塑料加工成型机械创新技术研究

瞿金平

（华南理工大学聚合物新型成型装备国家工程研究中心//聚合物成型加工工程教育部重点实验室，广东广州 510641）

0 引言

塑料在当今世界具有极为重要的作用，已经广泛应用于国民经济的各个领域。塑料加工工业是我国制造业发展最快的行业之一。然而，在塑料产业蓬勃发展的同时，资源、环境、能源三大问题凸现，制约了塑料产业的发展，成为了人们关注的热点。在资源方面，传统的塑料材料源于不可再生的石油资源，随着石油资源的逐渐枯竭，传统石油基高分子材料发展受到遏制。在环境方面，传统石油基塑料稳定性好，在自然界中降解缓慢，加之废旧塑料回收、再利用技术没有得到充分的重视和发展，造成环境污染问题。在能源方面，塑料加工成型属于高能耗过程作业装备，单位产值能耗比较高，俗称“电老虎”。因此，塑料可再生资源替代、废旧塑料循环利用、加工过程节能降耗是支撑塑料加工行业可持续发展的关键任务，也是生产方式向“绿色”转变的重要标志。同时，低能耗、高效率、环保型的绿色加工成型技术与装备是塑料机械行业的发展趋势，也是国家的重大需求。

图1 塑料机械总体结构示意图

塑料原料及其辅料都要通过加工成型设备形成所需形状、结构与性能，成为有实用价值的材料与制品，这种加工成型设备统称为塑料机械。一般塑料机械都由挤压系统、驱动与传动系统、过程控制系统以及制品成型系统等部分组成，如图1 所示。目前，国内外塑料机械的发展主要集中在这几个部分的技术创新，以实现塑料机械具有节能降耗、无分拣废旧塑料合金化加工和生物质复合材料共混加工的功能和特征。例如，塑化输运方法从纯剪切形变加工到振动剪切形变加工再到体积拉伸形变加工演变、驱动与传动方式从间接驱动到直接驱动再到负载敏感驱动、控制系统从电气控制到数字化控制再到智能化控制，每一次技术创新性研究都会推动行业的技术进步。

1 塑化输运方法

挤压系统是塑料机械的核心部分，其主要完成塑料的塑化、熔融和输运过程，为塑料制品成型定量提供熔体，而且对塑料制品质量起决定性的作用，也是塑料加工成型消耗能量最多的过程。

1.1 振动剪切形变加工

以螺杆作为结构标志和原理特征的挤压系统消耗的能量远高于塑料塑化输运所需要的能量，能量利用率较低。因此，降低挤压系统的能耗是塑料机械的重大技术难题。

通过对传统螺杆挤压系统的研究可以发现普通螺杆不能强化塑料加工的传质传热过程。使螺杆挤压系统的螺杆在转动同时还做轴向周期性振动，实现了塑料加工过程由振动剪切形变支配，提高了塑料加工过程中传质传热效率。如图2所示，其为纯剪切和振动剪切流场的结构示意图。在纯剪切流场中，物料运动为单纯的层流，其层与层几乎没有传质，传热过程一般只是靠热传导和粘性耗散产生热，如2（a）图中a和c处，b和d处的物料没有传质过程。在振动剪切流场中，物料运动速度V是周期性变化的，流动方向上层与层之间会产生物质交换，即图2（b）中a和c处的物料会发生传质，垂直于流动方向上产生的物质交换与纯剪切类似。在振动剪切流场中产生的传质过程，有利于物料塑化和多相多组分体系共混，同时传质过程强化了热交换，提高了传热效率，可使螺杆长径比减小，因而挤压系统消耗的能量也随之减少。

振动力场的引入在挤压系统中出现了之前所没有的许多现象和特征，如物料塑化输运历程缩短、熔融速率提高、熔体粘度减小等。振动力场能量的引入并不是能量的简单叠加，而是利用高分子材料塑化输运过程在振动力场作用下表现出来的非线性特征降低能耗，提高制品质量[1-5]。同时振动力场的引入具有比较强的分子链解缠结作用效果，使得聚合物熔体粘度下降，并且存在最佳形变振幅和频率使得熔体表观粘度下降幅度最大。熔体表观粘度的下降使得相同产量时，挤出阻力减少，挤出压力降低，同时也使能量消耗减少。

相对于塑料纯剪切形变加工成型，塑料振动剪切形变加工成型技术缩短了加工过程中的热机械历程，能耗明显降低，多相多组分体系混合效果变好，制品质量提高。

1.2 体积拉伸形变加工

图2 纯剪切和振动剪切流场示意图

由于多组份不相容塑料一般不能直接共混加工，螺杆加工设备很难实现通用塑料功能化改性加工和无分拣废旧塑料的回收处理。因此，多组份体系共混增容是塑料改性加工的技术瓶颈。

实现塑料塑化输运过程的力场分为剪切力场和拉伸力场，其中在剪切力场作用下，物料在输运过程中速度梯度与输运方向垂直，而在拉伸力场中，速度梯度与输运方向平行。在螺杆挤压系统中，由于塑料是热的不良导体，加上剪切流场中是层流换热，导致传热效率低，完成塑化输运过程需要一个很长的热机械历程。图3 为剪切流场和体积拉伸流场示意图。如图3（b）所示，在体积拉伸流场中，由于流道变窄，物料层与层之间会产生相互挤压作用，b 处的物料会与d 和c 处的物料发生交换，从而提高了传质传热效率。

图3 剪切流场和体积拉伸流场示意图

在上述研究基础上，提出了基于拉伸流变塑料加工方法，通过物料加工体积周期性变化强制物料混合混炼，实现以拉伸形变为主导的正位移塑化输运机理[6-10]。实现拉伸形变支配的塑化输运方法的设备由叶片塑化输运单元（vane plasticating and conveying unit，VPCU）构成，与螺杆挤压系统（screw extrusion system，SES）相对应，被称为叶片挤压系统（vane extrusion system，VES），如图4 所示。在VPCU 中，由转子、定子、若干叶片及挡板构成一组具有确定几何形状的空间，由于转子与定子内腔偏心，它们的容积可以依次由小到大再由大到小周期性变化，容积由小变大时被纳入物料，容积由大变小时物料在拉压应力的主要作用下被研磨和压实，同时在机械耗散热和定子外加热的作用下熔融塑化并被排出，完成拉伸形变支配的物料塑化输运过程。显然，这也是一个周期性动态塑化输运过程。图4所示的VES由5个VPCU组成，相邻的两VPCU的偏心方向相反，使前一VPCU出料口与后一VPCU 进料口形成连续的通道，完成塑料的连续动态塑化输运。

与螺杆（SES）相比，叶片挤压系统（VES）具有短停留时间，短热机械历程和低能耗挤出特性，如图5所示。叶片挤压系统加工不相容PP/PS体系，其分散相颗粒尺寸大约仅为螺杆挤压系统的1/4倍，如图6所示。研究表明，叶片塑化输运技术与螺杆塑化输运技术相比较，物料热机械历程缩短50%以上、能耗降低30%左右，特别是混合混炼效果好，适用于不相容塑料、生物质复合材料等物料的共混加工，具体主要表现如下。

①塑化输运靠特定形状的空间容积变化完成，具有完全正位移特性，塑化输运能力不依赖于物料的物理特性，对物料适应性提高，且输送效率提高，完成塑化输运过程所经历的热机械历程大大缩短，塑化输运能耗降低。

②塑化输运过程热机械历程短、并避免了强剪切作用，大大降低了物料的降解程度，物料的可循环利用次数随之增多，且强拉伸流场有利于塑化输运过程中多相多组分不相容体系的分散混合，物理方式增容效果好，特别适用于高分子材料循环利用加工。

③在剪切流场作用下，柔性纤维在输运过程中平移的同时还会发生旋转，而在旋转运动过程中往往会由于过度弯曲变形造成纤维的折断。在叶片塑化输运单元中由于以拉伸形变为主导，纤维增强体在输运的过程中可很快地沿拉伸形变的作用方向取向，有利于纤维团聚体的分散和基体树脂对纤维的浸润，因而增加了体系的相容性，同时可减少纤维由于旋转运动而造成折断的程度，因此可以更好地保持植物短纤维的长径比，更适于大长径比植物短纤维增强热塑性塑料复合材料的制备，并能显著地提高制品的力学性能。

图4 叶片挤压系统原理结构示意图

图5 叶片挤出的短机械历程特性和低能耗特性

2 驱动与传动方式

驱动与传动系统作为塑料塑化加工除外加热源以外能量的主要来源，其工作效率是塑料加工设备性能优劣的重要标志之一。随着对塑料机械行高效节能的要求不断提高，其驱动与传动方式经历了从间接驱动到直接驱动，再到负载感应驱动的发展过程。

2.1 挤出机的驱动与传动

传统的塑料挤出机一直采用“电动机+减速箱+挤压系统”的间接驱动方式。这种方式的应用会带来能耗过大、效率低、控制响应慢等诸多问题。若采用“电动机+挤压系统”的直接驱动方式，直接消除减速箱的能量消耗，将提高挤出机的驱动与传动效率同时可提高控制响应速度和控制精度。

上世纪90年代初，提出了塑料塑化挤出直接电磁换能的新概念[11-12]，研制成功塑料电磁动态塑化挤出设备。这种新型挤出机的螺杆挤压系统被置入驱动电机转子的内腔中，实现物料的塑化挤出全过程在电机转子内腔中完成。塑化挤出直接电磁换能方式是挤出机直接驱动的一种特殊实例，螺杆挤压系统的驱动装置是开发成功的低速大扭矩矢量变频异步直接驱动系统。实验和应用结果表明电磁动态塑化挤出设备与普通单螺杆挤出机比较可节能15%左右，体积重量减少50%以上。

图6 PP/PS共混挤出物的相形态（PS刻蚀）

用低速大扭矩矢量变频异步直接驱动系统驱动叶片挤压系统，研制成功矢量变频异步直接驱动叶片塑化挤出设备[13]，如图7所示。来自料斗的物料在螺旋输送过程中吸收驱动装置的铁耗和铜耗产生的热量而被预热到一定温度，使叶片挤压系统塑化输运物料所需的能量减少。同时，这种驱动系统与叶片挤压系统集成化的直接驱动叶片塑化挤出设备与电磁动态塑化挤出设备相比较，能量消耗进一步降低，挤出稳定性大为提高。

随着稀土材料和功率电子技术的发展，低速大扭矩稀土永磁伺服电机开始在塑料机械上崭露头角。采用低速大扭矩稀土永磁伺服电机和叶片挤压系统可组成稀土永磁伺服直接驱动叶片塑化挤出设备，其原理结构如图8 所示。低速大扭矩稀土永磁伺服电机可以实现叶片挤压系统负载感应驱动，最大限度地满足拉伸流变控制的塑化输运过程负载特性要求，降低驱动与传动过程中的能量损耗，提高驱动效率，达到节能降耗的目的。

图7 矢量变频异步直接驱动叶片塑化挤出设备示意图

2.2 注塑机的驱动与传动

图8 稀土永磁伺服直接驱动叶片塑化挤出设备示意图

近几年，国内外各种节能型注塑机驱动与传动系统不断涌现，如变频控制式、变量泵式及电动控制式驱动系统[14]。在注塑机液压驱动与传动系统中，其能量损失是由节流损失与溢流损失两大部分组成的，节能降耗的关键就在于减少这两类的损失。例如，液压变量驱动与传动是注塑机的一种高效节能驱动方式，如图9 所示。在这种液压驱动与传动系统中，通过调节液压泵的排量，使系统流量、压力与负载的要求相适应，最大限度地减少液压系统的溢流损失与节流损失，有显著的节能降耗效果。

图9 注射机液压变量驱动与传动技术

现用注塑机注射和保压过程均是通过直线运动来实现的。这种直线注射和保压方式在不同的注塑机中都存在一系列缺点。在传统的液压式注塑机中，塑化过程由液压马达驱动螺杆旋转运动，注射和保压过程用油缸驱动柱塞或螺杆直线运动。整个塑化注射装置部件多，结构复杂，成本高。尤其是在螺杆一线式注塑机中，螺杆和止逆环后大量未塑化好的物料参与注射时的直线运动，运动惯量大，摩擦阻力大，使注射时能量消耗大，注射速度和注射位置控制困难。在全电动注塑机中，注射运动往往通过滚珠丝杆将伺服电机的旋转运动转化为注射柱塞或螺杆的直线注射运动，除了与上述液压注射机存在相同的问题外，还存在另外的问题：①传动系转动惯量更大，注射速度和位置控制困难；②滚珠丝杆易磨损；③噪音大；④设备成本和维修高。

针对注塑机直线注射和保压方式存在的问题，结合叶片挤压系统的特点，变直线位移计量为角位移计量、直线注射和保压为旋转注射和保压，发明了塑料盘式旋转注射方法及注塑机[15]。如图10所示，在这种新型注塑机中，利用置于圆盘上环形槽中可绕圆盘中心旋转的活塞做旋转运动完成塑料的储料、注射和保压过程。进入盘式储料缸的塑料熔体推动注射活塞旋转，使储料容积增大完成储料；通过外部动力驱动注射活塞做与储料时相反方向旋转，推动盘式储料缸中的物料从喷嘴中射出并注入模腔；保持注射活塞的转矩可以保持模腔压力，完成模腔保压与物料补缩。

图10 叶片注塑机旋转注射结构示意图

塑料盘式旋转注塑机与采用直线注射和保压方式的注塑机相比较具有体积小、储料计量准确、注射能耗低、注射运动惯性小等特点。

3 过程控制系统

塑料制品加工成型是利用外场如力场、温度场等使塑料产生热机械形变的过程，而塑料机械是实施这一过程的手段与工具，它是一个过程装备。塑料制品加工过程由于存在非线性、不确定性、时变性和不完全性等因素，一般无法获得精确的过程数学模型，因此塑料机械的常规控制系统很难对过程实施精确控制。因此，先进加工成型过程控制系统是衡量塑料机械技术水平的重要标志之一。

以往塑料机械的过程控制系统都是采用通过对工艺条件（温度、压力和转速等）控制来达到对制品质量（重量、尺寸、表面质量和性能等）的传统控制。该控制系统由于对工艺条件、物料特性和操作的不同而产生的变化难以很好地响应，很难实现精准控制的目的。在塑料加工过程中，产品质量与工艺参数和过程变量之间的关系是难以确定的，而且塑料种类繁多和加工工艺条件多变，尤其是现在废旧塑料回收循环利用以及可再生植物纤维资源利用对控制系统提出了新的挑战。需要确定控制模型的传统自动控制技术更是难以胜任多相多组分体系加工过程的控制。可以利用先进的测量与传感技术、计算机技术、非线性系统等现代手段，在产品质量与工艺参数和过程变量之间建立反馈与耦合关系，对塑料加工成型过程实施智能化的精准控制控制。只有这种不需要预先知道确定制模模型的智能化控制系统才能满足目前塑料机械发展需要。下面结合叶片塑化挤出和注射成型过程控制简要介绍在塑料机械智能化控制系统研究方面的进展。

塑料拉伸形变支配的叶片塑化挤压系统的应用，对挤出成型过程的控制技术提出了更高的要求，图11是叶片塑化挤出成型过程智能化控制系统框图。这里考虑了叶片塑化挤压成型过程的集成化、网络化与非线性过程优化技术，实现塑化挤出成型过程各工艺参数如加工温度、挤出压力、转子转速等的全闭环高精度智能控制，满足挤压成型过程制品的高质量要求。重点解决了加工温度、挤出压力、转子转速等数据采集与处理、过程自学习与自适应控制问题，特别是实现了驱动源能快速响应负载的变化而自适应调节动力能量输出。此外，智能控制系统具有高可靠性、好的可扩展性以及友好的人机界面。

图11 叶片塑化挤出成型过程智能化控制系统框图

针对塑料叶片塑化盘式旋转注射成型过程控制，开发了专用的智能化控制系统，如图12 所示。这里考虑了旋转注射成型过程注射位置、注射速度的全闭环控制，同时，实现了注射成型各阶段系统压力与流量的感应驱动全闭环控制。通过智能控制算法，实现了注射成型过程位置、速度、压力、流量等工艺参数的高精度控制。此外，建立注射成型制品结构特征与最佳注射工艺参数数值关系的工艺数据库，实现工艺参数自寻优，保证注射成型过程工艺参数的最优化。重点解决了塑化注射成型过程位置、速度、压力、流量等工艺参数的测量采集处理、过程自学习与自适应控制问题，特别是实现了液压动力驱动与传动系统能快速响应负载的变化，达到能量按需供给的目的。

图12 叶片塑化盘式旋转注射成型过程智能化控制系统框图

4 展望

塑料工业的可持续发展需要从节能减排、废旧塑料回收循环利用以及塑料可再生资源替代出发，通过对塑料机械挤压系统、驱动与传动系统、过程控制系统以及制品成型系统等部分的创新研究与突破，形成具有自主知识产权的塑料绿色加工成型技术与装备。在塑料机械的塑化输运方法从纯剪切形变加工到振动剪切形变加工再到体积拉伸形变加工演变、驱动与传动方式从间接驱动到直接驱动再到负载敏感驱动、控制系统从电气控制到数字化控制再到智能化控制等方面的研究取得了很好的进展。希望通过塑料机械行业同仁们的共同努力，将上述研究成果与行业的其他先进技术集成，加快产业化与商品化的进程，为推动我国乃至国际塑料机械技术进步做出贡献。

［1］Qu J.P.，Shi B.S.，Feng Y.H.，et al.Dependence of Solids Conveying on Screw Axial Vibration in Single Screw Extruders ［J］.Journal of Applied Polymer Science，2006，102（3）：2998-3007.

［2］Qu J.P.，Feng Y.H.，He H.Z.，et al.Effects of the Axial Vibration of Screw on Residence Time Distribution in Single-Screw Extruders ［J］.Polymer Engineering and Science，2006（462）：198-204.

［3］瞿金平.聚合物动态塑化成型加工理论与技术：上下卷［M］.北京：科学出版社，2005.

［4］Qu J.P.，Cai Y.H..Experimental Studies and Mathematical Modeling of Melt-Pulsed Conveying in Screw Extruders ［J］.Polymer-Plastics Technology and Engineering，2006，45（10）：1137-1142.

［5］Qu J.P.，Zeng G.S.，Feng Y.H.，et al.Effect of Screw Axial Vibration on Polymer Melting Process in Single-Screw Extruders ［J］.Journal of Applied Polymer Science，2006，100（5）：3860-3876.

［6］瞿金平.基于拉伸流变的高分子材料塑化输运方法及设备［P］.中国专利：ZL200810026054.X，2009.

［7］Qu J.P.The latest progress in research f plastics processing technology ［J］.Engineering Sicience，2012，10（1）：20-29.

［8］QU J.P.，YIN X.C.，HE H.Z.，et al.Research of conveying characteristics of polymer vane extruder［C］.Annual Technical Conference of the Society of Plastics Engineers，ANTEC Conference Proceedings ［A］.2009（2）：1163-1167.

［9］QU J.P.，YANG Z.T.，YIN X.C.，et al.Characteristics Study of Polymer Melt Conveying Capacity in Vane Plasticization Extruder［J］.Polymer-Plastics Technology and Engineering，2009，48（12）：1269-1274.

［10］杨智韬.聚合物叶片挤出机熔体正位移输送与混合特性研究［D］.广州：华南理工大学，2009.

［11］瞿金平.电磁动态塑化挤出方法及设备［P］.中国专利90101034.0，1990；美国专利5217302，1993；欧洲专利044306B1，1995.

［12］瞿金平.电磁式聚合物动态注射成型方法及装置［P］.中国专利ZL96108387.5，1999.

［13］瞿金平，何和智，殷小春，等.挤压系统与驱动系统集成化的叶片塑化挤出机［P］.中国专利201020254587.6.

［14］金波，宁德胜，许明，等.注塑机控制系统的现状及发展趋势［J］.Hydraulics Pneumatics&Seals，2006（1）：7-10.

［15］瞿金平，晋刚，殷小春，等.一种塑料盘式旋转注射方法及装置［P］.中国专利：201010223510.7.