单纯再生塑料三阶单点双层夹心注射机构的开发

2019-03-22曹亮

塑料包装 2019年1期

曹亮

（宁波市海达塑料机械有限公司）

1.前言

废旧塑料包装回收再生塑料资源循环利用拓展了注射工程应用领域，创新驱动了注射技术的发展和应用，注射不再是以往单纯的狭义的注塑成型理念，而是以注射功能与其它成型功能相组合的广义的、即“注射+”的复合成型装备的理念[1]。往复式螺杆注射塑化革新了注射成型加工技术，注射成型原料必须具有符合注射要求的粒料，成型工艺对原料的流动性能、形式等受到一定的限制。本文介绍了作者开发的一种适应于单纯再生塑料直接用于夹心双层塑料制品注射的“单阶注射+双阶挤注”组合的三阶单点注射机构及应用实例，为废旧塑料的绿色循环利用提供了一种创新的注射技术与装备。

2.单纯再生塑料三阶单点注射技术与装备的创新要点

注射领域的单纯再生塑料指注射制品切割下来的飞边、浇口、废品经粉碎后直接作为注射制品的成型原料，直接注射或和填充剂物理混合后注射。

工程注射塑料制品对其表面的物化性能具有较高的要求，表层（外层）适宜用新料或复合再生达到新料性能的塑料原料，在整体性能机械达到指标情况下，夹心内层可用单纯再生塑料，以实现资源节约型的塑料循环利用，所以单纯再生塑料用于注塑制品的内层材料作为注射技术的研究方向。

2.1 单纯再生塑料挤注双阶注射混炼技术的创新驱动[2]

常规的由往复式螺杆注射塑化和柱塞注射两类机构组成的双阶单点注射机难以适应单纯再生塑料的注射。往复式螺杆注射塑化装置由于螺杆混炼性能的局限，达不到单纯再生塑料实现注射混炼质量的要求。

单纯再生塑料挤出混炼在挤出复合多层板材领域已成为广泛应用的成熟技术。根据注射成型的特点，把单纯再生塑料挤出混炼技术创新应用到注射领域，实现单纯再生塑料注射成型。

单纯再生塑料挤注双阶注射混炼系统由挤出塑化混炼、柱塞注射等双阶机构组成，结构形式为上挤出塑化、下柱塞注射，两者之间通过机械开关式流道相连接。

2.2 三阶单点注射系统的创新驱动

由2.1分析，双阶机构实现夹心双层制品的内层单纯再生塑料的注射。往复式螺杆注射塑化实现夹心双层制品的外层塑料新料的注射。

由上面对夹心双层制品的注射工艺分析，把由三阶组成的两个系统组合为一个三阶系统，即实现夹心双层制品的注射。挤注双阶机构和往复式螺杆注射塑化机构两者之间成角尺排列，通过夹层换向机构实现流道相连接。塑化熔融料由同一注射喷嘴射出，故该注射系统被称谓三阶单点注射系统。图1为三阶单点注射系统简图。

2.3 三阶单点注射的各阶机构/结构的创新驱动

往复式螺杆注射塑化系统为双缸平衡注射机构，低速大扭矩液压马达直接驱动螺杆塑化。低速大扭矩液压马达驱动挤出混炼塑化。单缸液压动力驱动柱塞注射及塑化后退。各阶的塑化背压由系统液压控制。系统移动由同一整体移动油缸实现。夹层换向机构由主副料筒连接法兰、夹层换向阀芯、前机筒、喷嘴等组成。

高效单螺杆挤出系统。适应单纯再生塑料松密度较小、物料组成形状不均匀、以及在线填充混合等特点，强化挤出螺杆的混炼塑化和缩容压缩两项性能，结构设计上采取高剪切低融塑化温度的综合混炼型、适当增加加料段槽深，增强混炼效果，保证了最佳的分散性混合和分布性混合，实现高速高质量稳定挤出。

挤出上料及加料系统，根据实际需要，可配置失重加料、自动比例混合、脉冲式上料机等加料系统，实现精确、稳定的计量加料，实现单纯再生料资源应用的最大价值。

图1 三阶单点注射系统简图

2.4 三阶单点单纯再生塑料双层夹心注射的工作原理

夹层表皮材料A在主预塑机构8的预塑马达旋转带动下经过主预塑螺杆机筒6，完成夹层表皮材料A的熔融塑化计量；夹层芯材料B（粉碎的废旧塑料与填充物）在挤出塑化机构4的预塑马达旋转带动下经过挤出塑化螺杆机筒2，完成夹层芯材料B的熔融塑化计量；塑化完成的材料A储存在主螺杆料筒前端与塑化完成的材料B储存在副柱塞料筒前端，等待注射。首先主螺杆以较慢的速度前进注射，将夹层换向机构中的主阀芯推向柱塞注射机构，使柱塞注射机构封闭，主注射机构与模腔联通，将熔融材料A注入模具型腔内1/3-1/2。接着柱塞在液压缸5的驱动下，以较快的速度前进，将夹层换向机构中的主阀芯推向主注射机构，使主注射机构封闭，柱塞注射料筒机构与模腔联通，快速将熔融材料B注入模具型腔内1/2-1/3，由于材料B的注射速度较快可将尚未完全固化冷却的材料A冲开，同时将材料A向前及模具表面推进，材料B在材料A中处于夹层包覆状态。然后主螺杆以较慢的速度前进注射，将夹层换向机构中的主阀芯推向副注射机构，使柱塞注射流道封闭，主注射机构与模腔联通，将熔融材料A注入模具型腔内的剩余空间。完成保压冷却，取出制品后进入下一个循环。

2.5 三阶单点注射单纯再生塑料的绿色循环利用的绿色特点

提高厚壁注塑制品的物性性能。夹心柱塞低压注射，大幅降低了注射制品夹心及整体的内应力，提高了注射制品的应力寿命周期。

废旧塑料循环利用资源节约化。双阶挤出塑化功能实现单纯再生塑料的直接注塑；实现单纯再生塑料与填充物（碳酸钙）充分混炼塑化、挤出、注射，实现资源节约化的夹心双层制品的注塑成型，拓展了废旧塑料的循环利用的应用领域。

低碳排放注射。注塑制品低碳排放最明显的特征是制品从原料到成品的全过程实现节能降耗。单纯再生塑料直接注塑，省掉普通包装塑料再生回收所必需的造粒工艺，可大幅降低制品成型能耗，节约了能源，同时防范了粉碎料造粒过程可能产生的二次污染风险。

适用原料范围广。挤出塑化过程中，废旧塑料塑化经历的螺杆长径比不变，塑化质量前后一致，使物料在熔融状态下的比容一致性得到了保证。废旧包装塑料单纯回收再生即可直接用于制品的注射成型，即使废旧包装塑料中含有较多的杂质也可成型出合格的制品。挤出塑化具有一定的排气能力，降低了对塑料原料干燥度的要求，提高了对废旧塑料挤出塑化的适应能力。

注塑制品调节范围大。主副注射塑化机构的使用，使注塑制品的材料组份调节范围扩大，成型制品重量可调性更优。柱塞注射容量可根据客户的实际需要实现模块化配置，拓展了注射容量的适应能力。

降低制品成本。废旧包装塑料破碎后和填充物在线混炼挤注，降低塑料原料成本及制造原料成本，大幅降低制品的成型加工成本，同时不影响成型制品外表面的性能及美观质量。

提高制品精准度。单纯再生塑料三阶单点双层夹心注射，心层为单纯回收料柱塞低压注射，外层为薄膜级包覆注射成型，降低了制品应力，显著降低了厚壁类注射制品的收缩量对制品表面缺陷的影响，从而提升成品的成型精准度、耐环境寿命持续能。

2.6 三阶单点注射单纯再生塑料双层夹心制品成型工艺技术的研究

三阶单点注射机构是实现单纯再生塑料双层夹心制品的基础，成型工艺技术是实现单纯再生塑料双层夹心制品质量的保证。

2.6.1 三阶单点注射单纯再生塑料双层夹心制品内外层两类塑料物性特性的研究

双层夹心制品由二类塑料组成，两者之间材料物理性能的匹配是保证制品物性质量的关键。两类塑料物理性能主要表现在熔体粘度及粘结性能、收缩率及收缩量、线性热膨胀系数及膨胀量。

内外层两类相同塑料组合的塑料相容特性。内外层同类材料为达到结合面之间的良好物理粘合性奠定了基础。塑料在不同熔融温度下呈现不同的熔体粘度，影响到结合面的相容性，所以即使为同类塑料也要控制好实现良好相容性的加工温度。内层无机填充复合塑料的熔体粘度发生变化，无机填充剂过量必然使复合材料的熔体粘度下降过大，即与外层塑料之间在同等加工温度下熔体粘度差过大，相容性能下降，界面的粘结效果差，导致制品的抗震抗压性能下降，所以必须选择合适的加工温度，达到内外层之间实现良好的相容性。

内外层两类不同塑料组合塑料相容特性[3]。夹心注塑制品，由于具有特殊的夹心结构，还可以根据不同的需要选择内、外层材料，将不同塑料各自的优良特性“组合”在一起，得到一般塑料加工无法得到的特殊制品。但当内外层材料不同时，通常选择两种通过化学键能够结合在一起的材料，同时制定相容良好的两类塑料及合适的加工温度，达到两者之间良好的相容性，否则内外层材料之间会发生剥离现象。假如由于某些原因选择了两种无法粘合在一起的材料，就必须设计一种能够连接这两种材料的方法，将不相容的材料互连在一起。

内外层两类塑料收缩量匹配特性。内外层各自的收缩量差异不能过大，尽量做到完全匹配，通常要求嵌入材料或芯体材料的收缩量略小，以保证两层之间紧密结合，否则制品冷却后外形变形、结合面可能产生微气孔。注塑成型工艺实施过程中，通过对加工过程的控制，可以减少不同的收缩率和CLTE的不匹配对制品的影响。

2.6.2 三阶单点注射单纯再生塑料双层夹心制品成型工艺技术参数的研究

夹心双层制品的成型技术，对于制品各层厚分布的选择，加工参数及其控制技术极其重要，即便采用相同的塑料，因内层为单纯再生塑料，如成型工艺技术不当，制品不能达到预期的质量。熔融温度和注射压力是成型工艺的两个主要技术参数。举例来说，当进行夹心注入时，如用过高温度和压力把熔融料注射进外层塑料的内腔，会产生对外层塑料过高压力，从而成型制品冷却后，夹心会呈现更大的收缩量，影响制品的整体形状和尺寸精度。

改进加工工艺，选用收缩率更低的材料并控制加工温度，降低出模的收缩程度。

2.6.3 双层夹心制品结构技术设计的研究

双层夹心制品变形可以通过以下几种结构设计方法来实现最小化：

1）将制件设计成对称外形，这样可以平衡应力，减少或消除变形。

2）将材料实际接触面的跨距或对其它部分的牵扯减至最小。

3）增强相关部位，通过对受不同收缩率和不匹配影响最多的部位进行增强，可以将变形最小化。

3.三阶单点注射单纯再生塑料夹层注射实物成型试验

夹层注塑的两类塑料必须为相容，以达到接触面之间牢固的粘合性。图2是夹层双阶注射制品模型，该试验制品材料A为黑色PP，材料B为废旧包装PP塑料加50%碳酸钙混合料。图3是夹层双阶注射试验制品实物及断面。

制品栽面分析，外表面无明显凹凸现象，内外层粘合面相容性好、无微气孔，夹心层混炼均匀、无明显色办点。

图2 夹层双阶注射制品模型

图3 夹层双阶注射制品实物及断面

4.持续拓展三阶单点注射的应用领域[4]

把挤出持续创新的新技术运用到双阶挤注系统，结合多层模具和多层注塑技术，持续拓展持续拓展三阶单点注射的应用领域。

1）功能化挤注双阶模块[1]

移植多能化、多元化挤出塑化混炼技术，开发废旧塑料多形式高值化循环利用功能化模块，例如，“废旧塑料+增强纤维”复杂再生塑料在线配混挤注模块、“废旧塑料+真空排气）”免干燥挤注模块、“废旧塑料+改性剂”复杂再生塑料在线配混挤注模块，等等，拓展更多的绿色化挤注功能。

2）资源节约型工程塑料制品应用领域

结合双层模具技术，夹心双层注塑实现高分子材料应用价值最大化。功能化的外层（表观）优质材料应用最小化，内层单纯再生材料利用率最大化。

外层采用增强塑料，内层为非增强的废旧再生塑料，主要用于承受弯曲应力和负载作用在表面的工程塑料制品。外层为耐磨材料，内层为废旧塑料填充配混的高强度再生材料，用于成型表面耐磨，具有低的磨擦因数,同时整体又具有较高强度的工程塑料制品。

外层为高光洁度材料，内层为废旧塑料混炼的增强再生塑料，以达到制品外观美和强度高度的统一的工程塑料制品。例如内层为“废旧塑料+玻璃纤维”复合材料，挤出混炼保证了制品中的玻纤最大长度，长玻纤的增强功能得到充分发挥，成型制品的强度、刚度得到显著提高。

表面为装饰性功能化新料，内部为废旧回收再生塑料的工程塑料制品。例如，塑料镀铬把手，表面镀铬的材料用ABS，内部用废旧塑料，不降低把手的性能和功能，同时又实现废旧塑料的循环利用。

3）轻量化夹心双组分塑料制品应用领域

可实现内部为发泡材料、外部为硬质材料完全包覆的特殊结构的双组分轻量化塑料制品注射成型，实现制品轻量化、资源节约化、功能拓展化。夹心注射模塑用于生产夹心发泡制品时，先由往复式螺杆注射（图1中序号6系统）表层材料(即不含发泡剂的A材料)，随后由挤出塑化注射（图1中挤注系统）将内层材料(含发泡剂的B材料)经同一浇口的另一流道与还在注射的A材料同时注入模具，最后再次注入A材科使浇口封闭。制品取出后，再去掉浇口即得到具有不发泡致密表层和有芯部发泡的轻质制品。