塑料加工成型技術的最新研究進展

瞿金平

(1．華南理工大學聚合物新型成型裝備國家工程研究中心，廣州 510640;2．華南理工大學聚合物成型加工工程教育部重點實驗室，廣州 510640)

1 前言

塑料已廣泛應用于國民經濟各個領域中，成為與鋼材、水泥、木材并駕齊驅的基礎材料。塑料產業是輕工業支柱產業之一，塑料加工成型機械是輕工裝備的重要組成部分。隨著輕工業的生產方式向“綠色”轉變，低耗、高效、環保型的加工成型技術正成為塑料加工行業的發展趨勢，每一次技術創新性研究都會推動行業的技術進步。

塑料加工成型是物料在熱機械作用下的形變過程，通常稱該過程為熱機械歷程，即通過熱能以及機械能的轉化將塑料熔融塑化并經特定的模具形成制品。因此，如何最大限度地提高能量轉化效率，即提高傳熱傳質效率、縮短熱機械作用歷程成為塑料加工節能降耗的關鍵所在。以螺桿作為結構標志和原理特征的螺桿機械是國內外廣泛應用的塑料加工成型設備，但卻普遍存在塑化輸運熱機械歷程長、能耗高、設備體積和重量大、對物料特性依賴性強等缺陷［1］。筆者及其研究團隊經過多年對塑料加工成型技術的創新思考與實踐，突破了傳統塑料塑化加工方法與原理，將振動力場引入塑料塑化加工成型全過程，提出并成功開發塑料動態加工成型方法及設備［2～4］，實現了塑料加工成型原理和方法由“穩態”到“動態”的變革，取得了多項被鑒定為國際領先水平的關鍵技術成果，并系統地發展了塑料動態加工成型理論［5～10］。塑料動態塑化加工成型設備與傳統螺桿式設備相比，具有加工熱機械歷程縮短20%以上、加工能耗降低15%左右、制品性能提高、對物料適應性廣等顯著特點，已經成功實現產業化和推廣應用。

在塑料動態加工技術研究開發過程中，發現在螺桿軸向振動對物料產生動態剪切的同時，塑化輸運空間發生隨時間的周期性變化，從而對物料產生了附加拉壓形變，而且隨著動態剪切強度的增加，拉壓形變也隨之加強，物料塑化輸運過程中傳質傳熱效果被強化。由于塑料動態塑化加工成型技術與裝備還是以螺桿作為塑化輸運工具，改變不了拖曳剪切流變的主導地位，強化傳質傳熱潛力有限。最近幾年，經過大量的理論與實踐，筆者及其研究團隊提出了基于拉伸流變的高分子材料塑化輸運新機理，改變了剪切形變起支配作用的高分子材料塑化輸運機理，發明了拉伸形變支配的無螺桿塑料動態塑化加工新方法及裝備［11］，實現了塑料加工成型原理和方法由“基于剪切流變”到“基于拉伸流變”的變革。這種新方法及技術是塑料動態塑化加工成型方法及技術的繼承與發展，將為我國塑料加工技術與裝備在國際上取得又一自主知識產權［12］，同時開辟了塑料加工成型技術及理論研究的新領域，對提高我國乃至世界在塑料加工成型領域的學術水平、推動我國塑料加工及機械工業的發展、促進塑料加工工程科學與技術進步具有重要意義。

2 塑料塑化輸運方法的演變與創新

塑料加工成型的力場分為剪切力場和拉伸力場，其中在剪切力場作用下，物料在輸運過程中速度梯度與輸運方向相互垂直，而在拉伸力場作用下，其速度梯度方向與輸運方向相同。

2．1 傳統螺桿塑化輸運機理

在傳統螺桿塑化輸運過程中，物料在螺桿轉動的剪切力場和料筒外加熱溫度場的聯合作用下完成固體輸送、熔融塑化、熔體輸送過程，如圖1所示。圖1中，螺桿與料筒被簡化為兩平行板，其中運動板相當于旋轉的螺桿，固定板相當于料筒。運動板摩擦、拖曳物料在兩平板間流動并產生垂直于流動方向的速度梯度，也就是物料在剪切流場中流動與變形。因此，這是基于剪切流變的塑化輸運機理，或者說是剪切形變支配的塑化輸運方法。由于塑料是熱的不良導體，加上在剪切流場中是層流換熱，致使傳質傳熱效率很低，完成物料塑化輸運需要很長的熱機械作用歷程。

圖1 傳統螺桿塑料塑化輸運機理Fig．1 The plastics plasticating and conveying mechanism of the traditional screw

2．2 振動剪切形變支配的塑化輸運機理

如何提高物料塑化輸運過程中的傳質傳熱效率，國內外專家學者普遍都在螺桿結構上做文章，出現了各種各樣的新型結構螺桿。筆者等另辟蹊徑，在國內外首次提出塑料動態塑化加工方法及原理，使螺桿式加工成型機械的螺桿在轉動同時還做軸向周期性振動，塑化輸運過程中物料容積發生周期性變化，為物料流動與變形附加了一定程度的拉伸和壓縮的交替作用，如圖2所示。這種塑化輸運機理可定義為基于振動剪切流變的塑化輸運機理，或者說是振動剪切形變支配的塑化輸運方法。這種新方法與新技術提高了塑化輸運過程中的傳質傳熱效率，出現了傳統螺桿塑化輸運方法與技術所沒有的許多現象和特征，如塑化輸運歷程縮短、熔融速率提高、熔體黏度減小等。

2．3 基于拉伸流變的塑化輸運機理

如上所述，可以用支配物料塑化輸運的流場來描述和分析塑料加工成型機理。這里用二板流場模型來描述塑化輸運方法的演變與發展，如圖3所示。圖3(a)和圖3(b)分別描述了傳統螺桿塑化輸運機理和振動剪切形變支配的塑化輸運機理。在圖3(b)中，流場的速度梯度方向不再像圖3(a)中那樣與速度方向垂直，在與速度相同方向出現了一個小的分量，即在流場中出現了少量拉伸流動，這是振動剪切流場中傳質傳熱效率提高的主要原因。實際上，如果讓二板流場模型中固定板相對于運動板傾斜一個角度，便形成了二板收斂剪切流場，如圖3(c)所示。這里，即便運動板只做與圖3(a)中一樣的穩定移動，也會出現圖3(b)中那樣的拉伸流動。但是，圖3(c)中速度梯度的拉伸分量還是遠小于剪切分量，沒有改變剪切形變對流場的支配地位。如果在收斂剪切模型中增加一個與運動板垂直并與運動板以相同速度V移動的滑板，則圖3(c)演變成如圖3(d)所示的容積拉伸流場模型，其中滑板由于固定板傾斜而產生與運動板垂直的滑動速度 v。圖3(d)中由于滑板的作用，收斂流場的容積變小，速度梯度的拉伸分量大于剪切分量，拉伸形變在流場中起了支配作用。圖3(d)可以近似地描述筆者等提出的基于拉伸流變的塑化輸運機理與方法。

圖2 振動剪切形變支配的塑料塑化輸運機理Fig．2 The plastics plasticating and conveying mechanism dominated by vibration shear deformation

圖3 塑料塑化輸運機理與方法的演變Fig．3 The evolution of plastics plasticating and conveying mechanism

2．4 拉伸形變支配的葉片擠壓系統

實現拉伸形變支配的塑化輸運方法的設備由葉片塑化輸運單元(vane plasticating and conveying unit，VPCU)構成，與螺桿擠壓系統(screw extrusion system，SES)相對應，被稱為葉片擠壓系統(vane extrusion system，VES)，如圖4所示。在VPCU中，由轉子、定子、若干葉片及擋板構成一組具有確定幾何形狀的空間，由于轉子與定子內腔偏心，他們的容積可以依次由小到大再由大到小周期性變化，容積由小變大時被納入物料，容積由大變小時物料在拉壓應力的主要作用下被研磨和壓實，同時在機械耗散熱和定子外加熱的作用下熔融塑化并被排出，完成拉伸形變支配的物料塑化輸運過程。顯然，這也是一個周期性動態塑化輸運過程。圖4所示的VES由5個VPCU組成，相鄰的兩個VPCU的偏心方向相反，使前一個VPCU出料口與后一個VPCU進料口形成連續的通道，完成塑料的連續動態塑化輸運。

圖4 VES原理結構示意圖Fig．4 The schematic diagram of VES structure

3 VES中塑料塑化輸運過程

塑料塑化輸運過程包括固體輸送、熔融塑化、熔體輸送等階段，這里針對VES建立對應模型，了解其塑化輸運機理和特性。

3．1 固體輸送特性

固體輸送的功能是形成穩定的固體輸送速率和建立足夠的壓力，而固體輸送特性會直接影響塑化輸運產量，也會影響塑化輸運穩定性。

3．1．1 固體輸送速率

在圖4中取對應于料斗的VPCU，即第一個VPCU，在截面上建立固體輸運模型，如圖5所示。圖5中，大圓代表定子內表面，小圓代表轉子外表面，4個葉片沿轉子圓周方向均布，填充區域CDEF是一個葉片轉一圈輸送物料的截面。填充區域的面積為:

考慮葉片的厚度和葉片頂部與定子內表面存在的間隙，其所占面積為:

則，固體輸送速率為:

Q=240·β·ρ·l·

式(1)～(3)中，D為定子內徑;d為轉子直徑;l為葉片長;b為葉片厚度;e為偏心量;δ為葉片頂端與定子內壁之間的間隙;ρ為物料松密度;n為轉子轉速;β為固體返料系數，與物料的硬度等特性有關;θ為柱坐標變量。經實驗可得低密度聚乙烯(low density polyethylene，LDPE)和聚丙烯(polypropylene，PP)的固體返料系數分別為 0．7～0．8和0．55 ～0．7。

圖5 VES的固體輸運物理模型Fig．5 The physical model of the solid conveying in VES

由式(3)可知，一旦對應于料斗的VPCU的幾何特征參數和轉速確定，VES固體輸送速率只與物料的松密度ρ和固體返料系數β相關，而不會受到物料與設備之間摩擦系數的影響，說明VES中固體輸運過程具有正位移輸送特性。VES的熔體輸送過程也具有正位移輸送特性［13，14］，這里就不做展開討論。

3．1．2 固體壓實與壓力

固體顆粒從料斗進入固體輸送VPCU后，隨著轉子轉動，兩葉片之間容腔中固體顆粒由于轉子與定子內腔偏心會產生壓力而被壓縮密實。在圖5中經過一定的近似假設，去除一些次要影響因素，可以建立簡化物理模型，求得固體輸送VPCU中物料壓力為［15］:

式(4)中，λ為固體顆粒物料的固松比(固相密度/松密度);C0為物料可壓縮系數;φ為前葉片與偏心方向所在水平面的夾角(如圖5所示);α為剛好充滿物料時的φ值;x為兩葉片之間容腔中轉子表面某點與推進葉片之間的無量綱距離(以轉子直徑d為特征長度);K為法向應力與軸向應力之比;fw為物料與定子內表面的摩擦系數;ε為無量綱量偏心距。

選擇物料為LDPE，對式(4)進行計算，結果如圖6所示。由圖6可見，固體物料的壓力隨著φ的減少而升高，并且當φ逼近1時，壓力上升幅度很大，并接近于極限值，這時物料的密度接近于單個固體顆粒的密度。由圖6還可以得知壓力會隨著x的增加有小幅度的上升。

圖6 VES中固體輸運壓力計算結果(LDPE)Fig．6 The calculation results of the solid conveying pressure in VES(LDPE)

圖7為可視化VPCU的固體壓實與熔融實驗過程照片。實驗所用物料為LDPE，保持定子溫度為100℃。在轉子軸轉動的過程中，兩葉片所夾的容腔體積越來越小，容腔中LDPE固體顆粒料被擠壓變形并逐步軟化呈透明狀態。這說明在固體輸送VPCU中建立起了一個較高的固體輸送壓力，可以有效降低固體物料輸送歷程，縮短VES沿轉子軸向的長度。

3．2 熔融塑化特征

物料進入第一個VPCU后，葉片和定子內表面會對物料產生很大的壓力，兩葉片之間容腔中固體顆粒會被壓實形成固體塞。由于定子外加熱的作用，在定子內表面產生一層較薄熔膜，熔膜受到壓力的作用會往固體床內滲透，將固體塞打碎。同時，物料發生塑性形變而產生大量的熱能，進一步促進物料熔融，如圖8(a)所示。物料經擠壓后進入第二個VPCU擴張區，在第一個VPCU中經受彈性形變的部分顆粒在此擴張區回彈恢復。由于第一個VPCU的4個葉片組成的容腔與第二個VPCU的4個容腔不是一一對應，固體塞和固熔物料同時進入第二個VPCU時，固體塞被進一步分割、打碎，形成富固體懸浮體系，如圖8(b)所示。在第二個VPCU的擴張區，高溫熔體使固體顆粒熔融，接著在壓縮區，固體顆粒料進一步發生塑性變形，產生的塑性耗散會加劇其熔融。當物料進入第三個VPCU時，大部分固體都已經熔融，這會形成富熔體懸浮體系，如圖8(c)所示。通過對VES的急冷拆卸實驗觀察，可以得知LDPE經過5個VPCU就已經全部熔融［16］。

VES的原理和結構特點使得物料的固體輸送和熔融在塑化輸運過程中同時進行，這就使塑料塑化加工熱機械歷程大幅度縮短，同時塑化加工能耗也降低。

3．3 最低能耗極限

在圖4中，假設VES塑化輸運物料在絕熱狀態下進行，即沒有熱能向VES外散失。VES塑化輸運物料至少需要提供物料壓力升高、溫度升高和熔融潛熱三部分能量，它們的總和被定義為VES的最低能耗極限。

物料壓力升高所需能耗為:

物料溫度升高所需能耗為:

克服物料熔融潛熱所需能耗為:

最低能耗極限為:

圖7 溫度為100℃時LDPE壓實過程Fig．7 The solid compaction processing of material LDPE at 100 ℃

圖8 VES中物料的熔融過程Fig．8 The process of melt in VES

因此，VES塑化輸運單位質量物料所需最少能耗(單耗)為:

式(5)～(9)中，Q為VES的塑化輸運速率;Δp為VES中物料的壓力升高值;ρ為熔體密度;cp為物料的比定壓熱熔;Tm為熔體溫度;Ts為固體物料的溫度;λ為物料熔融潛熱。

由式(9)可知，單位質量物料所需最少能耗，即最低極限單耗與擠壓系統的結構無關，只與物料特性和加工成型壓力和溫度相關。無論是傳統螺桿組成的SES還是新型VES，只要其越逼近這一極限，它就是高效低能耗擠壓系統。VES的結構原理決定了其塑化輸運物料所需的熱機械歷程很短，有利于提高能量利用率和逼近這一極限值。

4 VES的技術特征

4．1 物料輸運特性

輸運特性是擠壓系統的重要特性之一。VES的輸運特性由其擠出產量與轉子轉速和模頭壓力關系表征，是擠出穩定性的重要指標。

這里選擇物料為LDPE和PP，它們的松密度分別為330 kg/m3和310 kg/m3，固體返料系數分別取0．7和0．55，則轉子直徑為40 mm的VES的理論和實驗產量隨轉速的變化如圖9(a)所示。實驗和理論表明，VES的產量與轉速具有比較好的線性關系，并隨著轉速的增加而線性上升。圖9(b)所示為轉子轉速在150 r/min時，LDPE和PP的理論和實際產量隨模頭壓力的變化。LDPE和PP的實際產量都會隨著模頭壓力的上升而下降，其下降幅度定義為漏流系數，LDPE和PP的漏流系數分別為0．19和0．15。這表明VES的產量隨著模頭壓力變化的幅度比較小，具有比較好的擠出穩定性，即具有正位移輸運特性。

圖9 VES的輸運特性Fig．9 The conveying characteristic of VES

4．2 熱機械歷程

塑料加工成型熱機械歷程是衡量擠壓系統性能的重要技術指標之一。熱機械歷程通常對加工成型能耗和物料的熱機械降解作用有很大的影響。

圖10為VES的轉子軸與SES的螺桿的對比照片。這里選擇的兩個擠壓系統的功能相當，即塑化輸運能力接近。由圖10可見，直徑為40 mm轉子軸的有效長度僅為400 mm，而直徑為45 mm螺桿的有效長度則達到1125 mm。因此，VES的軸向有效長度比SES的縮短了約64%。

圖10 VES的轉子軸與SES的螺桿的對比照片Fig．10 The contrast photograph of VES rotor and SES screw

圖11為HDPE在VES和SES中停留時間與擠出產量的關系。從圖11中可以看出，物料在VES中的停留時間要比在SES中少很多，進一步說明了VES的熱機械歷程要比SES短得多，特別有利于減少加工過程中物料的降解和分子量降低。表1是經VES和SES加工的聚苯乙烯(polystyrene，PS)的分子量對比，其中和分別代表PS的數均分子量和重均分子量。由表1可知，與未加工PS的分子量相比，PS經SES加工的降解作用要比經VES加工的大很多。

圖11 停留時間與擠出產量的關系Fig．11 The relationship between residence time and extrusion production

表1 經VES和SES加工的PS與未加工PS的分子量對比Table 1 The molecular weight contrast of PS processed by VES and SES to unprocessed PS

4．3 塑化輸運能耗

塑化輸運過程的能耗占塑料加工成型總能耗的大部分。因此，降低塑料塑化輸運過程的能耗是塑料加工行業節能降耗的關鍵。

圖12表示VES加工LDPE和PP的實際能耗和理論能耗(最低能耗極限)隨轉子轉速的變化，能耗與轉子轉速具有比較好的線性關系，并隨著轉子轉速的升高而上升。從圖12可以看出，LDPE和PP的能耗都比較接近最低能耗極限，兩者的能量利用率(最低能耗極限/實際能耗)都達到了85%以上。圖13為VES和SES加工PP的實際單位物料能耗和理論單位物料能耗(最低單耗極限)隨擠出產量的變化，顯然VES的單耗比SES的單耗低很多，比較接近最低極限單耗，表明VES具有能量利用率高和單耗低的優異特性。

圖12 VES能耗與轉子轉速的關系Fig．12 The relationship between power consumption of VES and rotor speed

圖13 VES和SES的單耗與擠出產量的關系Fig．13 The relationship between extrusion production and power consumption of VES and SES

4．4 混合混煉效果

擠壓系統的混煉效果會直接影響復合材料制品的結構與性能，它是VES的重要性能指標。表2為不同物料體系PP/PA(PA:聚酰胺)、PP/PS、PP/TPO(TPO:聚烯烴熱塑性彈性體)經VES及傳統雙螺桿擠壓系統(twin screw extrusion system，TSES)共混物分散相平均直徑。由表2可知，PP/PA體系經VES和TSES加工后少組份的分散相液滴直徑隨分散相含量的增加而增大。VES加工的PP/PS共混物中PS分散相液滴直徑主要分布在1 μm以下，平均粒徑為0．75 μm，而 TSES加工的PP/PS共混物中 PS分散相液滴直徑則主要分布在1．7 μm以下，平均液滴直徑為1．1 μm。PA/TPO體系分別經VES及TSES加工后，TPO分散相尺寸分別為5．15 μm和7．84 μm。表2說明，VES 對共混體系的混合混煉效果已達到甚至超過TSES。

圖14是PP/PS共混體系分別經VES和SES無模頭加工后共混擠出物的相形態(PS被刻蝕)。對比圖14(a)和圖14(b)發現，SES的擠出物中PS相粒徑大約是VES的擠出物中PS相粒徑的4倍，這進一步說明VES對加工多相多組份體系(復合材料)具有獨特優勢。

表2 分別經VES及TSES的共混物分散相平均直徑Table 2 Average particle size in blends prepared by VES and TSES μm

圖14 PP/PS共混擠出物的相形態(PS刻蝕)Fig．14 Morphology of PP/PS blend extrudate(PS etching)

4．5 制品性能

加工制品的性能是擠壓系統優劣的綜合體現，也是最終衡量擠壓系統的重要技術特征。這里舉例說明VES在改善加工制品性能方面的優勢。圖15為VES和SES擠出LDPE和PP片材的拉伸強度與擠出產量的關系。與SES相比較，VES擠出制品的拉伸強度和沖擊強度都有所提高，說明VES在保證制品性能的前提下具有上述優良特性。

圖15 擠出片材力學性能與擠出產量的關系Fig．15 The relationship between mechanical property of extruded sheet and extrusion production

5 葉片塑化輸運技術的應用

由于VES具有上述優良特性，目前已經逐步在吹塑薄膜、流延薄膜、擠出異型材、吹塑中空制品以及注射成型制品等方面推廣應用。圖16中(a)、(b)、(c)分別是以VES為核心組件開發的薄膜吹塑機組、中空格子板成型機組、預塑式注射機的照片，是VES的應用舉例。VES在傳統技術設備難以勝任的生物質復合材料以及對剪切熱敏感的高分子材料加工等方面也在發揮重要作用。

值得一提的是VES塑化輸運熱機械歷程短，塑料制品的分子量降低很少，有利于塑料的多次循環使用和生物質復合材料的發展，從而減少石油基聚合物的用量，保護環境。

6 結語

基于拉伸流變的塑料塑化輸運技術是在塑料動態加工成型技術基礎上發展的又一重大創新成果，是國內外塑料加工成型技術最新研究進展的具體反映。新技術及裝備與傳統塑料加工成型設備相比較，具有加工歷程縮短50%以上、加工能耗降低30%左右、混合混煉效果好、制品質量提高、對物料適應性廣等優異的技術性能，已經在塑料擠出成型、注射成型和改性加工等方面被逐步推廣應用，特別是在傳統技術設備難以勝任的生物質復合材料、剪切熱敏感高分子材料等物料體系的加工方面也在發揮重要作用。相信通過塑料加工及機械行業的同行們共同努力，新技術將在改變塑料加工行業的高能耗現狀、提高我國塑料成型加工技術及裝備整體水平、推動塑料加工產業及相關產業的可持續發展方 面發揮無可替代的作用。

圖16 VES的應用舉例Fig．16 The examples of VES application

［1］Tadmor Z，Gogos C G．Priciples of Polymer Processing［M］．Second Edition．New Jersey:John Wiley＆ Sons，Inc．，2006:473 －475．

［2］瞿金平．電磁動態塑化擠出方法及設備:歐洲044306B1［P］．1995．

［3］瞿金平．電磁式聚合物動態注射成型方法及裝置:美國5951928［P］．1999．

［4］瞿金平，何和智．聚合物及其復合材料多螺桿塑化混煉擠出方法及設備:中國200510032625．7［P］．2007．

［5］Qu Jinping，Shi Baoshan，Feng Yanhong，et al．Dependence of solids conveying on screw axial vibration in single screw extruders［J］．Journal of Applied Polymer Science，2006，102(3):2998－3007．

［6］Qu Jinping，Feng Yanhong，He Hezhi，et al．Effects of the axial vibration of screw on residence time distribution in single-screw extruders［J］．Polymer Engineering and Science，2006，46(2):198－204．

［7］瞿金平．聚合物動態塑化成型加工理論與技術(上下卷)［M］．北京:科學出版社，2005．

［8］Qu Jinping．Polymer Dynamic Plasticating Processing:Theory and Technology［M］．Cambridge，England:Woodhead Publishing Limited，2010．

［9］Qu Jinping，Cai Yonghong．Experimental studies and mathematical modeling of melt-pulsed conveying in screw extruders［J］．Polymer-plastics Technology and Engineering，2006，45(10):1137－1142．

［10］Qu Jinping，Zeng Guangshen，Feng Yanhong，et al．Effect of screw axial vibration on polymer melting process in single-screw extruders［J］．Journal of Applied Polymer Science，2006，100(5):3860－3876．

［11］瞿金平．基于拉伸流變的高分子材料塑化輸運方法及設備:中國200810026054［P］．2008．

［12］Qu Jinping．A method for plasticating and conveying macromolecular materials based on elongational flow:U．S．A．，Europe，Japan，Russia，Canada，Australia，etc．，PCT/CN2008/000643［P］．2008．

［13］楊智韜．聚合物葉片擠出機熔體正位移輸送與混合特性研究［D］．廣州:華南理工大學，2009．

［14］Qu Jinping，Yang Zhitao，Yin Xiaochun，et al．Characteristics study of polymer melt conveying capacity in vane plasticization extruder［J］．Polymer-plastics Technology and Engineering，2009，48:1269－1274．

［15］蔡思琦．葉片擠出機固體物料的壓實過程及機理研究［D］．廣州:華南理工大學，2011．

［16］張 鑫．單軸葉片擠出機中物料的形態演化及性能研究［D］．廣州:華南理工大學，2010．