塑料加工成型機械創新技術研究

瞿金平

（華南理工大學聚合物新型成型裝備國家工程研究中心//聚合物成型加工工程教育部重點實驗室，廣東廣州 510641）

0 引言

塑料在當今世界具有極為重要的作用，已經廣泛應用于國民經濟的各個領域。塑料加工工業是我國制造業發展最快的行業之一。然而，在塑料產業蓬勃發展的同時，資源、環境、能源三大問題凸現，制約了塑料產業的發展，成為了人們關注的熱點。在資源方面，傳統的塑料材料源于不可再生的石油資源，隨著石油資源的逐漸枯竭，傳統石油基高分子材料發展受到遏制。在環境方面，傳統石油基塑料穩定性好，在自然界中降解緩慢，加之廢舊塑料回收、再利用技術沒有得到充分的重視和發展，造成環境污染問題。在能源方面，塑料加工成型屬于高能耗過程作業裝備，單位產值能耗比較高，俗稱“電老虎”。因此，塑料可再生資源替代、廢舊塑料循環利用、加工過程節能降耗是支撐塑料加工行業可持續發展的關鍵任務，也是生產方式向“綠色”轉變的重要標志。同時，低能耗、高效率、環保型的綠色加工成型技術與裝備是塑料機械行業的發展趨勢，也是國家的重大需求。

圖1 塑料機械總體結構示意圖

塑料原料及其輔料都要通過加工成型設備形成所需形狀、結構與性能，成為有實用價值的材料與制品，這種加工成型設備統稱為塑料機械。一般塑料機械都由擠壓系統、驅動與傳動系統、過程控制系統以及制品成型系統等部分組成，如圖1 所示。目前，國內外塑料機械的發展主要集中在這幾個部分的技術創新，以實現塑料機械具有節能降耗、無分揀廢舊塑料合金化加工和生物質復合材料共混加工的功能和特征。例如，塑化輸運方法從純剪切形變加工到振動剪切形變加工再到體積拉伸形變加工演變、驅動與傳動方式從間接驅動到直接驅動再到負載敏感驅動、控制系統從電氣控制到數字化控制再到智能化控制，每一次技術創新性研究都會推動行業的技術進步。

1 塑化輸運方法

擠壓系統是塑料機械的核心部分，其主要完成塑料的塑化、熔融和輸運過程，為塑料制品成型定量提供熔體，而且對塑料制品質量起決定性的作用，也是塑料加工成型消耗能量最多的過程。

1.1 振動剪切形變加工

以螺桿作為結構標志和原理特征的擠壓系統消耗的能量遠高于塑料塑化輸運所需要的能量，能量利用率較低。因此，降低擠壓系統的能耗是塑料機械的重大技術難題。

通過對傳統螺桿擠壓系統的研究可以發現普通螺桿不能強化塑料加工的傳質傳熱過程。使螺桿擠壓系統的螺桿在轉動同時還做軸向周期性振動，實現了塑料加工過程由振動剪切形變支配，提高了塑料加工過程中傳質傳熱效率。如圖2所示，其為純剪切和振動剪切流場的結構示意圖。在純剪切流場中，物料運動為單純的層流，其層與層幾乎沒有傳質，傳熱過程一般只是靠熱傳導和粘性耗散產生熱，如2（a）圖中a和c處，b和d處的物料沒有傳質過程。在振動剪切流場中，物料運動速度V是周期性變化的，流動方向上層與層之間會產生物質交換，即圖2（b）中a和c處的物料會發生傳質，垂直于流動方向上產生的物質交換與純剪切類似。在振動剪切流場中產生的傳質過程，有利于物料塑化和多相多組分體系共混，同時傳質過程強化了熱交換，提高了傳熱效率，可使螺桿長徑比減小，因而擠壓系統消耗的能量也隨之減少。

振動力場的引入在擠壓系統中出現了之前所沒有的許多現象和特征，如物料塑化輸運歷程縮短、熔融速率提高、熔體粘度減小等。振動力場能量的引入并不是能量的簡單疊加，而是利用高分子材料塑化輸運過程在振動力場作用下表現出來的非線性特征降低能耗，提高制品質量[1-5]。同時振動力場的引入具有比較強的分子鏈解纏結作用效果，使得聚合物熔體粘度下降，并且存在最佳形變振幅和頻率使得熔體表觀粘度下降幅度最大。熔體表觀粘度的下降使得相同產量時，擠出阻力減少，擠出壓力降低，同時也使能量消耗減少。

相對于塑料純剪切形變加工成型，塑料振動剪切形變加工成型技術縮短了加工過程中的熱機械歷程，能耗明顯降低，多相多組分體系混合效果變好，制品質量提高。

1.2 體積拉伸形變加工

圖2 純剪切和振動剪切流場示意圖

由于多組份不相容塑料一般不能直接共混加工，螺桿加工設備很難實現通用塑料功能化改性加工和無分揀廢舊塑料的回收處理。因此，多組份體系共混增容是塑料改性加工的技術瓶頸。

實現塑料塑化輸運過程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垂直，而在拉伸力場中，速度梯度與輸運方向平行。在螺桿擠壓系統中，由于塑料是熱的不良導體，加上剪切流場中是層流換熱，導致傳熱效率低，完成塑化輸運過程需要一個很長的熱機械歷程。圖3 為剪切流場和體積拉伸流場示意圖。如圖3（b）所示，在體積拉伸流場中，由于流道變窄，物料層與層之間會產生相互擠壓作用，b 處的物料會與d 和c 處的物料發生交換，從而提高了傳質傳熱效率。

圖3 剪切流場和體積拉伸流場示意圖

在上述研究基礎上，提出了基于拉伸流變塑料加工方法，通過物料加工體積周期性變化強制物料混合混煉，實現以拉伸形變為主導的正位移塑化輸運機理[6-10]。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，它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VPCU的偏心方向相反，使前一VPCU出料口與后一VPCU 進料口形成連續的通道，完成塑料的連續動態塑化輸運。

與螺桿（SES）相比，葉片擠壓系統（VES）具有短停留時間，短熱機械歷程和低能耗擠出特性，如圖5所示。葉片擠壓系統加工不相容PP/PS體系，其分散相顆粒尺寸大約僅為螺桿擠壓系統的1/4倍，如圖6所示。研究表明，葉片塑化輸運技術與螺桿塑化輸運技術相比較，物料熱機械歷程縮短50%以上、能耗降低30%左右，特別是混合混煉效果好，適用于不相容塑料、生物質復合材料等物料的共混加工，具體主要表現如下。

①塑化輸運靠特定形狀的空間容積變化完成，具有完全正位移特性，塑化輸運能力不依賴于物料的物理特性，對物料適應性提高，且輸送效率提高，完成塑化輸運過程所經歷的熱機械歷程大大縮短，塑化輸運能耗降低。

②塑化輸運過程熱機械歷程短、并避免了強剪切作用，大大降低了物料的降解程度，物料的可循環利用次數隨之增多，且強拉伸流場有利于塑化輸運過程中多相多組分不相容體系的分散混合，物理方式增容效果好，特別適用于高分子材料循環利用加工。

③在剪切流場作用下，柔性纖維在輸運過程中平移的同時還會發生旋轉，而在旋轉運動過程中往往會由于過度彎曲變形造成纖維的折斷。在葉片塑化輸運單元中由于以拉伸形變為主導，纖維增強體在輸運的過程中可很快地沿拉伸形變的作用方向取向，有利于纖維團聚體的分散和基體樹脂對纖維的浸潤，因而增加了體系的相容性，同時可減少纖維由于旋轉運動而造成折斷的程度，因此可以更好地保持植物短纖維的長徑比，更適于大長徑比植物短纖維增強熱塑性塑料復合材料的制備，并能顯著地提高制品的力學性能。

圖4 葉片擠壓系統原理結構示意圖

圖5 葉片擠出的短機械歷程特性和低能耗特性

2 驅動與傳動方式

驅動與傳動系統作為塑料塑化加工除外加熱源以外能量的主要來源，其工作效率是塑料加工設備性能優劣的重要標志之一。隨著對塑料機械行高效節能的要求不斷提高，其驅動與傳動方式經歷了從間接驅動到直接驅動，再到負載感應驅動的發展過程。

2.1 擠出機的驅動與傳動

傳統的塑料擠出機一直采用“電動機+減速箱+擠壓系統”的間接驅動方式。這種方式的應用會帶來能耗過大、效率低、控制響應慢等諸多問題。若采用“電動機+擠壓系統”的直接驅動方式，直接消除減速箱的能量消耗，將提高擠出機的驅動與傳動效率同時可提高控制響應速度和控制精度。

上世紀90年代初，提出了塑料塑化擠出直接電磁換能的新概念[11-12]，研制成功塑料電磁動態塑化擠出設備。這種新型擠出機的螺桿擠壓系統被置入驅動電機轉子的內腔中，實現物料的塑化擠出全過程在電機轉子內腔中完成。塑化擠出直接電磁換能方式是擠出機直接驅動的一種特殊實例，螺桿擠壓系統的驅動裝置是開發成功的低速大扭矩矢量變頻異步直接驅動系統。實驗和應用結果表明電磁動態塑化擠出設備與普通單螺桿擠出機比較可節能15%左右，體積重量減少50%以上。

圖6 PP/PS共混擠出物的相形態（PS刻蝕）

用低速大扭矩矢量變頻異步直接驅動系統驅動葉片擠壓系統，研制成功矢量變頻異步直接驅動葉片塑化擠出設備[13]，如圖7所示。來自料斗的物料在螺旋輸送過程中吸收驅動裝置的鐵耗和銅耗產生的熱量而被預熱到一定溫度，使葉片擠壓系統塑化輸運物料所需的能量減少。同時，這種驅動系統與葉片擠壓系統集成化的直接驅動葉片塑化擠出設備與電磁動態塑化擠出設備相比較，能量消耗進一步降低，擠出穩定性大為提高。

隨著稀土材料和功率電子技術的發展，低速大扭矩稀土永磁伺服電機開始在塑料機械上嶄露頭角。采用低速大扭矩稀土永磁伺服電機和葉片擠壓系統可組成稀土永磁伺服直接驅動葉片塑化擠出設備，其原理結構如圖8 所示。低速大扭矩稀土永磁伺服電機可以實現葉片擠壓系統負載感應驅動，最大限度地滿足拉伸流變控制的塑化輸運過程負載特性要求，降低驅動與傳動過程中的能量損耗，提高驅動效率，達到節能降耗的目的。

圖7 矢量變頻異步直接驅動葉片塑化擠出設備示意圖

2.2 注塑機的驅動與傳動

圖8 稀土永磁伺服直接驅動葉片塑化擠出設備示意圖

近幾年，國內外各種節能型注塑機驅動與傳動系統不斷涌現，如變頻控制式、變量泵式及電動控制式驅動系統[14]。在注塑機液壓驅動與傳動系統中，其能量損失是由節流損失與溢流損失兩大部分組成的，節能降耗的關鍵就在于減少這兩類的損失。例如，液壓變量驅動與傳動是注塑機的一種高效節能驅動方式，如圖9 所示。在這種液壓驅動與傳動系統中，通過調節液壓泵的排量，使系統流量、壓力與負載的要求相適應，最大限度地減少液壓系統的溢流損失與節流損失，有顯著的節能降耗效果。

圖9 注射機液壓變量驅動與傳動技術

現用注塑機注射和保壓過程均是通過直線運動來實現的。這種直線注射和保壓方式在不同的注塑機中都存在一系列缺點。在傳統的液壓式注塑機中，塑化過程由液壓馬達驅動螺桿旋轉運動，注射和保壓過程用油缸驅動柱塞或螺桿直線運動。整個塑化注射裝置部件多，結構復雜，成本高。尤其是在螺桿一線式注塑機中，螺桿和止逆環后大量未塑化好的物料參與注射時的直線運動，運動慣量大，摩擦阻力大，使注射時能量消耗大，注射速度和注射位置控制困難。在全電動注塑機中，注射運動往往通過滾珠絲桿將伺服電機的旋轉運動轉化為注射柱塞或螺桿的直線注射運動，除了與上述液壓注射機存在相同的問題外，還存在另外的問題：①傳動系轉動慣量更大，注射速度和位置控制困難；②滾珠絲桿易磨損；③噪音大；④設備成本和維修高。

針對注塑機直線注射和保壓方式存在的問題，結合葉片擠壓系統的特點，變直線位移計量為角位移計量、直線注射和保壓為旋轉注射和保壓，發明了塑料盤式旋轉注射方法及注塑機[15]。如圖10所示，在這種新型注塑機中，利用置于圓盤上環形槽中可繞圓盤中心旋轉的活塞做旋轉運動完成塑料的儲料、注射和保壓過程。進入盤式儲料缸的塑料熔體推動注射活塞旋轉，使儲料容積增大完成儲料；通過外部動力驅動注射活塞做與儲料時相反方向旋轉，推動盤式儲料缸中的物料從噴嘴中射出并注入模腔；保持注射活塞的轉矩可以保持模腔壓力，完成模腔保壓與物料補縮。

圖10 葉片注塑機旋轉注射結構示意圖

塑料盤式旋轉注塑機與采用直線注射和保壓方式的注塑機相比較具有體積小、儲料計量準確、注射能耗低、注射運動慣性小等特點。

3 過程控制系統

塑料制品加工成型是利用外場如力場、溫度場等使塑料產生熱機械形變的過程，而塑料機械是實施這一過程的手段與工具，它是一個過程裝備。塑料制品加工過程由于存在非線性、不確定性、時變性和不完全性等因素，一般無法獲得精確的過程數學模型，因此塑料機械的常規控制系統很難對過程實施精確控制。因此，先進加工成型過程控制系統是衡量塑料機械技術水平的重要標志之一。

以往塑料機械的過程控制系統都是采用通過對工藝條件（溫度、壓力和轉速等）控制來達到對制品質量（重量、尺寸、表面質量和性能等）的傳統控制。該控制系統由于對工藝條件、物料特性和操作的不同而產生的變化難以很好地響應，很難實現精準控制的目的。在塑料加工過程中，產品質量與工藝參數和過程變量之間的關系是難以確定的，而且塑料種類繁多和加工工藝條件多變，尤其是現在廢舊塑料回收循環利用以及可再生植物纖維資源利用對控制系統提出了新的挑戰。需要確定控制模型的傳統自動控制技術更是難以勝任多相多組分體系加工過程的控制。可以利用先進的測量與傳感技術、計算機技術、非線性系統等現代手段，在產品質量與工藝參數和過程變量之間建立反饋與耦合關系，對塑料加工成型過程實施智能化的精準控制控制。只有這種不需要預先知道確定制模模型的智能化控制系統才能滿足目前塑料機械發展需要。下面結合葉片塑化擠出和注射成型過程控制簡要介紹在塑料機械智能化控制系統研究方面的進展。

塑料拉伸形變支配的葉片塑化擠壓系統的應用，對擠出成型過程的控制技術提出了更高的要求，圖11是葉片塑化擠出成型過程智能化控制系統框圖。這里考慮了葉片塑化擠壓成型過程的集成化、網絡化與非線性過程優化技術，實現塑化擠出成型過程各工藝參數如加工溫度、擠出壓力、轉子轉速等的全閉環高精度智能控制，滿足擠壓成型過程制品的高質量要求。重點解決了加工溫度、擠出壓力、轉子轉速等數據采集與處理、過程自學習與自適應控制問題，特別是實現了驅動源能快速響應負載的變化而自適應調節動力能量輸出。此外，智能控制系統具有高可靠性、好的可擴展性以及友好的人機界面。

圖11 葉片塑化擠出成型過程智能化控制系統框圖

針對塑料葉片塑化盤式旋轉注射成型過程控制，開發了專用的智能化控制系統，如圖12 所示。這里考慮了旋轉注射成型過程注射位置、注射速度的全閉環控制，同時，實現了注射成型各階段系統壓力與流量的感應驅動全閉環控制。通過智能控制算法，實現了注射成型過程位置、速度、壓力、流量等工藝參數的高精度控制。此外，建立注射成型制品結構特征與最佳注射工藝參數數值關系的工藝數據庫，實現工藝參數自尋優，保證注射成型過程工藝參數的最優化。重點解決了塑化注射成型過程位置、速度、壓力、流量等工藝參數的測量采集處理、過程自學習與自適應控制問題，特別是實現了液壓動力驅動與傳動系統能快速響應負載的變化，達到能量按需供給的目的。

圖12 葉片塑化盤式旋轉注射成型過程智能化控制系統框圖

4 展望

塑料工業的可持續發展需要從節能減排、廢舊塑料回收循環利用以及塑料可再生資源替代出發，通過對塑料機械擠壓系統、驅動與傳動系統、過程控制系統以及制品成型系統等部分的創新研究與突破，形成具有自主知識產權的塑料綠色加工成型技術與裝備。在塑料機械的塑化輸運方法從純剪切形變加工到振動剪切形變加工再到體積拉伸形變加工演變、驅動與傳動方式從間接驅動到直接驅動再到負載敏感驅動、控制系統從電氣控制到數字化控制再到智能化控制等方面的研究取得了很好的進展。希望通過塑料機械行業同仁們的共同努力，將上述研究成果與行業的其他先進技術集成，加快產業化與商品化的進程，為推動我國乃至國際塑料機械技術進步做出貢獻。

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