瞿金平

(1．華南理工大學(xué)聚合物新型成型裝備國(guó)家工程研究中心，廣州 510640;2．華南理工大學(xué)聚合物成型加工工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640)

1 前言

塑料已廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域中，成為與鋼材、水泥、木材并駕齊驅(qū)的基礎(chǔ)材料。塑料產(chǎn)業(yè)是輕工業(yè)支柱產(chǎn)業(yè)之一，塑料加工成型機(jī)械是輕工裝備的重要組成部分。隨著輕工業(yè)的生產(chǎn)方式向“綠色”轉(zhuǎn)變，低耗、高效、環(huán)保型的加工成型技術(shù)正成為塑料加工行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，每一次技術(shù)創(chuàng)新性研究都會(huì)推動(dòng)行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。

塑料加工成型是物料在熱機(jī)械作用下的形變過(guò)程，通常稱該過(guò)程為熱機(jī)械歷程，即通過(guò)熱能以及機(jī)械能的轉(zhuǎn)化將塑料熔融塑化并經(jīng)特定的模具形成制品。因此，如何最大限度地提高能量轉(zhuǎn)化效率，即提高傳熱傳質(zhì)效率、縮短熱機(jī)械作用歷程成為塑料加工節(jié)能降耗的關(guān)鍵所在。以螺桿作為結(jié)構(gòu)標(biāo)志和原理特征的螺桿機(jī)械是國(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)用的塑料加工成型設(shè)備，但卻普遍存在塑化輸運(yùn)熱機(jī)械歷程長(zhǎng)、能耗高、設(shè)備體積和重量大、對(duì)物料特性依賴性強(qiáng)等缺陷［1］。筆者及其研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)多年對(duì)塑料加工成型技術(shù)的創(chuàng)新思考與實(shí)踐，突破了傳統(tǒng)塑料塑化加工方法與原理，將振動(dòng)力場(chǎng)引入塑料塑化加工成型全過(guò)程，提出并成功開(kāi)發(fā)塑料動(dòng)態(tài)加工成型方法及設(shè)備［2～4］，實(shí)現(xiàn)了塑料加工成型原理和方法由“穩(wěn)態(tài)”到“動(dòng)態(tài)”的變革，取得了多項(xiàng)被鑒定為國(guó)際領(lǐng)先水平的關(guān)鍵技術(shù)成果，并系統(tǒng)地發(fā)展了塑料動(dòng)態(tài)加工成型理論［5～10］。塑料動(dòng)態(tài)塑化加工成型設(shè)備與傳統(tǒng)螺桿式設(shè)備相比，具有加工熱機(jī)械歷程縮短20%以上、加工能耗降低15%左右、制品性能提高、對(duì)物料適應(yīng)性廣等顯著特點(diǎn)，已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化和推廣應(yīng)用。

在塑料動(dòng)態(tài)加工技術(shù)研究開(kāi)發(fā)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)在螺桿軸向振動(dòng)對(duì)物料產(chǎn)生動(dòng)態(tài)剪切的同時(shí)，塑化輸運(yùn)空間發(fā)生隨時(shí)間的周期性變化，從而對(duì)物料產(chǎn)生了附加拉壓形變，而且隨著動(dòng)態(tài)剪切強(qiáng)度的增加，拉壓形變也隨之加強(qiáng)，物料塑化輸運(yùn)過(guò)程中傳質(zhì)傳熱效果被強(qiáng)化。由于塑料動(dòng)態(tài)塑化加工成型技術(shù)與裝備還是以螺桿作為塑化輸運(yùn)工具，改變不了拖曳剪切流變的主導(dǎo)地位，強(qiáng)化傳質(zhì)傳熱潛力有限。最近幾年，經(jīng)過(guò)大量的理論與實(shí)踐，筆者及其研究團(tuán)隊(duì)提出了基于拉伸流變的高分子材料塑化輸運(yùn)新機(jī)理，改變了剪切形變起支配作用的高分子材料塑化輸運(yùn)機(jī)理，發(fā)明了拉伸形變支配的無(wú)螺桿塑料動(dòng)態(tài)塑化加工新方法及裝備［11］，實(shí)現(xiàn)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(shù)是塑料動(dòng)態(tài)塑化加工成型方法及技術(shù)的繼承與發(fā)展，將為我國(guó)塑料加工技術(shù)與裝備在國(guó)際上取得又一自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)［12］，同時(shí)開(kāi)辟了塑料加工成型技術(shù)及理論研究的新領(lǐng)域，對(duì)提高我國(guó)乃至世界在塑料加工成型領(lǐng)域的學(xué)術(shù)水平、推動(dòng)我國(guó)塑料加工及機(jī)械工業(yè)的發(fā)展、促進(jìn)塑料加工工程科學(xué)與技術(shù)進(jìn)步具有重要意義。

2 塑料塑化輸運(yùn)方法的演變與創(chuàng)新

塑料加工成型的力場(chǎng)分為剪切力場(chǎng)和拉伸力場(chǎng)，其中在剪切力場(chǎng)作用下，物料在輸運(yùn)過(guò)程中速度梯度與輸運(yùn)方向相互垂直，而在拉伸力場(chǎng)作用下，其速度梯度方向與輸運(yùn)方向相同。

2．1 傳統(tǒng)螺桿塑化輸運(yùn)機(jī)理

在傳統(tǒng)螺桿塑化輸運(yùn)過(guò)程中，物料在螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)的剪切力場(chǎng)和料筒外加熱溫度場(chǎng)的聯(lián)合作用下完成固體輸送、熔融塑化、熔體輸送過(guò)程，如圖1所示。圖1中，螺桿與料筒被簡(jiǎn)化為兩平行板，其中運(yùn)動(dòng)板相當(dāng)于旋轉(zhuǎn)的螺桿，固定板相當(dāng)于料筒。運(yùn)動(dòng)板摩擦、拖曳物料在兩平板間流動(dòng)并產(chǎn)生垂直于流動(dòng)方向的速度梯度，也就是物料在剪切流場(chǎng)中流動(dòng)與變形。因此，這是基于剪切流變的塑化輸運(yùn)機(jī)理，或者說(shuō)是剪切形變支配的塑化輸運(yùn)方法。由于塑料是熱的不良導(dǎo)體，加上在剪切流場(chǎng)中是層流換熱，致使傳質(zhì)傳熱效率很低，完成物料塑化輸運(yùn)需要很長(zhǎng)的熱機(jī)械作用歷程。

圖1 傳統(tǒng)螺桿塑料塑化輸運(yùn)機(jī)理Fig．1 The plastics plasticating and conveying mechanism of the traditional screw

2．2 振動(dòng)剪切形變支配的塑化輸運(yùn)機(jī)理

如何提高物料塑化輸運(yùn)過(guò)程中的傳質(zhì)傳熱效率，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者普遍都在螺桿結(jié)構(gòu)上做文章，出現(xiàn)了各種各樣的新型結(jié)構(gòu)螺桿。筆者等另辟蹊徑，在國(guó)內(nèi)外首次提出塑料動(dòng)態(tài)塑化加工方法及原理，使螺桿式加工成型機(jī)械的螺桿在轉(zhuǎn)動(dòng)同時(shí)還做軸向周期性振動(dòng)，塑化輸運(yùn)過(guò)程中物料容積發(fā)生周期性變化，為物料流動(dòng)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(yùn)機(jī)理可定義為基于振動(dòng)剪切流變的塑化輸運(yùn)機(jī)理，或者說(shuō)是振動(dòng)剪切形變支配的塑化輸運(yùn)方法。這種新方法與新技術(shù)提高了塑化輸運(yùn)過(guò)程中的傳質(zhì)傳熱效率，出現(xiàn)了傳統(tǒng)螺桿塑化輸運(yùn)方法與技術(shù)所沒(méi)有的許多現(xiàn)象和特征，如塑化輸運(yùn)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(yùn)機(jī)理

如上所述，可以用支配物料塑化輸運(yùn)的流場(chǎng)來(lái)描述和分析塑料加工成型機(jī)理。這里用二板流場(chǎng)模型來(lái)描述塑化輸運(yùn)方法的演變與發(fā)展，如圖3所示。圖3(a)和圖3(b)分別描述了傳統(tǒng)螺桿塑化輸運(yùn)機(jī)理和振動(dòng)剪切形變支配的塑化輸運(yùn)機(jī)理。在圖3(b)中，流場(chǎng)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(xiàn)了一個(gè)小的分量，即在流場(chǎng)中出現(xiàn)了少量拉伸流動(dòng)，這是振動(dòng)剪切流場(chǎng)中傳質(zhì)傳熱效率提高的主要原因。實(shí)際上，如果讓二板流場(chǎng)模型中固定板相對(duì)于運(yùn)動(dòng)板傾斜一個(gè)角度，便形成了二板收斂剪切流場(chǎng)，如圖3(c)所示。這里，即便運(yùn)動(dòng)板只做與圖3(a)中一樣的穩(wěn)定移動(dòng)，也會(huì)出現(xiàn)圖3(b)中那樣的拉伸流動(dòng)。但是，圖3(c)中速度梯度的拉伸分量還是遠(yuǎn)小于剪切分量，沒(méi)有改變剪切形變對(duì)流場(chǎng)的支配地位。如果在收斂剪切模型中增加一個(gè)與運(yùn)動(dòng)板垂直并與運(yùn)動(dòng)板以相同速度V移動(dòng)的滑板，則圖3(c)演變成如圖3(d)所示的容積拉伸流場(chǎng)模型，其中滑板由于固定板傾斜而產(chǎn)生與運(yùn)動(dòng)板垂直的滑動(dòng)速度 v。圖3(d)中由于滑板的作用，收斂流場(chǎng)的容積變小，速度梯度的拉伸分量大于剪切分量，拉伸形變?cè)诹鲌?chǎng)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(yùn)機(jī)理與方法。

圖2 振動(dòng)剪切形變支配的塑料塑化輸運(yùn)機(jī)理Fig．2 The plastics plasticating and conveying mechanism dominated by vibration shear deformation

圖3 塑料塑化輸運(yùn)機(jī)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(tǒng)

實(shí)現(xiàn)拉伸形變支配的塑化輸運(yùn)方法的設(shè)備由葉片塑化輸運(yùn)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(duì)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，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(shí)被納入物料，容積由大變小時(shí)物料在拉壓應(yīng)力的主要作用下被研磨和壓實(shí)，同時(shí)在機(jī)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(yùn)過(guò)程。顯然，這也是一個(gè)周期性動(dòng)態(tài)塑化輸運(yùn)過(guò)程。圖4所示的VES由5個(gè)VPCU組成，相鄰的兩個(gè)VPCU的偏心方向相反，使前一個(gè)VPCU出料口與后一個(gè)VPCU進(jìn)料口形成連續(xù)的通道，完成塑料的連續(xù)動(dòng)態(tài)塑化輸運(yùn)。

圖4 VES原理結(jié)構(gòu)示意圖Fig．4 The schematic diagram of VES structure

3 VES中塑料塑化輸運(yùn)過(guò)程

塑料塑化輸運(yùn)過(guò)程包括固體輸送、熔融塑化、熔體輸送等階段，這里針對(duì)VES建立對(duì)應(yīng)模型，了解其塑化輸運(yùn)機(jī)理和特性。

3．1 固體輸送特性

固體輸送的功能是形成穩(wěn)定的固體輸送速率和建立足夠的壓力，而固體輸送特性會(huì)直接影響塑化輸運(yùn)產(chǎn)量，也會(huì)影響塑化輸運(yùn)穩(wěn)定性。

3．1．1 固體輸送速率

在圖4中取對(duì)應(yīng)于料斗的VPCU，即第一個(gè)VPCU，在截面上建立固體輸運(yùn)模型，如圖5所示。圖5中，大圓代表定子內(nèi)表面，小圓代表轉(zhuǎn)子外表面，4個(gè)葉片沿轉(zhuǎn)子圓周方向均布，填充區(qū)域CDEF是一個(gè)葉片轉(zhuǎn)一圈輸送物料的截面。填充區(qū)域的面積為:

考慮葉片的厚度和葉片頂部與定子內(nèi)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(nèi)徑;d為轉(zhuǎn)子直徑;l為葉片長(zhǎng);b為葉片厚度;e為偏心量;δ為葉片頂端與定子內(nèi)壁之間的間隙;ρ為物料松密度;n為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速;β為固體返料系數(shù)，與物料的硬度等特性有關(guān);θ為柱坐標(biāo)變量。經(jīng)實(shí)驗(yàn)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(shù)分別為 0．7～0．8和0．55 ～0．7。

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

由式(3)可知，一旦對(duì)應(yīng)于料斗的VPCU的幾何特征參數(shù)和轉(zhuǎn)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(shù)β相關(guān)，而不會(huì)受到物料與設(shè)備之間摩擦系數(shù)的影響，說(shuō)明VES中固體輸運(yùn)過(guò)程具有正位移輸送特性。VES的熔體輸送過(guò)程也具有正位移輸送特性［13，14］，這里就不做展開(kāi)討論。

3．1．2 固體壓實(shí)與壓力

固體顆粒從料斗進(jìn)入固體輸送VPCU后，隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，兩葉片之間容腔中固體顆粒由于轉(zhuǎn)子與定子內(nèi)腔偏心會(huì)產(chǎn)生壓力而被壓縮密實(shí)。在圖5中經(jīng)過(guò)一定的近似假設(shè)，去除一些次要影響因素，可以建立簡(jiǎn)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(shù);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(shí)的φ值;x為兩葉片之間容腔中轉(zhuǎn)子表面某點(diǎn)與推進(jìn)葉片之間的無(wú)量綱距離(以轉(zhuǎn)子直徑d為特征長(zhǎng)度);K為法向應(yīng)力與軸向應(yīng)力之比;fw為物料與定子內(nèi)表面的摩擦系數(shù);ε為無(wú)量綱量偏心距。

選擇物料為L(zhǎng)DPE，對(duì)式(4)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖6所示。由圖6可見(jiàn)，固體物料的壓力隨著φ的減少而升高，并且當(dāng)φ逼近1時(shí)，壓力上升幅度很大，并接近于極限值，這時(shí)物料的密度接近于單個(gè)固體顆粒的密度。由圖6還可以得知壓力會(huì)隨著x的增加有小幅度的上升。

圖6 VES中固體輸運(yùn)壓力計(jì)算結(jié)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(shí)與熔融實(shí)驗(yàn)過(guò)程照片。實(shí)驗(yàn)所用物料為L(zhǎng)DPE，保持定子溫度為100℃。在轉(zhuǎn)子軸轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中，兩葉片所夾的容腔體積越來(lái)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(tài)。這說(shuō)明在固體輸送VPCU中建立起了一個(gè)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(zhuǎn)子軸向的長(zhǎng)度。

3．2 熔融塑化特征

物料進(jìn)入第一個(gè)VPCU后，葉片和定子內(nèi)表面會(huì)對(duì)物料產(chǎn)生很大的壓力，兩葉片之間容腔中固體顆粒會(huì)被壓實(shí)形成固體塞。由于定子外加熱的作用，在定子內(nèi)表面產(chǎn)生一層較薄熔膜，熔膜受到壓力的作用會(huì)往固體床內(nèi)滲透，將固體塞打碎。同時(shí)，物料發(fā)生塑性形變而產(chǎn)生大量的熱能，進(jìn)一步促進(jìn)物料熔融，如圖8(a)所示。物料經(jīng)擠壓后進(jìn)入第二個(gè)VPCU擴(kuò)張區(qū)，在第一個(gè)VPCU中經(jīng)受彈性形變的部分顆粒在此擴(kuò)張區(qū)回彈恢復(fù)。由于第一個(gè)VPCU的4個(gè)葉片組成的容腔與第二個(gè)VPCU的4個(gè)容腔不是一一對(duì)應(yīng)，固體塞和固熔物料同時(shí)進(jìn)入第二個(gè)VPCU時(shí)，固體塞被進(jìn)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(gè)VPCU的擴(kuò)張區(qū)，高溫熔體使固體顆粒熔融，接著在壓縮區(qū)，固體顆粒料進(jìn)一步發(fā)生塑性變形，產(chǎn)生的塑性耗散會(huì)加劇其熔融。當(dāng)物料進(jìn)入第三個(gè)VPCU時(shí)，大部分固體都已經(jīng)熔融，這會(huì)形成富熔體懸浮體系，如圖8(c)所示。通過(guò)對(duì)VES的急冷拆卸實(shí)驗(yàn)觀察，可以得知LDPE經(jīng)過(guò)5個(gè)VPCU就已經(jīng)全部熔融［16］。

VES的原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使得物料的固體輸送和熔融在塑化輸運(yùn)過(guò)程中同時(shí)進(jìn)行，這就使塑料塑化加工熱機(jī)械歷程大幅度縮短，同時(shí)塑化加工能耗也降低。

3．3 最低能耗極限

在圖4中，假設(shè)VES塑化輸運(yùn)物料在絕熱狀態(tài)下進(jìn)行，即沒(méi)有熱能向VES外散失。VES塑化輸運(yùn)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(shí)LDPE壓實(shí)過(guò)程Fig．7 The solid compaction processing of material LDPE at 100 ℃

圖8 VES中物料的熔融過(guò)程Fig．8 The process of melt in VES

因此，VES塑化輸運(yùn)單位質(zhì)量物料所需最少能耗(單耗)為:

式(5)～(9)中，Q為VES的塑化輸運(yùn)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(zhì)量物料所需最少能耗，即最低極限單耗與擠壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)，只與物料特性和加工成型壓力和溫度相關(guān)。無(wú)論是傳統(tǒng)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(tǒng)。VES的結(jié)構(gòu)原理決定了其塑化輸運(yùn)物料所需的熱機(jī)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(shù)特征

4．1 物料輸運(yùn)特性

輸運(yùn)特性是擠壓系統(tǒng)的重要特性之一。VES的輸運(yùn)特性由其擠出產(chǎn)量與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和模頭壓力關(guān)系表征，是擠出穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。

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

圖9 VES的輸運(yùn)特性Fig．9 The conveying characteristic of VES

4．2 熱機(jī)械歷程

塑料加工成型熱機(jī)械歷程是衡量擠壓系統(tǒng)性能的重要技術(shù)指標(biāo)之一。熱機(jī)械歷程通常對(duì)加工成型能耗和物料的熱機(jī)械降解作用有很大的影響。

圖10為VES的轉(zhuǎn)子軸與SES的螺桿的對(duì)比照片。這里選擇的兩個(gè)擠壓系統(tǒng)的功能相當(dāng)，即塑化輸運(yùn)能力接近。由圖10可見(jiàn)，直徑為40 mm轉(zhuǎn)子軸的有效長(zhǎng)度僅為400 mm，而直徑為45 mm螺桿的有效長(zhǎng)度則達(dá)到1125 mm。因此，VES的軸向有效長(zhǎng)度比SES的縮短了約64%。

圖10 VES的轉(zhuǎn)子軸與SES的螺桿的對(duì)比照片F(xiàn)ig．10 The contrast photograph of VES rotor and SES screw

圖11為HDPE在VES和SES中停留時(shí)間與擠出產(chǎn)量的關(guān)系。從圖11中可以看出，物料在VES中的停留時(shí)間要比在SES中少很多，進(jìn)一步說(shuō)明了VES的熱機(jī)械歷程要比SES短得多，特別有利于減少加工過(guò)程中物料的降解和分子量降低。表1是經(jīng)VES和SES加工的聚苯乙烯(polystyrene，PS)的分子量對(duì)比，其中和分別代表PS的數(shù)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(jīng)SES加工的降解作用要比經(jīng)VES加工的大很多。

圖11 停留時(shí)間與擠出產(chǎn)量的關(guān)系Fig．11 The relationship between residence time and extrusion production

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

4．3 塑化輸運(yùn)能耗

塑化輸運(yùn)過(guò)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(yùn)過(guò)程的能耗是塑料加工行業(yè)節(jié)能降耗的關(guān)鍵。

圖12表示VES加工LDPE和PP的實(shí)際能耗和理論能耗(最低能耗極限)隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的變化，能耗與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速具有比較好的線性關(guān)系，并隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)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(shí)際能耗)都達(dá)到了85%以上。圖13為VES和SES加工PP的實(shí)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(chǎn)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(yōu)異特性。

圖12 VES能耗與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的關(guān)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(chǎn)量的關(guān)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(tǒng)的混煉效果會(huì)直接影響復(fù)合材料制品的結(jié)構(gòu)與性能，它是VES的重要性能指標(biāo)。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(jīng)VES及傳統(tǒng)雙螺桿擠壓系統(tǒng)(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(jīng)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(jīng)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(shuō)明，VES 對(duì)共混體系的混合混煉效果已達(dá)到甚至超過(guò)TSES。

圖14是PP/PS共混體系分別經(jīng)VES和SES無(wú)模頭加工后共混擠出物的相形態(tài)(PS被刻蝕)。對(duì)比圖14(a)和圖14(b)發(fā)現(xiàn)，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(jìn)一步說(shuō)明VES對(duì)加工多相多組份體系(復(fù)合材料)具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

表2 分別經(jīng)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(tài)(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(tǒng)優(yōu)劣的綜合體現(xiàn)，也是最終衡量擠壓系統(tǒng)的重要技術(shù)特征。這里舉例說(shuō)明VES在改善加工制品性能方面的優(yōu)勢(shì)。圖15為VES和SES擠出LDPE和PP片材的拉伸強(qiáng)度與擠出產(chǎn)量的關(guān)系。與SES相比較，VES擠出制品的拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度都有所提高，說(shuō)明VES在保證制品性能的前提下具有上述優(yōu)良特性。

圖15 擠出片材力學(xué)性能與擠出產(chǎn)量的關(guān)系Fig．15 The relationship between mechanical property of extruded sheet and extrusion production

5 葉片塑化輸運(yùn)技術(shù)的應(yīng)用

由于VES具有上述優(yōu)良特性，目前已經(jīng)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(yīng)用。圖16中(a)、(b)、(c)分別是以VES為核心組件開(kāi)發(fā)的薄膜吹塑機(jī)組、中空格子板成型機(jī)組、預(yù)塑式注射機(jī)的照片，是VES的應(yīng)用舉例。VES在傳統(tǒng)技術(shù)設(shè)備難以勝任的生物質(zhì)復(fù)合材料以及對(duì)剪切熱敏感的高分子材料加工等方面也在發(fā)揮重要作用。

值得一提的是VES塑化輸運(yùn)熱機(jī)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(huán)使用和生物質(zhì)復(fù)合材料的發(fā)展，從而減少石油基聚合物的用量，保護(hù)環(huán)境。

6 結(jié)語(yǔ)

基于拉伸流變的塑料塑化輸運(yùn)技術(shù)是在塑料動(dòng)態(tài)加工成型技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展的又一重大創(chuàng)新成果，是國(guó)內(nèi)外塑料加工成型技術(shù)最新研究進(jìn)展的具體反映。新技術(shù)及裝備與傳統(tǒng)塑料加工成型設(shè)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(zhì)量提高、對(duì)物料適應(yīng)性廣等優(yōu)異的技術(shù)性能，已經(jīng)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(yīng)用，特別是在傳統(tǒng)技術(shù)設(shè)備難以勝任的生物質(zhì)復(fù)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(fā)揮重要作用。相信通過(guò)塑料加工及機(jī)械行業(yè)的同行們共同努力，新技術(shù)將在改變塑料加工行業(yè)的高能耗現(xiàn)狀、提高我國(guó)塑料成型加工技術(shù)及裝備整體水平、推動(dòng)塑料加工產(chǎn)業(yè)及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展方 面發(fā)揮無(wú)可替代的作用。

圖16 VES的應(yīng)用舉例Fig．16 The examples of VES application

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