖5 熔體微分靜電紡絲頭Fig.5 Differential melt electrostatic spinning head

圖6 積分式靜電紡絲板Fig.6 Integral electrostatic spinning plate

4 納米復合材料加工的微積分原理與方法

圖7 熔體微分電紡纖維電鏡照片Fig.7 SEM micrograph for differential electrostatic spinning fiber

圖8 溶液靜電紡絲電鏡照片Fig.8 SEM micrograph for solution electrostatic spinning fibers

高分子材料先進制造微積分思想的正確性在制備納米復合材料方面也有很好的例證。關于這方面的研究,最早有 Shrenk等申請的美國專利 3557265、3565985、3884606,以及近年國內學者郭少云等申請的中國專利CN1511694A和200610022348.6。如圖9、10所示,其主要技術特征在于通過一種分疊器將入口端的片狀復合高分子熔體分割為兩股或四股,然后上下錯開分流,再展寬交匯實現一次折疊。通過多個分疊器串聯使用可得到多層結構的高分子材料。這種新方法在制備諸如彩虹膜等微層復合材料等方面已經得到了成功應用。但是,前述的發明還存在一個共同的缺點:分疊器流道從分流到匯流疊合的過程中存在著熔體流動路徑均衡性差的問題,如圖10所示,不僅給設備的設計和制造帶來很大的困難,而且難以保障熔體微分積分過程的分層均勻性。

圖9 美國專利分疊器的照片Fig.9 Picture for sub-laminated device in US patent

圖10 分疊器流道Fig.10 Channel of sub-laminated device

針對上述不足,筆者發明了一種熔體分割效率高、流動均衡性好、分層過程中壓力損失小的疊層復合材料的制備裝置,如圖11、12所示,其核心是基于熔體微積分原理,提出了一種新型分疊器。利用這種新型分疊器,將兩種組分的高分子熔體匯流后經過5等分的分割和疊合,串聯6個,依次進行熔體微分和積分疊合,可得到總層數為2×56=31250層的多層復合結構體。該層狀熔體從1 mm厚的成型裝置的出口擠出,兩種高分子材料的層間厚度平均值為32 nm,如果進一步將其拉伸至于0.1 mm厚度時,該復合材料的層間厚度即可達到3.2 nm,利用本裝置可以制備層間厚度小于100 nm的納米復合材料。

圖11 新型分疊器的數字樣機Fig.11 The digtal prototype of the new sub-laminated device

圖12 新型分疊器流道Fig.12 Channel of new sub-laminated device

5 應用實例

高分子制品在國民經濟諸多領域應用已十分廣泛,而且還在不斷擴展。為了滿足一些復雜系統和大型化應用場合的特殊要求,根據微積分思想,采取化整為零,積小為大的技術路線,可以大幅度提高制品的使用性能并且降低制造成本。下面以3個典型產品為例來說明這一論點。

5.1 微積分結構的大型塑料制品

高分子材料先進制造的微積分思想在船舶與海洋工程領域大型塑料制品的結構設計與應用方面有著廣闊的發展前景。圖13為傳統的整體結構游艇碼頭,圖14所示為不飽和樹脂基玻纖增強高分子復合材料的現代游艇。按照微積分思想的創新結構設計,可使這類大型高分子制品的加工制造工藝簡化,成本降低,性能更優。圖15為采用中空塑料浮體微分單元積分組合的新型游艇碼頭,已有實際應用。圖16為筆者發明的微分單元積分組合式游艇船體結構示意圖。筆者利用微分單元化的骨架材料以穩定的力學結構按照制品形狀搭建成線框骨架,在該線框骨架的表面再用蒙皮材料構成一個連通的成型模具型腔,然后將高分子樹脂或其他可塑性材料灌注到該型腔中。充填材料在型腔中反應或冷卻固化,從而得到帶有骨架增強的復合材料制品,實現大型高分子復合材料制品的無模具快速成型。

圖13 整體結構游艇碼頭Fig.13 The overall structure of the marina

圖14 聚酯玻纖復合材料游艇船體Fig.14 The yachts prepared by glass-fiber reinforced polyester composites

圖16 微分單元組合式桁骨結構游艇船體Fig.16 Differential modular truss structure of yachts

5.2 微積分結構的大型橡膠制品

輪胎作為高分子基復合材料的一類典型制品,雖然在近百年來經歷了由斜交胎到子午胎的重大變革,但其制造工藝并沒有本質的改變。迄今為止,輪胎制造依然延續著傳統的工藝流程,即從各種橡膠部件的擠出、壓延到胎胚的預成型,再到硫化定型的工藝路線。采用這種方法制造規格巨大的工程輪胎必然存在制造成本過高的問題。隨著輪胎規格的增大,技術難度急劇增加,制造過程所必需的膠片擠出生產線、鋼絲簾布壓延生產線、輪胎成型機和定型硫化機等設備投資十分巨大。圖17為山東時風集團生產的直徑3.7 m、重達4 t的巨型工程輪胎,圖18為筆者研制并成功應用于該巨型輪胎生產的超寬幅膠片擠出成型設備[1]。

圖17 巨型工程輪胎Fig.17 A giant mega tire

圖18 巨型輪胎膠片擠出生產裝置Fig.18 The film extrusion equipment for the giant tire

為解決輪胎大型化帶來的設備投資大、制造成本高的問題,同樣基于高分子材料先進制造的微積分思想,筆者發明了一種彈性單元組合式輪胎,可望使輪胎制造設備不再隨輪胎規格而增大,并且完全不需要輪胎成型機和輪胎硫化機等重型裝備,只需制備出空氣彈簧和金屬或復合材料支撐的環形履帶式胎面模塊,進而組裝成為整條輪胎。微分單元化的橡膠空氣彈簧和胎面模塊等零部件的加工制造可由價格低廉的普通平板硫化機完成,從而可大幅度降低制造難度和設備投資。實施示意圖如圖19和20所示,其基本構造由輪轂、空氣彈簧、履帶式胎體、花紋膠胎面等組成。這種輪胎的結構特點是將傳統輪胎連續的柔性胎體分割離散為若干個彈性單元,然后按照履帶的連接方式將足夠數量的彈性單元,以擬圓積分方式組合成為一條完整的輪胎。顯然,這種微積分結構的新型輪胎不僅可以簡化加工制造工藝,而且具有使用和維修方便、抗穿刺、耐沖擊、承載大等優點,特別適合于大型工程車和軍用越野車等領域。

圖19 彈性單元組合式輪胎數字樣胎Fig.19 The prototype of the elastic element combined tire

圖20 彈性單元組合式輪胎結構Fig.20 The structure of the elastic element combined tire

5.3 微分擾流單元組合強化傳熱裝置——潔能芯

在石油化工、電力、冶金等高能耗行業大量使用的管殼式換熱器中,傳熱效率低下和傳熱表面積結垢所造成的傳熱劣化,是造成能源利用效率低下的關鍵問題,也是節能減排潛力最大的領域之一。針對這一問題,國內外眾多研究者和工程技術人員進行了大量的研究,采用高分子材料制造的強化傳熱裝置被認為是一種既經濟又可行的方案。但是,原有整體結構的螺旋紐帶由于使用壽命短和刮磨傳熱管的危害而難以在火力發電機組等重大裝備上推廣應用。為此,筆者基于微積分思想,研究發明了擾流單元組合式強化傳熱裝置——潔能芯[2],實現了傳熱管自清潔強化傳熱功能,換熱效率提高20%,經過中國石油和化學工業協會組織的專家鑒定,達到國際領先水平。目前已在中國石油化工股份有限公司、大唐電力集團公司、國電集團公司、華能集團公司等大中型換熱器上推廣應用,取得了明顯的節能減排效果。該技術的核心在于將大型系統的復雜結構離散微分為單元轉子,從而使該強化傳熱裝置效果更好,可用于任意長度的傳熱管并且能適應管道彎曲而不損傷設備。圖21為微分轉子擾流“場協同”作用模擬結果,圖22為數以百萬計的擾流單元轉子積分組裝于汽輪機凝汽器的實景照片。

圖21 微分轉子擾流單元流場模擬結果Fig.21 The flow field simulation of turbolator of the differential rotor

圖22 擾流單元積分組裝于汽輪機凝汽器Fig.22 The assembly of the rotors in the turbine condenser

6 結語

高分子材料先進制造的微積分思想給高分子材料加工成型及制品應用研究開啟一扇風景秀美的窗戶。投身于這一領域研究的團隊師生都充滿激情,沿著這一思路所開展的研究盡管也遇到了各種各樣的困難,但每一個研究方向都不斷取得新的進展。有的研究成果已經進入到工業化應用階段,得到許多同行專家的支持和鼓勵。我們將繼續深入地開展這項研究,也希望更加廣泛地開展產學研合作,催生更多更好的高分子材料加工成型新方法和制品應用新技術,推動現代制造業的科學發展。

[1] 楊衛民,丁玉梅,顏 超.兩端進料式寬幅片材擠出機頭:中國,200720149266.8[P].2008-04-01.

[2] 楊衛民,耿立波,丁玉梅,等.轉子式自清潔強化傳熱裝置:中國,2005201271219[P].2006-11-01.

A Concept of Differential and Integral Method in Advanced Processing of Polymer Materials

YAN G Weimin1,2
(1.College of Mechanical and Electrical Engineering,Laboratory of Advanced Polymer Processing,Beijing University of Chemical Technology,Beijing 100029,China;2.College of Mechanical and Electrical Engineering,Key Laboratory of Advanced Polymer Processing of Shandong Province,Qingdao University of Science and Technology,Qingdao 266061,China)

In order to solve the bottleneck problems in the micro-precision and macro-complex processing technologies,a concept of differential and integral method for advanced processing of polymer materials was proposed.Based on this concept,principles of injection molding,extrusion,electrostatic spinning,nano-composite processing and structure innovation of polymer products were studied,a series of new methods of polymer processing and molding,new equipments,and new technologies of product application were invented.Some industrial application results proved that the concept of differential and integral method was a valuable guide to break through the restriction of traditional manufacturing mode,and to develop new method of polymer processing and new technology of polymer products application.

advanced processing;polymer material;differential and integral method;electrostatic spinning;injection molding;extrusion

TQ320.66

A

1001-9278(2010)07-0001-06

2010-03-31

國家科技支撐計劃項目(2007BAF13B01)、國家自然科學基金項目(50973009)、教育部博士點基金項目(20090010110005)、山東省“泰山學者”計劃項目

聯系人,yangwm@mail.buct.edu.cn