楊衛(wèi)民

(1.北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,高分子材料先進(jìn)制造英藍(lán)實(shí)驗(yàn)室,北京100029;2.青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,高分子材料先進(jìn)制造山東省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東青島266061)

高分子材料先進(jìn)制造的微積分思想

楊衛(wèi)民1,2

(1.北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,高分子材料先進(jìn)制造英藍(lán)實(shí)驗(yàn)室,北京100029;2.青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,高分子材料先進(jìn)制造山東省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東青島266061)

為了解決現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展進(jìn)程中,高分子制品微型精密化和大型復(fù)雜化所遇到的瓶頸問(wèn)題,提出了高分子材料先進(jìn)制造的微積分思想?；谶@一思想,在高分子材料注射成型、擠出成型、靜電紡絲、納米復(fù)合材料制備和制品結(jié)構(gòu)創(chuàng)新等先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域開(kāi)展了比較系統(tǒng)的原理探索和方法研究,發(fā)明了一系列加工成型新方法、新裝備和制品應(yīng)用新技術(shù)。通過(guò)部分工業(yè)化應(yīng)用的實(shí)踐檢驗(yàn),證明高分子材料先進(jìn)制造的微積分思想對(duì)于突破傳統(tǒng)制造模式的束縛、發(fā)展加工成型新方法和制品應(yīng)用新技術(shù)具有一定的指導(dǎo)意義。

先進(jìn)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(jìn)步在很大程度上取決于制造業(yè)的發(fā)展?，F(xiàn)代制造業(yè)主要是將金屬、無(wú)機(jī)非金屬和有機(jī)高分子材料加工成各種用途的制品。自1907年出現(xiàn)合成酚醛樹(shù)脂以來(lái),高分子材料的人工合成和加工應(yīng)用取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。高分子材料由于具有諸多優(yōu)點(diǎn),正越來(lái)越多地取代金屬和無(wú)機(jī)非金屬,成為現(xiàn)代制造業(yè)重要的基礎(chǔ)材料。從小至萬(wàn)分之一克的微型精密齒輪到大至數(shù)噸重的巨型工程輪胎,可以看出高分子材料加工制造技術(shù)的發(fā)展前沿和明顯趨勢(shì)。目前,高分子材料加工成型仍然延續(xù)著傳統(tǒng)制造業(yè)的慣性思維模式:即用小型設(shè)備制造小型制品,用大型設(shè)備制造大型制品。沿著這一思路發(fā)展的工藝路線給高分子材料加工成型裝備提出了越來(lái)越嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。例如,在高分子材料的微注射成型裝備方面,當(dāng)塑化注射螺桿縮小到12 mm時(shí),已接近強(qiáng)度極限,進(jìn)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(kāi)發(fā)一種更大規(guī)格的輪胎就需要配套相應(yīng)的加工成型裝備,設(shè)備投資規(guī)模和加工制造難度大幅度提高。這些問(wèn)題已經(jīng)成為制約高分子材料加工制造業(yè)繼續(xù)發(fā)展的一大瓶頸。筆者在研究解決這些問(wèn)題的過(guò)程中,受到高等數(shù)學(xué)經(jīng)典微積分原理的啟迪,提出了高分子材料先進(jìn)制造的微積分思想。近年來(lái),帶領(lǐng)研究團(tuán)隊(duì)圍繞高分子材料加工成型和制品應(yīng)用的微積分原理及可行方法,開(kāi)展了較為系統(tǒng)的研究。目前,有些研究課題已進(jìn)展到工業(yè)化應(yīng)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(jīng)典數(shù)學(xué)的微積分原理,但在工程實(shí)際應(yīng)用中不可能也無(wú)必要達(dá)到嚴(yán)格數(shù)學(xué)意義上的極限狀態(tài)。

1 微分、積分注射成型原理與方法

基于高分子材料先進(jìn)制造的微積分思想,筆者提出了微分注射成型的概念,發(fā)明了一種微分注塑機(jī)。微分注塑機(jī)的關(guān)鍵是在高分子聚合物熔融塑化注射系統(tǒng)的前端設(shè)置微分泵,如圖1所示,其基本結(jié)構(gòu)和工作原理如圖2所示。行星齒輪式熔體微分泵,具有一進(jìn)多出且均勻分割計(jì)量的功能,對(duì)高分子熔體進(jìn)行分流、輸送、增壓和計(jì)量注射,配合相應(yīng)的模具實(shí)現(xiàn)微分注射成型。采用微分注射成型方法,可用一臺(tái)微分注塑機(jī)代替多臺(tái)微注塑機(jī),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(duì)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(yè)。一種可行的實(shí)現(xiàn)方案是將圖1所示的微分泵進(jìn)出口倒置成為積分泵,用多臺(tái)小型塑化裝置分別塑化供料,通過(guò)積分泵匯流后進(jìn)入模腔,實(shí)現(xiàn)大型制品的精密注射成型。采用積分成型方法還有利于實(shí)現(xiàn)注射成型裝備的模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化,可根據(jù)制品大小組合成為相應(yīng)規(guī)格的成型裝備。

2 微分、積分?jǐn)D出成型原理與方法

微分或積分?jǐn)D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(guò)程。圖3所示為筆者發(fā)明的熔體微分?jǐn)D出機(jī)。微分?jǐn)D出機(jī)通過(guò)微分泵,實(shí)現(xiàn)一個(gè)塑化系統(tǒng)同時(shí)均勻地?cái)D出成型多條制品的功能,對(duì)于紡絲、光纖、電纜、型材等高效率生產(chǎn)裝備的研發(fā)具有重要意義。筆者同時(shí)還發(fā)明了熔體積分?jǐn)D出機(jī),其基本原理是通過(guò)積分泵的匯流作用,實(shí)現(xiàn)多臺(tái)小型塑化擠出系統(tǒng)同時(shí)供料生產(chǎn)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(dòng)平衡和分布均勻性是影響制品品質(zhì)的關(guān)鍵。根據(jù)微積分思想,筆者發(fā)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(duì)高分子熔體進(jìn)行微分和等壓等流量輸送,然后再到模具內(nèi)積分匯流,從而保障流動(dòng)平衡,提高制品均勻性,降低模具設(shè)計(jì)與制造難度。在此基礎(chǔ)上還可衍生出多種擠出成型新方法。

圖3 微分?jǐn)D出成型原理Fig.3 Schematic diagram of differential extrusion

圖4 微積分?jǐn)D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(rèn)為是最有希望用于制造納米纖維的方法,但至今尚未進(jìn)入大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用階段。國(guó)內(nèi)外在這一領(lǐng)域開(kāi)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(shù)路線。從公開(kāi)發(fā)表的專利和文獻(xiàn)來(lái)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(shí)驗(yàn)室采用玻璃容器供料容易實(shí)現(xiàn)高壓電絕緣,但存在著溶劑回收的問(wèn)題;而熔融電紡沒(méi)有溶劑揮發(fā),但金屬料筒的高壓電絕緣等設(shè)備難題使得涉足這一領(lǐng)域的研究者十分罕見(jiàn)。上述兩條技術(shù)路線除了各自不同的難題之外,在實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的道路上必須跨越的共同障礙是生產(chǎn)效率太低,典型的靜電紡絲采用毛細(xì)管噴頭,紡絲效率一般為0.001～1 g/h。

筆者帶領(lǐng)研究團(tuán)隊(duì)直接針對(duì)裝備技術(shù)難度大,但具有節(jié)能環(huán)保優(yōu)勢(shì)的熔融靜電紡絲技術(shù)進(jìn)行攻關(guān),成功解決了高分子熔體靜電紡絲裝置高壓絕緣等設(shè)備技術(shù)難題,同時(shí)還基于微積分思想,提出了熔體微分靜電紡絲原理,發(fā)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(tǒng)毛細(xì)管噴頭相比,紡絲效率可提高100倍以上。在此基礎(chǔ)上,還發(fā)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(jù)積分基數(shù)大小,產(chǎn)量還可再提高100倍以上,從而可以滿足工業(yè)化生產(chǎn)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(xì)纖維,直徑為190 nm,質(zhì)地密實(shí)光滑。圖8是采用毛細(xì)管溶液靜電紡絲方法所制得的纖維,由于溶劑揮發(fā)造成了纖維表面的孔洞缺陷,會(huì)影響到纖維的強(qiáng)度。不難看出,與溶液法相比,筆者發(fā)明的超細(xì)纖維熔體靜電紡絲技術(shù)不僅環(huán)保節(jié)能,而且產(chǎn)品性能也有顯著提高。在此基礎(chǔ)上,還發(fā)明了一些熔融靜電紡絲的新技術(shù)。

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(fù)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F(xiàn)ig.7 SEM micrograph for differential electrostatic spinning fiber

圖8 溶液靜電紡絲電鏡照片F(xiàn)ig.8 SEM micrograph for solution electrostatic spinning fibers

高分子材料先進(jìn)制造微積分思想的正確性在制備納米復(fù)合材料方面也有很好的例證。關(guān)于這方面的研究,最早有 Shrenk等申請(qǐng)的美國(guó)專利 3557265、3565985、3884606,以及近年國(guó)內(nèi)學(xué)者郭少云等申請(qǐng)的中國(guó)專利CN1511694A和200610022348.6。如圖9、10所示,其主要技術(shù)特征在于通過(guò)一種分疊器將入口端的片狀復(fù)合高分子熔體分割為兩股或四股,然后上下錯(cuò)開(kāi)分流,再展寬交匯實(shí)現(xiàn)一次折疊。通過(guò)多個(gè)分疊器串聯(lián)使用可得到多層結(jié)構(gòu)的高分子材料。這種新方法在制備諸如彩虹膜等微層復(fù)合材料等方面已經(jīng)得到了成功應(yīng)用。但是,前述的發(fā)明還存在一個(gè)共同的缺點(diǎn):分疊器流道從分流到匯流疊合的過(guò)程中存在著熔體流動(dòng)路徑均衡性差的問(wèn)題,如圖10所示,不僅給設(shè)備的設(shè)計(jì)和制造帶來(lái)很大的困難,而且難以保障熔體微分積分過(guò)程的分層均勻性。

圖9 美國(guó)專利分疊器的照片F(xiàn)ig.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(duì)上述不足,筆者發(fā)明了一種熔體分割效率高、流動(dòng)均衡性好、分層過(guò)程中壓力損失小的疊層復(fù)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(jīng)過(guò)5等分的分割和疊合,串聯(lián)6個(gè),依次進(jìn)行熔體微分和積分疊合,可得到總層數(shù)為2×56=31250層的多層復(fù)合結(jié)構(gòu)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(jìn)一步將其拉伸至于0.1 mm厚度時(shí),該復(fù)合材料的層間厚度即可達(dá)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(fù)合材料。

圖11 新型分疊器的數(shù)字樣機(jī)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(yīng)用實(shí)例

高分子制品在國(guó)民經(jīng)濟(jì)諸多領(lǐng)域應(yīng)用已十分廣泛,而且還在不斷擴(kuò)展。為了滿足一些復(fù)雜系統(tǒng)和大型化應(yīng)用場(chǎng)合的特殊要求,根據(jù)微積分思想,采取化整為零,積小為大的技術(shù)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(gè)典型產(chǎn)品為例來(lái)說(shuō)明這一論點(diǎn)。

5.1 微積分結(jié)構(gòu)的大型塑料制品

高分子材料先進(jìn)制造的微積分思想在船舶與海洋工程領(lǐng)域大型塑料制品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與應(yīng)用方面有著廣闊的發(fā)展前景。圖13為傳統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)游艇碼頭,圖14所示為不飽和樹(shù)脂基玻纖增強(qiáng)高分子復(fù)合材料的現(xiàn)代游艇。按照微積分思想的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),可使這類大型高分子制品的加工制造工藝簡(jiǎn)化,成本降低,性能更優(yōu)。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(shí)際應(yīng)用。圖16為筆者發(fā)明的微分單元積分組合式游艇船體結(jié)構(gòu)示意圖。筆者利用微分單元化的骨架材料以穩(wěn)定的力學(xué)結(jié)構(gòu)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(gòu)成一個(gè)連通的成型模具型腔,然后將高分子樹(shù)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(yīng)或冷卻固化,從而得到帶有骨架增強(qiáng)的復(fù)合材料制品,實(shí)現(xiàn)大型高分子復(fù)合材料制品的無(wú)模具快速成型。

圖13 整體結(jié)構(gòu)游艇碼頭Fig.13 The overall structure of the marina

圖14 聚酯玻纖復(fù)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(jié)構(gòu)游艇船體Fig.16 Differential modular truss structure of yachts

5.2 微積分結(jié)構(gòu)的大型橡膠制品

輪胎作為高分子基復(fù)合材料的一類典型制品,雖然在近百年來(lái)經(jīng)歷了由斜交胎到子午胎的重大變革,但其制造工藝并沒(méi)有本質(zhì)的改變。迄今為止,輪胎制造依然延續(xù)著傳統(tǒng)的工藝流程,即從各種橡膠部件的擠出、壓延到胎胚的預(yù)成型,再到硫化定型的工藝路線。采用這種方法制造規(guī)格巨大的工程輪胎必然存在制造成本過(guò)高的問(wèn)題。隨著輪胎規(guī)格的增大,技術(shù)難度急劇增加,制造過(guò)程所必需的膠片擠出生產(chǎn)線、鋼絲簾布?jí)貉由a(chǎn)線、輪胎成型機(jī)和定型硫化機(jī)等設(shè)備投資十分巨大。圖17為山東時(shí)風(fēng)集團(tuán)生產(chǎn)的直徑3.7 m、重達(dá)4 t的巨型工程輪胎,圖18為筆者研制并成功應(yīng)用于該巨型輪胎生產(chǎn)的超寬幅膠片擠出成型設(shè)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(chǎn)裝置Fig.18 The film extrusion equipment for the giant tire

為解決輪胎大型化帶來(lái)的設(shè)備投資大、制造成本高的問(wèn)題,同樣基于高分子材料先進(jìn)制造的微積分思想,筆者發(fā)明了一種彈性單元組合式輪胎,可望使輪胎制造設(shè)備不再隨輪胎規(guī)格而增大,并且完全不需要輪胎成型機(jī)和輪胎硫化機(jī)等重型裝備,只需制備出空氣彈簧和金屬或復(fù)合材料支撐的環(huán)形履帶式胎面模塊,進(jìn)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(jià)格低廉的普通平板硫化機(jī)完成,從而可大幅度降低制造難度和設(shè)備投資。實(shí)施示意圖如圖19和20所示,其基本構(gòu)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(jié)構(gòu)特點(diǎn)是將傳統(tǒng)輪胎連續(xù)的柔性胎體分割離散為若干個(gè)彈性單元,然后按照履帶的連接方式將足夠數(shù)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(jié)構(gòu)的新型輪胎不僅可以簡(jiǎn)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(yōu)點(diǎn),特別適合于大型工程車和軍用越野車等領(lǐng)域。

圖19 彈性單元組合式輪胎數(shù)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(jié)構(gòu)Fig.20 The structure of the elastic element combined tire

5.3 微分?jǐn)_流單元組合強(qiáng)化傳熱裝置——潔能芯

在石油化工、電力、冶金等高能耗行業(yè)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(jié)垢所造成的傳熱劣化,是造成能源利用效率低下的關(guān)鍵問(wèn)題,也是節(jié)能減排潛力最大的領(lǐng)域之一。針對(duì)這一問(wèn)題,國(guó)內(nèi)外眾多研究者和工程技術(shù)人員進(jìn)行了大量的研究,采用高分子材料制造的強(qiáng)化傳熱裝置被認(rèn)為是一種既經(jīng)濟(jì)又可行的方案。但是,原有整體結(jié)構(gòu)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(fā)電機(jī)組等重大裝備上推廣應(yīng)用。為此,筆者基于微積分思想,研究發(fā)明了擾流單元組合式強(qiáng)化傳熱裝置——潔能芯[2],實(shí)現(xiàn)了傳熱管自清潔強(qiáng)化傳熱功能,換熱效率提高20%,經(jīng)過(guò)中國(guó)石油和化學(xué)工業(yè)協(xié)會(huì)組織的專家鑒定,達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。目前已在中國(guó)石油化工股份有限公司、大唐電力集團(tuán)公司、國(guó)電集團(tuán)公司、華能集團(tuán)公司等大中型換熱器上推廣應(yīng)用,取得了明顯的節(jié)能減排效果。該技術(shù)的核心在于將大型系統(tǒng)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)離散微分為單元轉(zhuǎn)子,從而使該強(qiáng)化傳熱裝置效果更好,可用于任意長(zhǎng)度的傳熱管并且能適應(yīng)管道彎曲而不損傷設(shè)備。圖21為微分轉(zhuǎn)子擾流“場(chǎng)協(xié)同”作用模擬結(jié)果,圖22為數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的擾流單元轉(zhuǎn)子積分組裝于汽輪機(jī)凝汽器的實(shí)景照片。

圖21 微分轉(zhuǎn)子擾流單元流場(chǎng)模擬結(jié)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(jī)凝汽器Fig.22 The assembly of the rotors in the turbine condenser

6 結(jié)語(yǔ)

高分子材料先進(jìn)制造的微積分思想給高分子材料加工成型及制品應(yīng)用研究開(kāi)啟一扇風(fēng)景秀美的窗戶。投身于這一領(lǐng)域研究的團(tuán)隊(duì)師生都充滿激情,沿著這一思路所開(kāi)展的研究盡管也遇到了各種各樣的困難,但每一個(gè)研究方向都不斷取得新的進(jìn)展。有的研究成果已經(jīng)進(jìn)入到工業(yè)化應(yīng)用階段,得到許多同行專家的支持和鼓勵(lì)。我們將繼續(xù)深入地開(kāi)展這項(xiàng)研究,也希望更加廣泛地開(kāi)展產(chǎn)學(xué)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(yīng)用新技術(shù),推動(dòng)現(xiàn)代制造業(yè)的科學(xué)發(fā)展。

[1] 楊衛(wèi)民,丁玉梅,顏 超.兩端進(jìn)料式寬幅片材擠出機(jī)頭:中國(guó),200720149266.8[P].2008-04-01.

[2] 楊衛(wèi)民,耿立波,丁玉梅,等.轉(zhuǎn)子式自清潔強(qiáng)化傳熱裝置:中國(guó),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(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2007BAF13B01)、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(50973009)、教育部博士點(diǎn)基金項(xiàng)目(20090010110005)、山東省“泰山學(xué)者”計(jì)劃項(xiàng)目

聯(lián)系人,yangwm@mail.buct.edu.cn