季文駿 胡軍 邱建成 覃信祥 戴全勝 謝明飛 周凱瑜 謝丹 王浩南 周磊

（1.天津佰盛環(huán)?？萍加邢薰?；2.江蘇飛鴿友聯(lián)機(jī)械股份有限公司3.江蘇科技大學(xué)）

0.前言

隨著綠色經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和碳中和政策的進(jìn)一步落實(shí)，各種可降解塑料制品在快速的發(fā)展。天津佰盛環(huán)?？萍加邢薰窘陜?nèi)向市場(chǎng)隆重推出一種性能優(yōu)異的可降解塑料發(fā)泡緩沖顆粒，這些可降解塑料發(fā)泡緩沖顆粒的原材料主要來自于天然植物，具有環(huán)保、無污染、可降解、成本低等諸多特性，它可以做成非常吸引眼球的色彩，切割成均勻而整齊的形狀，填充在農(nóng)產(chǎn)品和包裝盒之間的空隙中，其外形配色和水果、外包裝非常相稱，能夠呈現(xiàn)出很好的視覺效果。

天津佰盛環(huán)?？萍加邢薰舅邪l(fā)的全降解緩沖包裝材料，由天然植物中提取原料，以水作為發(fā)泡劑，具有低碳、環(huán)保、生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品無靜電、可完全生物降解等特點(diǎn)，一舉解決了傳統(tǒng)發(fā)泡材料在生產(chǎn)及使用過程中造成的環(huán)境污染問題。

產(chǎn)品先后通過了《GB/T 19277.1-2011受控堆肥條件下材料最終需氧生物分解能力的測(cè)定》和《GB/T 19275-2003 材料在特定微生物作用下潛在生物分解和崩解能力的評(píng)價(jià)》等國家檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，完全滿足《快遞包裝綠色產(chǎn)品認(rèn)證技術(shù)要求》，真正做到了綠色環(huán)保無污染。

為了滿足市場(chǎng)的需求，天津佰盛環(huán)?？萍加邢薰九c江蘇飛鴿友聯(lián)股份有限公司深度合作，研制了專門用于工業(yè)化生產(chǎn)可降解塑料發(fā)泡緩沖顆粒的智能生產(chǎn)設(shè)備，經(jīng)過多批次試車，生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行正常，發(fā)泡顆粒生產(chǎn)正常，更換不同的發(fā)泡模具，可生產(chǎn)出不同樣式的發(fā)泡緩沖顆粒。對(duì)原材料進(jìn)行配色后，可生產(chǎn)出各種不同色彩的發(fā)泡緩沖顆粒，以滿足市場(chǎng)的不同需求。

1.發(fā)泡顆粒生產(chǎn)設(shè)備的主要技術(shù)參數(shù)

1）雙螺桿直徑：65 mm

2）螺桿數(shù)量：2根

3）螺桿有效工作長(zhǎng)度：880 mm

4）螺桿轉(zhuǎn)速：30～135 rpm

5）螺桿旋轉(zhuǎn)方向：同向順時(shí)針旋轉(zhuǎn)

6）主電機(jī)功率：22KW（調(diào)頻電機(jī)）

7）主電機(jī)轉(zhuǎn)速：1500 rpm

8）生產(chǎn)能力 ：約 30～50 kg/h

9）機(jī)筒加熱段數(shù)：3段

10）發(fā)泡顆粒產(chǎn)品輸送用離心鼓風(fēng)機(jī)：1.1KW

11）機(jī)器中心高度：1000 mm

12）切粒電機(jī)：0.85KW伺服電機(jī)

13）加料裝置：伺服控制單螺桿喂料

14）加料電機(jī)：0.85KW伺服電機(jī)

15）外形尺寸：3600×1360×860 mm

16）重量：約3T

2.可降解塑料發(fā)泡顆粒生產(chǎn)設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)述

2.1 螺桿

該設(shè)備采用了雙螺桿結(jié)構(gòu)形式，它是完成可降解塑料的輸送和塑化的關(guān)鍵零件，由于它的旋轉(zhuǎn)，把粉狀（或顆粒）塑料推向前，從而達(dá)到壓實(shí)、熔融、混煉均化之目的。（注：可降解塑料發(fā)泡顆粒的原材料是粉狀的）雙螺桿的螺紋由不同螺距分段組成以達(dá)到更好的輸送，壓實(shí)、混煉、塑化，它能把高溫區(qū)的熱量自動(dòng)傳導(dǎo)到低熱量的區(qū)域，所以對(duì)高溫區(qū)的溫度起到良好的調(diào)節(jié)作用，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)起到節(jié)能效果。

2.2 機(jī)筒

雙螺桿的機(jī)筒是容納可降解塑料和螺桿的零部件，其內(nèi)孔形狀似“∞”，它與可降解塑料及螺桿進(jìn)行直接摩擦，因此機(jī)筒由合金氮化鋼制成，內(nèi)孔經(jīng)氮化處理，以達(dá)到較高的硬度和較好的耐磨性，并具有一定的耐磨蝕能力，在它的外表面有三組加熱器，熱量經(jīng)機(jī)筒傳遞給可降解塑料，使可降解塑料熔融塑化，在安裝加熱器的機(jī)筒的各處部位設(shè)置有三個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)在PLA可控加工溫度范圍內(nèi)的自動(dòng)控制。

2.3 機(jī)頭聯(lián)接體

機(jī)頭聯(lián)接體是聯(lián)接機(jī)頭與機(jī)筒的部件，在其外表面上安裝有電熱圈加熱，以防止熔融可降解塑料的冷卻，確保溫度的恒定。

2.4 傳動(dòng)系統(tǒng)

傳動(dòng)系統(tǒng)是在選定的工藝條件下，使雙螺桿以必需的扭矩均勻旋轉(zhuǎn)。以完成螺桿對(duì)可降解塑料的塑化和輸送，為了適應(yīng)各種規(guī)格塑料制品的生產(chǎn)要求，螺桿應(yīng)具有不同的轉(zhuǎn)速，本機(jī)采用22KW調(diào)頻電動(dòng)機(jī)通過彈性聯(lián)軸器和減速器帶動(dòng)分配齒輪箱，并借助于可控制實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速。使螺桿的轉(zhuǎn)速在30～135轉(zhuǎn)/分內(nèi)平滑無級(jí)調(diào)速。螺桿的轉(zhuǎn)速可直接由控制版面上的轉(zhuǎn)速表讀得。本機(jī)還裝有可與輔機(jī)同步調(diào)速的電氣系統(tǒng)。本機(jī)采用了雙螺桿一體式減速機(jī)配套。

2.5 切粒裝置

當(dāng)擠出塑料經(jīng)過擠出模具呈發(fā)泡條狀時(shí)，切粒裝置通過切粒刀將條狀塑料切至所需的長(zhǎng)度，長(zhǎng)度由刀具的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定，轉(zhuǎn)速由伺服控制器控制伺服電機(jī)決定。

2.6 自動(dòng)強(qiáng)制加料裝置

由于可降解粉狀塑料在擠出中必須采用強(qiáng)制輸送裝置，加料口的加料量必須和機(jī)頭出口處出料相適應(yīng)，加料量不足時(shí)，不但產(chǎn)量低，而且將要影響排氣效果，加料量太多時(shí)，又會(huì)使機(jī)器的負(fù)荷加大，并且在排氣口產(chǎn)生冒料，因此，特設(shè)計(jì)了螺桿式強(qiáng)制加料裝置。在此需要特別指出，根據(jù)生產(chǎn)制品的物料特性和加工工藝的條件，在試車時(shí)，必須嚴(yán)格檢查好加料量和螺桿的擠出量，因?yàn)榧恿下輻U的轉(zhuǎn)速可無級(jí)調(diào)速。當(dāng)工藝穩(wěn)定后，就不必再進(jìn)行單獨(dú)調(diào)節(jié)，可采用一個(gè)總的調(diào)速旋鈕，進(jìn)行同步調(diào)速。

2.7 加熱冷卻系統(tǒng)

隨著雙螺桿的轉(zhuǎn)速、擠出壓力、外加熱功率以及擠出機(jī)周圍介質(zhì)的溫度的變化，機(jī)筒中物料的溫度也會(huì)相應(yīng)的發(fā)生變化，為使可降解塑料原料始終能在其加工工藝所要求的溫度范圍內(nèi)擠出，本機(jī)設(shè)置了加熱、冷卻系統(tǒng)。加熱采用加熱圈加熱，通過機(jī)筒傳遞給塑料，冷卻采用鼓風(fēng)機(jī)冷卻。加熱和冷卻均可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

2.8 機(jī)頭（造粒模具）

造粒機(jī)頭是擠出機(jī)成型的重要組成部分，根據(jù)產(chǎn)品的形狀需要，可分別設(shè)計(jì)、制作對(duì)應(yīng)的模具形狀及擠出孔徑與孔數(shù)。

圖1 可降解塑料發(fā)泡造粒機(jī)組生產(chǎn)設(shè)備的外觀

圖2 可降解塑料發(fā)泡緩沖顆粒產(chǎn)品圖

圖3 可降解塑料發(fā)泡緩沖顆粒的應(yīng)用實(shí)例圖

圖4 可降解塑料發(fā)泡緩沖顆粒（本色）

3.可降解塑料發(fā)泡緩沖顆粒智能生產(chǎn)機(jī)組的主要技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

首先改進(jìn)了原材料的輸送裝置，采用了螺旋輸送機(jī)穩(wěn)定輸送粉狀的原材料。螺旋輸送機(jī)可以反轉(zhuǎn)，當(dāng)設(shè)備需要停止運(yùn)行時(shí)可以將輸送機(jī)中留存的粉狀原材料反向返回到料倉中，然后人工即可將其收集清理回專用的保存袋中，以保證原材料不受外界因素的影響。

基于可降解塑料發(fā)泡顆粒的原材料的特性的不同，擠出機(jī)設(shè)備采用了較短行程的雙螺桿結(jié)構(gòu)。由實(shí)驗(yàn)機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)楣I(yè)機(jī)的過程中，將雙螺桿機(jī)筒多節(jié)結(jié)構(gòu)改進(jìn)為一體式整體結(jié)構(gòu)，并對(duì)雙螺桿機(jī)筒的進(jìn)料口，雙螺桿結(jié)構(gòu)等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)與改進(jìn)。改進(jìn)了雙螺桿擠出機(jī)機(jī)筒的溫度控制系統(tǒng)，將溫度控制精度設(shè)定在±3℃左右。對(duì)模具的流道和雙螺桿的外表面進(jìn)行了鍍鉻處理，以保證材料擠出塑化過程的順暢。

雙螺桿減速機(jī)采用了一體式結(jié)構(gòu)的形式，使設(shè)備的結(jié)構(gòu)更加合理，方便維護(hù)與保養(yǎng)。改進(jìn)設(shè)計(jì)了切粒刀具，采用了高級(jí)合金工具鋼制作切粒刀具，提高了刀具的耐磨性能和使用壽命。

生產(chǎn)機(jī)組的電氣控制采用了 PLC加觸摸屏的控制方式，雙螺桿機(jī)筒的溫度控制采用了控溫模塊進(jìn)行準(zhǔn)確控溫。雙螺桿擠出機(jī)的主電動(dòng)機(jī)，原材料螺旋上料機(jī)以及發(fā)泡顆粒成品的輸送采用了調(diào)頻電機(jī)，擠出機(jī)料斗的原材料輸送和發(fā)泡顆粒的切粒電機(jī)采用了伺服電機(jī)。設(shè)備實(shí)現(xiàn)了智能化管理。設(shè)備的外觀采用防銹和噴塑處理，使設(shè)備更為耐用和美觀。設(shè)備設(shè)計(jì)有安裝吊具的位置，如果選擇安裝吊具，可以方便進(jìn)行設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)工作。設(shè)備設(shè)計(jì)并具有安全防護(hù)裝置，可減少安全事故的發(fā)生。

此外，設(shè)備配備有必要的維修保養(yǎng)工具，方便維護(hù)工作的進(jìn)行。

下一步的研發(fā)與改進(jìn)設(shè)想：

① 進(jìn)一步改進(jìn)并提高雙螺桿的擠出塑化效率，提高雙螺桿的自潔能力，進(jìn)一步提高產(chǎn)品的延伸性能和耐水能力。

② 提高發(fā)泡顆粒單位時(shí)間的生產(chǎn)效率和能力。

③ 進(jìn)一步研發(fā)市場(chǎng)需要的不同型號(hào)和樣式的發(fā)泡顆粒產(chǎn)品。滿足市場(chǎng)對(duì)發(fā)泡顆粒緩沖包裝的不同需求。

④ 配套可降解塑料原材料的改進(jìn)提高，進(jìn)一步研發(fā)其他可降解塑料發(fā)泡制品的智能化成型設(shè)備。

4.可降解塑料發(fā)泡緩沖顆粒及其他發(fā)泡產(chǎn)品的應(yīng)用前景

可降解塑料發(fā)泡緩沖顆粒產(chǎn)品作為一種新型的綠色環(huán)保包裝產(chǎn)品的問世，需要市場(chǎng)的反復(fù)認(rèn)可。

從發(fā)泡顆粒的本身特性來看，有其許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。

① 最重要的優(yōu)點(diǎn)在于這種可降解發(fā)泡顆粒的緩沖效果好，對(duì)需要保護(hù)的產(chǎn)品能夠起到很好的保護(hù)作用，從而可以減少對(duì)產(chǎn)品的傷害和減少被保護(hù)產(chǎn)品的損失。

② 使用后該產(chǎn)品的可降解性能特別優(yōu)異，自然降解率接近百分之百，并且其降解速率很快，對(duì)環(huán)境保護(hù)有很大的益處，對(duì)保護(hù)我們賴以生存的地球環(huán)境能夠起到一定的較好作用。

③ 未來的發(fā)泡制品研發(fā)空間較大，比如：各種規(guī)格的發(fā)泡片材，各種規(guī)格的發(fā)泡板材等。這些產(chǎn)品的應(yīng)用前景巨大。值得努力。

具有一定防水功能的可降解塑料發(fā)泡產(chǎn)品的研發(fā)也是一個(gè)較好的研究方向，值得重視。