瞿金平院士團隊讓塑料加工行業(yè)發(fā)展瓶頸“迎刃而解”與螺桿“較勁”30載發(fā)明綠色加工新方法

文/路平

瞿金平院士團隊讓塑料加工行業(yè)發(fā)展瓶頸“迎刃而解”與螺桿“較勁”30載發(fā)明綠色加工新方法

文/路平

塑料作為日常生活中再尋常不過的一種材料，早已深入到生活中的每一個細節(jié)。然而長期以來，塑料生產(chǎn)行業(yè)卻始終處于高耗能、高浪費狀態(tài)，被人視為“落后產(chǎn)能”和“夕陽行業(yè)”。針對高分子材料加工產(chǎn)業(yè)高耗能、石油短缺、環(huán)境污染日益嚴峻等問題，中國工程院院士、華南理工大學聚合物新型成型裝備國家工程研究中心主任、聚合物成型加工工程教育部重點實驗室主任瞿金平團隊，發(fā)明了一系列基于拉伸流變的高分子材料綠色加工成型新方法及裝備，實現(xiàn)了高分子材料“基于剪切流變加工”到“基于拉伸流變加工”的重大轉(zhuǎn)變。成果“基于拉伸流變的高分子材料綠色加工成型技術(shù)”也獲得2015年度國家技術(shù)發(fā)明二等獎。

率先提出塑料加工新方法

瞿金平說，螺桿作為塑料生產(chǎn)行業(yè)人所共知的代表性零部件，從塑料誕生的那天起就與之如影隨形。而這也正是造成塑料生產(chǎn)行業(yè)高耗能、高浪費的癥結(jié)所在。他表示，螺桿的長度越長，塑料加工機械的能耗越大，螺桿加工制造越困難。而隨著塑料品種不斷增加和制品要求不斷提高，螺桿的長度是越來越長，塑料生產(chǎn)的耗電更是節(jié)節(jié)攀高。瞿金平偏不信這個邪，硬是和螺桿杠上了，并大膽假想去掉螺桿，采用葉片取而代之的方法。

瞿金平說，從塑料加工的學術(shù)上講，螺桿是靠給物料施加具有“剪刀差”的剪切形變而工作的，同時物料也承受了少量拉壓形變的作用。他們過去十幾年在研究塑料動態(tài)塑化加工過程中發(fā)現(xiàn)，螺桿之所以能縮短，是由于其軸向振動增加了對物料的拉壓形變作用。如果反其道而行之，塑料加工時主要承受拉壓形變作用，而剪切形變作用是次要的，是否就可以不需要螺桿呢？一個大膽的設(shè)想就這么誕生了。

對于“拉伸流變”的原理，瞿金平說其靈感源于頗具廣東特色的潮汕牛肉丸:“潮汕牛肉丸是不是越吃越有嚼頭？其之所以有韌勁耐嚼不就是因為牛肉是打出來的而沒有破壞其內(nèi)在的纖維結(jié)構(gòu)嗎？做牛肉丸的人實在是太聰明了，可以不用刀，我們何不也試試塑料加工不用螺桿呢？”由此，他們團隊就想到了要拿掉螺桿！但用什么取而代之呢？葉片！葉片在由定子、轉(zhuǎn)子及葉片組成的特定幾何空間中轉(zhuǎn)動時帶動物料輸送，同時隨流道截面積由小到大再由大到小周期性變化過程中承受拉伸和壓縮作用，這樣就擺脫了在使用螺桿輸送塑化過程中對物料很強的剪切作用從而使其大分子鏈斷裂的過程，如此一來，既加快了物料的輸送塑化效率，又避免了物料大分子結(jié)構(gòu)的改變，從而大大提高了生產(chǎn)效率和塑料制品的生產(chǎn)質(zhì)量。

瞿金平院士（左一）為來訪專家介紹項目研究情況

實現(xiàn)三大關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新

瞿金平表示，高分子材料加工成型是高分子材料在外場作用下的流動和變形過程，而基于拉伸流變的高分子材料綠色加工成型技術(shù)將剪切與拉伸流變作用的主次關(guān)系顛倒過來，其對應(yīng)的加工原理、技術(shù)、裝備及理論都完全不同，突破了高分子材料加工裝備以螺桿為標志的結(jié)構(gòu)模式，解決了受傳統(tǒng)螺桿加工方法和理論的框架限制而導致高分子材料行業(yè)技術(shù)升級難的問題。一方面，新技術(shù)改變了傳統(tǒng)螺桿加工設(shè)備依靠物料外摩擦力、內(nèi)摩擦力作用的物料輸運方式，首次在高分子材料塑化加工過程中利用物料體積連續(xù)變化實現(xiàn)完全正位移強制體積輸運，解決了傳統(tǒng)螺桿拖曳輸運方法的物料輸送效率低、對物料適應(yīng)性差等問題。

同時，該項目顛覆了傳統(tǒng)剪切流變支配的高分子材料塑化混煉方式，首次提出了拉伸流變支配的高分子材料塑化混煉新機理，解決了傳統(tǒng)螺桿加工設(shè)備由于受剪切流變支配而導致的塑化能力低、物料易降解、制品性能差、循環(huán)利用難等問題。此外，還突破了高分子材料加工技術(shù)裝備以螺桿為標志的結(jié)構(gòu)模式，首次開發(fā)了非螺桿擠壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的幾何拓撲新技術(shù)，解決了傳統(tǒng)螺桿擠壓系統(tǒng)熱機械歷程長、能耗高、設(shè)備結(jié)構(gòu)體積大等問題。

推動技術(shù)設(shè)備產(chǎn)業(yè)化

新設(shè)備樣機生產(chǎn)出來之后，瞿金平非常關(guān)心樣機在企業(yè)的實際生產(chǎn)情況，畢竟只有一線的員工才最有資格判定機器是不是真的合格?！敖?jīng)東莞、汕頭、武漢、深圳等地企業(yè)的實際生產(chǎn)狀況統(tǒng)計，我們的物料損耗大大降低，能耗下降約30%左右，污染自然也就跟著得到大大下降?！蓖瑫r，塑料無螺桿塑化擠出技術(shù)及設(shè)備經(jīng)行業(yè)有關(guān)專家鑒定，是國內(nèi)外高分子材料成型加工領(lǐng)域的重大創(chuàng)新，處于國際領(lǐng)先水平。

新技術(shù)擺脫了塑料加工機械200年來都未曾離開過的螺桿，也醞釀著塑料加工機械及相關(guān)行業(yè)一場技術(shù)升級換代“風暴”。早在2009年5月參加廣州國際橡膠塑料機械展覽會的時候，就有德國、意大利、日本等國從事塑料加工設(shè)備生產(chǎn)的大公司向瞿金平及其團隊遞出了橄欖枝，表示了強烈的轉(zhuǎn)讓技術(shù)的意愿。“雖然當時有個國內(nèi)企業(yè)老總愿意出1.3個億買斷我的技術(shù)，但我還是要在廣東投資設(shè)廠進行新設(shè)備的產(chǎn)業(yè)化。畢竟廣東才是孕育這一技術(shù)的發(fā)源地。”瞿金平說，廣東的塑料產(chǎn)業(yè)產(chǎn)量占據(jù)全國四分之一強，穩(wěn)居全國第一，在本省投產(chǎn)最合適?！斑@是塑料生產(chǎn)行業(yè)洗牌的大好時機，也是我們在國際塑料加工機械領(lǐng)域打翻身仗的絕佳機會。”

據(jù)統(tǒng)計，目前世界范圍內(nèi)塑料加工機械的產(chǎn)銷量為196億歐元，我國的塑料加工機械產(chǎn)銷量為200億元人民幣。瞿金平團隊的新技術(shù)產(chǎn)品如果在國內(nèi)實現(xiàn)10%的市場份額，就可以創(chuàng)造22億元以上的產(chǎn)值。而要在國外實現(xiàn)10%以上的產(chǎn)品替代，就可以創(chuàng)造100億元以上的產(chǎn)值。因此，產(chǎn)業(yè)前景不可估量。

以綠色加工引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級

據(jù)了解，基于拉伸流變的高分子材料綠色加工成型技術(shù)及裝備已在10多家龍頭企業(yè)產(chǎn)業(yè)化推廣，效果顯著，有力助推高分子材料加工產(chǎn)業(yè)向綠色制造轉(zhuǎn)型升級，被鑒定為“處于國際領(lǐng)先水平”。瞿金平說：“該技術(shù)已經(jīng)申請了27項中國發(fā)明專利，其中14項已獲得中國發(fā)明專利授權(quán)，構(gòu)筑了相應(yīng)的專利池，形成了比較完整的自主知識產(chǎn)權(quán)體系?！逼渲校盎诶炝髯兊母叻肿硬牧纤芑斶\方法及設(shè)備”獲得了美國、歐洲、日本等13個國家/地區(qū)發(fā)明專利授權(quán)。項目實施以來共發(fā)表SCI收錄學術(shù)論文103篇。新技術(shù)還獲得2010年度廣東省技術(shù)發(fā)明一等獎，2014年度中國專利獎金獎，2014年度教育部高等學?？茖W研究優(yōu)秀成果獎技術(shù)發(fā)明獎一等獎。

高分子材料加工是眾所周知的高耗能產(chǎn)業(yè)。通過該技術(shù)的推廣應(yīng)用，還促進了資源綜合利用，推動行業(yè)低能耗生產(chǎn)，減輕能源資源及環(huán)境的壓力。據(jù)統(tǒng)計，2013年全國塑料制品生產(chǎn)能耗超過216.5億千瓦時，如果按新技術(shù)平均節(jié)能20%計算，平均單耗將從350千瓦時/噸下降到280千瓦時/噸，每年可為塑料制品生產(chǎn)企業(yè)節(jié)省用電43.3億度。而新技術(shù)設(shè)備也可應(yīng)用于廢棄生物質(zhì)、廢舊塑料的資源化利用等方面，在緩解石油資源短缺、廢舊塑料污染方面發(fā)揮重要作用。通過應(yīng)用相關(guān)設(shè)備，在保證制品性能的前提下，生物質(zhì)纖維填充量可超過65%；回收的廢棄不相容塑料無需分揀即可實現(xiàn)再生利用。

此外，新技術(shù)裝備的推廣應(yīng)用，突破了國外技術(shù)壁壘，提升了我國高分子材料高端制品加工能力及材料加工成型裝備的國際竟爭力，推動了高性能新材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級。廣州一道注塑機械有限公司在開發(fā)聚酯瓶胚快速注射成型專用設(shè)備的過程中，與國際聚酯瓶胚專用設(shè)備制造龍頭企業(yè)Husky公司的競爭十分激烈，通過采用該技術(shù)，大幅提升了設(shè)備的性能，在國際市場競爭中處于優(yōu)勢地位。