王亭亭

【摘 要】隨著塑料制品在國(guó)內(nèi)外的廣泛使用，塑料加工和塑料機(jī)械得以發(fā)展，塑料機(jī)械工業(yè)也逐漸形成，并具有了一定的發(fā)展規(guī)模。為加強(qiáng)塑料加工成型機(jī)械的創(chuàng)新，低耗、高能、環(huán)保的加工成型技術(shù)，是解決目前石油資源緊張的問(wèn)題的關(guān)鍵。塑料機(jī)械的發(fā)展前景和規(guī)劃，塑化運(yùn)輸方法的改變和創(chuàng)新，塑料機(jī)械的核心系統(tǒng)的變化，都是塑料加工成型機(jī)械創(chuàng)新技術(shù)研究的一部分，還有待繼續(xù)開(kāi)發(fā)創(chuàng)新。

【關(guān)鍵詞】塑料加工；技術(shù)；創(chuàng)新

0 前言

塑料主要是從石油經(jīng)過(guò)蒸餾并裂解得到各種炔烴，并利用這些炔烴聚合得到的一種高分子化合物。我國(guó)經(jīng)濟(jì)在快速發(fā)展的同時(shí)，對(duì)自然資源的消耗量也十分龐大，尤其是不可再生的石油資源。由于我國(guó)人口眾多，塑料制品在我國(guó)的使用量巨大，石油作為塑料的主要原料，石油的消耗量也很大。為了響應(yīng)我國(guó)低碳環(huán)保、綠色生態(tài)的號(hào)召，同時(shí)考慮到塑料工業(yè)對(duì)低耗、高能、環(huán)保型的加工成型技術(shù)的需求也比較高，有必要對(duì)塑料加工成型機(jī)械創(chuàng)新技術(shù)進(jìn)行研究。

1 塑料機(jī)械的發(fā)展

塑料機(jī)械的發(fā)展在一定程度上反映出一個(gè)國(guó)家和地區(qū)的國(guó)民經(jīng)濟(jì)和技術(shù)發(fā)展水平，我國(guó)的塑料機(jī)械行業(yè)發(fā)展于改革開(kāi)放前，塑料機(jī)械企業(yè)規(guī)模小、設(shè)備落后、技術(shù)力量薄弱，主要靠引進(jìn)樣機(jī)進(jìn)行仿制，產(chǎn)品種類(lèi)少，工藝水平低，沒(méi)有成套的配備設(shè)施。改革開(kāi)放后，隨著人們對(duì)塑料制品的需求的增大，塑料機(jī)械得到了快速的發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)塑料加工成型機(jī)械設(shè)備的需求也大幅上升，多數(shù)企業(yè)從國(guó)外引進(jìn)先進(jìn)的設(shè)備和技術(shù)，使得塑料機(jī)械技術(shù)得到了很大的提高。進(jìn)入二十一世紀(jì)，塑料的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，從一般民用、農(nóng)用擴(kuò)展到幾乎所有的工業(yè)領(lǐng)域，打破了原本局限于輕工、機(jī)械和化工系統(tǒng)的格局，迅速蓬勃發(fā)展起來(lái)。

而塑料機(jī)械未來(lái)的一個(gè)主要發(fā)展方向是高效和多能，它能解決能源緊缺和大量生產(chǎn)使用引起的高成本問(wèn)題。聚酯瓶胚成型機(jī)的機(jī)頭由原來(lái)的6個(gè)，到現(xiàn)在超過(guò)了24個(gè)，能夠同時(shí)進(jìn)行多個(gè)塑料加工成型作業(yè)，從原料準(zhǔn)備到成型一體化的實(shí)現(xiàn)，縮短了操作流程，減少了人力的輸出、設(shè)備的投資和能量的消耗。目前我國(guó)的塑料機(jī)械加工成型的精密度不高，成品質(zhì)量無(wú)法保證，也沒(méi)有大型化、精密化的塑料機(jī)械，還需要依靠國(guó)外進(jìn)口大型的、精密性高的塑料機(jī)械，這是我國(guó)目前的一個(gè)短板。塑料機(jī)械未來(lái)的發(fā)展，就需要克服這個(gè)問(wèn)題，發(fā)展大型化、精密化的塑料機(jī)械。塑料加工成型機(jī)械模塊化和專業(yè)化生產(chǎn)為不同需求的客戶提供更多產(chǎn)品，不僅縮短新產(chǎn)品的研發(fā)周期，降低生產(chǎn)成本，還提高了產(chǎn)品的質(zhì)量和精密度。

2 擠壓系統(tǒng)的創(chuàng)新技術(shù)

2.1 振動(dòng)剪切

擠壓系統(tǒng)是塑料機(jī)械的核心，集材料塑化、熔融與產(chǎn)品輸送等功能為一體，能夠?yàn)楫a(chǎn)品生產(chǎn)提供熔體，直接影響著塑料制品的生產(chǎn)質(zhì)量。而以螺桿作為結(jié)構(gòu)標(biāo)志和原理特征的擠壓系統(tǒng)消耗的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于塑料塑化輸運(yùn)所需要的能量，能量的利用率較低，在塑料機(jī)械的所有結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中，擠壓系統(tǒng)對(duì)材料的消耗量最大。對(duì)傳統(tǒng)的螺桿擠壓系統(tǒng)進(jìn)行分析研究，普通螺桿不具備強(qiáng)化塑料加工的傳質(zhì)傳熱過(guò)程。純剪切變形加工的流場(chǎng)的物料運(yùn)動(dòng)是單層流，層與層之間沒(méi)有物質(zhì)交換，主要靠熱傳導(dǎo)或粘性耗散產(chǎn)生熱量，傳質(zhì)傳熱的效率極低。改進(jìn)后的振動(dòng)剪切加工，使擠壓系統(tǒng)的螺桿在轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)還進(jìn)行周期性振動(dòng)，由純剪切變形加工轉(zhuǎn)變?yōu)檎駝?dòng)剪切形變加工，形成的流場(chǎng)是多層流，層與層之間可以進(jìn)行物質(zhì)的交換，在傳質(zhì)的過(guò)程中也加強(qiáng)了熱力的運(yùn)動(dòng)，提高塑料加工的傳質(zhì)傳熱效率，使得螺桿長(zhǎng)徑比降低，減少了減壓系統(tǒng)的耗能。振動(dòng)力場(chǎng)的應(yīng)用有效解決了傳統(tǒng)生產(chǎn)中熔融速率小、輸運(yùn)歷程長(zhǎng)、熔體粘度高的不足。應(yīng)用高分子材料塑化輸運(yùn)中的非線性特征來(lái)提升生產(chǎn)質(zhì)量，振動(dòng)剪切形變加工縮短了加工過(guò)程中的熱機(jī)械歷程，能耗明顯降低，也提高了塑料制品的質(zhì)量。

2.2 體積拉伸

葉片塑化單元包括葉子、定子、轉(zhuǎn)子、擋板料頭、模頭等，多個(gè)葉片塑化單元構(gòu)成了葉片擠壓系統(tǒng)，主要利用物料加工過(guò)程中體積的周期性變化來(lái)進(jìn)行強(qiáng)制的物料混合混煉。葉片擠壓系統(tǒng)的體積增大時(shí)，將物料納入其中，體積減小時(shí)，將物料壓實(shí)、研磨，在定子外加熱和機(jī)械散熱的作用下拉伸變形。在葉片塑化輸運(yùn)單元中以拉伸形變?yōu)橹鳎w維沿拉伸形變的作用方向取向，增加了體系的相容性，顯著提高塑料制品的力學(xué)性能。

3 驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)系統(tǒng)的創(chuàng)新

3.1 擠出機(jī)

傳統(tǒng)的塑料擠出機(jī)采用間接驅(qū)動(dòng)方式，“電動(dòng)機(jī)+減速箱+擠壓系統(tǒng)”的應(yīng)用存在著能耗大、效率低、控制響應(yīng)慢等問(wèn)題。減少減速箱裝置，選擇直接驅(qū)動(dòng)方式，不僅能夠提高擠出機(jī)的驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)效率，還能提高控制響應(yīng)速度和控制的精度。十九世紀(jì)九十年代初，塑料塑化擠出直接電磁換能的的提出，成功研制出塑料電磁動(dòng)態(tài)塑化擠出設(shè)備，將螺桿擠壓系統(tǒng)放在電機(jī)轉(zhuǎn)子的內(nèi)腔中，采用的驅(qū)動(dòng)裝置是低速大扭矩矢量變頻異步直接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，相比之下節(jié)能百分之十五，并且體積和重量也減少了一半以上。低速大扭矩稀土永磁伺服電機(jī)能夠最大限度地滿足拉伸流變控制的塑化運(yùn)輸過(guò)程負(fù)載的特性要求，可以實(shí)現(xiàn)葉片擠壓系統(tǒng)負(fù)載感應(yīng)驅(qū)動(dòng)，降低驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)過(guò)程中的能量損耗，提高驅(qū)動(dòng)效率。

3.2 注塑機(jī)

在注塑機(jī)的驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)系統(tǒng)中，主要是對(duì)節(jié)流損失和溢流損失的改進(jìn)創(chuàng)新，減少能量的消耗。傳統(tǒng)的塑化過(guò)程主要由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)螺桿直線運(yùn)動(dòng)，塑化裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高昂。在螺桿一線式注塑機(jī)中，螺桿和止逆環(huán)后大量未塑化完成的物料參與注射時(shí)的直線運(yùn)動(dòng)，增大了運(yùn)動(dòng)慣量和摩擦阻力，難以控制注射的速度和位置，使耗能增大。在全自動(dòng)注塑機(jī)的應(yīng)用中，又發(fā)現(xiàn)了新的問(wèn)題，傳動(dòng)系轉(zhuǎn)動(dòng)慣量更大，滾珠絲桿易摩擦，噪音大，設(shè)備的成本和維修費(fèi)用昂貴。針對(duì)以上問(wèn)題，再結(jié)合葉片擠壓系統(tǒng)的特點(diǎn)，發(fā)明了盤(pán)式旋轉(zhuǎn)注塑機(jī)及其注射方法，利用圓盤(pán)環(huán)形槽內(nèi)的活塞的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)改變折射和保壓過(guò)程的直線運(yùn)動(dòng)，使之做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)完成儲(chǔ)料、注射和保壓過(guò)程，這種方法設(shè)備體積小、儲(chǔ)料計(jì)量精準(zhǔn)、注射能耗低、注射運(yùn)動(dòng)慣性小等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減耗的目的，在塑料加工成型機(jī)械中得到了廣泛地應(yīng)用。

3.3 過(guò)程控制系統(tǒng)

由于塑料加工成型機(jī)械具有諸多的不確定因素，無(wú)法獲得精確的過(guò)程數(shù)學(xué)模型，因此先進(jìn)的塑料加工成型過(guò)程控制系統(tǒng)是衡量塑料機(jī)械技術(shù)水平的一個(gè)重要標(biāo)志。傳統(tǒng)的塑料機(jī)械控制系統(tǒng)主要根據(jù)塑料成型加工過(guò)程中的溫度、熱量、壓力、轉(zhuǎn)速等來(lái)控制塑料成品的質(zhì)量，難以對(duì)塑料成品的質(zhì)量實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的控制，再加上可再生纖維資源利用和塑料制品的回收利用，更加大了難度。葉片塑化擠壓成型過(guò)程的是利用了先進(jìn)的測(cè)量與傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等現(xiàn)代手段，實(shí)現(xiàn)塑化擠出成型過(guò)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(guò)程制品的高質(zhì)量要求。

4 結(jié)語(yǔ)

塑料行業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱，塑料行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展道路應(yīng)從節(jié)能減排、廢舊塑料回收、可再生資源的替代等這些角度出發(fā)，對(duì)塑料加工成型機(jī)械的創(chuàng)新，形成綠色環(huán)保的加工機(jī)械設(shè)備就是重中之重。例如，結(jié)合當(dāng)前最前沿的新材料和新技術(shù)對(duì)塑料擠壓系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)系統(tǒng)、過(guò)程控制系統(tǒng)等部分的創(chuàng)新就是不可少的。

【參考文獻(xiàn)】

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[責(zé)任編輯：田吉捷]