塑料加工成型機械創(chuàng)新技術(shù)研究

瞿金平

（華南理工大學(xué)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(dāng)今世界具有極為重要的作用，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的各個領(lǐng)域。塑料加工工業(yè)是我國制造業(yè)發(fā)展最快的行業(yè)之一。然而，在塑料產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展的同時，資源、環(huán)境、能源三大問題凸現(xiàn)，制約了塑料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，成為了人們關(guān)注的熱點。在資源方面，傳統(tǒng)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(tǒng)石油基高分子材料發(fā)展受到遏制。在環(huán)境方面，傳統(tǒng)石油基塑料穩(wěn)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(shù)沒有得到充分的重視和發(fā)展，造成環(huán)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(yè)裝備，單位產(chǎn)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(huán)利用、加工過程節(jié)能降耗是支撐塑料加工行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵任務(wù)，也是生產(chǎn)方式向“綠色”轉(zhuǎn)變的重要標(biāo)志。同時，低能耗、高效率、環(huán)保型的綠色加工成型技術(shù)與裝備是塑料機械行業(yè)的發(fā)展趨勢，也是國家的重大需求。

圖1 塑料機械總體結(jié)構(gòu)示意圖

塑料原料及其輔料都要通過加工成型設(shè)備形成所需形狀、結(jié)構(gòu)與性能，成為有實用價值的材料與制品，這種加工成型設(shè)備統(tǒng)稱為塑料機械。一般塑料機械都由擠壓系統(tǒng)、驅(qū)動與傳動系統(tǒng)、過程控制系統(tǒng)以及制品成型系統(tǒng)等部分組成，如圖1 所示。目前，國內(nèi)外塑料機械的發(fā)展主要集中在這幾個部分的技術(shù)創(chuàng)新，以實現(xiàn)塑料機械具有節(jié)能降耗、無分揀廢舊塑料合金化加工和生物質(zhì)復(fù)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(qū)動與傳動方式從間接驅(qū)動到直接驅(qū)動再到負(fù)載敏感驅(qū)動、控制系統(tǒng)從電氣控制到數(shù)字化控制再到智能化控制，每一次技術(shù)創(chuàng)新性研究都會推動行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。

1 塑化輸運方法

擠壓系統(tǒng)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(zhì)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(jié)構(gòu)標(biāo)志和原理特征的擠壓系統(tǒng)消耗的能量遠(yuǎn)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(tǒng)的能耗是塑料機械的重大技術(shù)難題。

通過對傳統(tǒng)螺桿擠壓系統(tǒng)的研究可以發(fā)現(xiàn)普通螺桿不能強化塑料加工的傳質(zhì)傳熱過程。使螺桿擠壓系統(tǒng)的螺桿在轉(zhuǎn)動同時還做軸向周期性振動，實現(xiàn)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(zhì)傳熱效率。如圖2所示，其為純剪切和振動剪切流場的結(jié)構(gòu)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(zhì)，傳熱過程一般只是靠熱傳導(dǎo)和粘性耗散產(chǎn)生熱，如2（a）圖中a和c處，b和d處的物料沒有傳質(zhì)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(chǎn)生物質(zhì)交換，即圖2（b）中a和c處的物料會發(fā)生傳質(zhì)，垂直于流動方向上產(chǎn)生的物質(zhì)交換與純剪切類似。在振動剪切流場中產(chǎn)生的傳質(zhì)過程，有利于物料塑化和多相多組分體系共混，同時傳質(zhì)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(tǒng)消耗的能量也隨之減少。

振動力場的引入在擠壓系統(tǒng)中出現(xiàn)了之前所沒有的許多現(xiàn)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(xiàn)出來的非線性特征降低能耗，提高制品質(zhì)量[1-5]。同時振動力場的引入具有比較強的分子鏈解纏結(jié)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(chǎn)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(shù)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(zhì)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(shè)備很難實現(xiàn)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(shù)瓶頸。

實現(xiàn)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(tǒng)中，由于塑料是熱的不良導(dǎo)體，加上剪切流場中是層流換熱，導(dǎo)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(chǎn)生相互擠壓作用，b 處的物料會與d 和c 處的物料發(fā)生交換，從而提高了傳質(zhì)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(chǔ)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(xiàn)以拉伸形變?yōu)橹鲗?dǎo)的正位移塑化輸運機理[6-10]。實現(xiàn)拉伸形變支配的塑化輸運方法的設(shè)備由葉片塑化輸運單元（vane plasticating and conveying unit，VPCU）構(gòu)成，與螺桿擠壓系統(tǒng)（screw extrusion system，SES）相對應(yīng)，被稱為葉片擠壓系統(tǒng)（vane extrusion system，VES），如圖4 所示。在VPCU 中，由轉(zhuǎn)子、定子、若干葉片及擋板構(gòu)成一組具有確定幾何形狀的空間，由于轉(zhuǎn)子與定子內(nèi)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(yīng)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(tài)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(jìn)料口形成連續(xù)的通道，完成塑料的連續(xù)動態(tài)塑化輸運。

與螺桿（SES）相比，葉片擠壓系統(tǒng)（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(tǒng)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(tǒng)的1/4倍，如圖6所示。研究表明，葉片塑化輸運技術(shù)與螺桿塑化輸運技術(shù)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(zhì)復(fù)合材料等物料的共混加工，具體主要表現(xiàn)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(yīng)性提高，且輸送效率提高，完成塑化輸運過程所經(jīng)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(huán)利用次數(shù)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(huán)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(fā)生旋轉(zhuǎn)，而在旋轉(zhuǎn)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?yōu)橹鲗?dǎo)，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(tuán)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(zhuǎn)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(fù)合材料的制備，并能顯著地提高制品的力學(xué)性能。

圖4 葉片擠壓系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)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(qū)動與傳動方式

驅(qū)動與傳動系統(tǒng)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(shè)備性能優(yōu)劣的重要標(biāo)志之一。隨著對塑料機械行高效節(jié)能的要求不斷提高，其驅(qū)動與傳動方式經(jīng)歷了從間接驅(qū)動到直接驅(qū)動，再到負(fù)載感應(yīng)驅(qū)動的發(fā)展過程。

2.1 擠出機的驅(qū)動與傳動

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

上世紀(jì)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(tài)塑化擠出設(shè)備。這種新型擠出機的螺桿擠壓系統(tǒng)被置入驅(qū)動電機轉(zhuǎn)子的內(nèi)腔中，實現(xiàn)物料的塑化擠出全過程在電機轉(zhuǎn)子內(nèi)腔中完成。塑化擠出直接電磁換能方式是擠出機直接驅(qū)動的一種特殊實例，螺桿擠壓系統(tǒng)的驅(qū)動裝置是開發(fā)成功的低速大扭矩矢量變頻異步直接驅(qū)動系統(tǒng)。實驗和應(yīng)用結(jié)果表明電磁動態(tài)塑化擠出設(shè)備與普通單螺桿擠出機比較可節(jié)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(tài)（PS刻蝕）

用低速大扭矩矢量變頻異步直接驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動葉片擠壓系統(tǒng)，研制成功矢量變頻異步直接驅(qū)動葉片塑化擠出設(shè)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(qū)動裝置的鐵耗和銅耗產(chǎn)生的熱量而被預(yù)熱到一定溫度，使葉片擠壓系統(tǒng)塑化輸運物料所需的能量減少。同時，這種驅(qū)動系統(tǒng)與葉片擠壓系統(tǒng)集成化的直接驅(qū)動葉片塑化擠出設(shè)備與電磁動態(tài)塑化擠出設(shè)備相比較，能量消耗進(jìn)一步降低，擠出穩(wěn)定性大為提高。

隨著稀土材料和功率電子技術(shù)的發(fā)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(tǒng)可組成稀土永磁伺服直接驅(qū)動葉片塑化擠出設(shè)備，其原理結(jié)構(gòu)如圖8 所示。低速大扭矩稀土永磁伺服電機可以實現(xiàn)葉片擠壓系統(tǒng)負(fù)載感應(yīng)驅(qū)動，最大限度地滿足拉伸流變控制的塑化輸運過程負(fù)載特性要求，降低驅(qū)動與傳動過程中的能量損耗，提高驅(qū)動效率，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

圖7 矢量變頻異步直接驅(qū)動葉片塑化擠出設(shè)備示意圖

2.2 注塑機的驅(qū)動與傳動

圖8 稀土永磁伺服直接驅(qū)動葉片塑化擠出設(shè)備示意圖

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

圖9 注射機液壓變量驅(qū)動與傳動技術(shù)

現(xiàn)用注塑機注射和保壓過程均是通過直線運動來實現(xiàn)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(tǒng)的液壓式注塑機中，塑化過程由液壓馬達(dá)驅(qū)動螺桿旋轉(zhuǎn)運動，注射和保壓過程用油缸驅(qū)動柱塞或螺桿直線運動。整個塑化注射裝置部件多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高。尤其是在螺桿一線式注塑機中，螺桿和止逆環(huán)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(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shè)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(jié)合葉片擠壓系統(tǒng)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(zhuǎn)注射和保壓，發(fā)明了塑料盤式旋轉(zhuǎn)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(huán)形槽中可繞圓盤中心旋轉(zhuǎn)的活塞做旋轉(zhuǎn)運動完成塑料的儲料、注射和保壓過程。進(jìn)入盤式儲料缸的塑料熔體推動注射活塞旋轉(zhuǎn)，使儲料容積增大完成儲料；通過外部動力驅(qū)動注射活塞做與儲料時相反方向旋轉(zhuǎn)，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(zhuǎn)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(zhuǎn)注射結(jié)構(gòu)示意圖

塑料盤式旋轉(zhuǎn)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(zhǔn)確、注射能耗低、注射運動慣性小等特點。

3 過程控制系統(tǒng)

塑料制品加工成型是利用外場如力場、溫度場等使塑料產(chǎn)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(shù)學(xué)模型，因此塑料機械的常規(guī)控制系統(tǒng)很難對過程實施精確控制。因此，先進(jìn)加工成型過程控制系統(tǒng)是衡量塑料機械技術(shù)水平的重要標(biāo)志之一。

以往塑料機械的過程控制系統(tǒng)都是采用通過對工藝條件（溫度、壓力和轉(zhuǎn)速等）控制來達(dá)到對制品質(zhì)量（重量、尺寸、表面質(zhì)量和性能等）的傳統(tǒng)控制。該控制系統(tǒng)由于對工藝條件、物料特性和操作的不同而產(chǎn)生的變化難以很好地響應(yīng)，很難實現(xiàn)精準(zhǔn)控制的目的。在塑料加工過程中，產(chǎn)品質(zhì)量與工藝參數(shù)和過程變量之間的關(guān)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(xiàn)在廢舊塑料回收循環(huán)利用以及可再生植物纖維資源利用對控制系統(tǒng)提出了新的挑戰(zhàn)。需要確定控制模型的傳統(tǒng)自動控制技術(shù)更是難以勝任多相多組分體系加工過程的控制?？梢岳孟冗M(jìn)的測量與傳感技術(shù)、計算機技術(shù)、非線性系統(tǒng)等現(xiàn)代手段，在產(chǎn)品質(zhì)量與工藝參數(shù)和過程變量之間建立反饋與耦合關(guān)系，對塑料加工成型過程實施智能化的精準(zhǔn)控制控制。只有這種不需要預(yù)先知道確定制模模型的智能化控制系統(tǒng)才能滿足目前塑料機械發(fā)展需要。下面結(jié)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(tǒng)研究方面的進(jìn)展。

塑料拉伸形變支配的葉片塑化擠壓系統(tǒng)的應(yīng)用，對擠出成型過程的控制技術(shù)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(tǒng)框圖。這里考慮了葉片塑化擠壓成型過程的集成化、網(wǎng)絡(luò)化與非線性過程優(yōu)化技術(shù)，實現(xiàn)塑化擠出成型過程各工藝參數(shù)如加工溫度、擠出壓力、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速等的全閉環(huán)高精度智能控制，滿足擠壓成型過程制品的高質(zhì)量要求。重點解決了加工溫度、擠出壓力、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)采集與處理、過程自學(xué)習(xí)與自適應(yīng)控制問題，特別是實現(xiàn)了驅(qū)動源能快速響應(yīng)負(fù)載的變化而自適應(yīng)調(diào)節(jié)動力能量輸出。此外，智能控制系統(tǒng)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(tǒng)框圖

針對塑料葉片塑化盤式旋轉(zhuǎn)注射成型過程控制，開發(fā)了專用的智能化控制系統(tǒng)，如圖12 所示。這里考慮了旋轉(zhuǎn)注射成型過程注射位置、注射速度的全閉環(huán)控制，同時，實現(xiàn)了注射成型各階段系統(tǒng)壓力與流量的感應(yīng)驅(qū)動全閉環(huán)控制。通過智能控制算法，實現(xiàn)了注射成型過程位置、速度、壓力、流量等工藝參數(shù)的高精度控制。此外，建立注射成型制品結(jié)構(gòu)特征與最佳注射工藝參數(shù)數(shù)值關(guān)系的工藝數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)工藝參數(shù)自尋優(yōu)，保證注射成型過程工藝參數(shù)的最優(yōu)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(shù)的測量采集處理、過程自學(xué)習(xí)與自適應(yīng)控制問題，特別是實現(xiàn)了液壓動力驅(qū)動與傳動系統(tǒng)能快速響應(yīng)負(fù)載的變化，達(dá)到能量按需供給的目的。

圖12 葉片塑化盤式旋轉(zhuǎn)注射成型過程智能化控制系統(tǒng)框圖

4 展望

塑料工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展需要從節(jié)能減排、廢舊塑料回收循環(huán)利用以及塑料可再生資源替代出發(fā)，通過對塑料機械擠壓系統(tǒng)、驅(qū)動與傳動系統(tǒng)、過程控制系統(tǒng)以及制品成型系統(tǒng)等部分的創(chuàng)新研究與突破，形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的塑料綠色加工成型技術(shù)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(qū)動與傳動方式從間接驅(qū)動到直接驅(qū)動再到負(fù)載敏感驅(qū)動、控制系統(tǒng)從電氣控制到數(shù)字化控制再到智能化控制等方面的研究取得了很好的進(jìn)展。希望通過塑料機械行業(yè)同仁們的共同努力，將上述研究成果與行業(yè)的其他先進(jìn)技術(shù)集成，加快產(chǎn)業(yè)化與商品化的進(jìn)程，為推動我國乃至國際塑料機械技術(shù)進(jìn)步做出貢獻(xiàn)。

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