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在線配混注塑件成型技術(shù)及其在長(zhǎng)玻纖增強(qiáng)熱塑
汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展對(duì)塑料加工技術(shù)提出了越來(lái)越高的要求，而汽車(chē)塑料的用量是衡量一個(gè)國(guó)家汽車(chē)生產(chǎn)技術(shù)水平的標(biāo)志之一。近30多年以來(lái)，汽車(chē)塑料的用量在不斷增加，平均每輛汽車(chē)用量從20世紀(jì)70年代初的50～60kg已經(jīng)發(fā)展到目前的150kg，而且還在繼續(xù)增加中。目前，在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家中，轎車(chē)中塑料的用量占汽車(chē)總重量的10％以上，車(chē)身內(nèi)飾和外部裝飾中，大表面積零件的塑料使用也已經(jīng)得到了飽和程度，僅僅有部分零件尚未塑料化。車(chē)身塑料制品中，1m以上的產(chǎn)品已經(jīng)非常普遍，部分塑料產(chǎn)品長(zhǎng)度已經(jīng)達(dá)到2m以上。由于新材料的成本和加工技術(shù)的不斷進(jìn)步，車(chē)身內(nèi)飾外裝部件實(shí)現(xiàn)全部塑料化已經(jīng)非常接近。 目前，塑料在汽車(chē)中的應(yīng)用正在向結(jié)構(gòu)件和半結(jié)構(gòu)件方向擴(kuò)展，從而使得長(zhǎng)玻纖增強(qiáng)材料(LFT)在汽車(chē)零配件中越來(lái)越廣泛應(yīng)用，對(duì)于支架產(chǎn)品是非常合適的一類(lèi)材料。長(zhǎng)玻纖增強(qiáng)材料使用在轎車(chē)領(lǐng)域，具有輕量、節(jié)能、環(huán)保美觀等優(yōu)點(diǎn)，例如，馬自達(dá)6型汽車(chē)前端模塊和車(chē)門(mén)模塊載體已經(jīng)采用長(zhǎng)玻纖增強(qiáng)的聚丙烯材料。據(jù)不完全估計(jì)，全球市場(chǎng)每年的長(zhǎng)玻纖增強(qiáng)熱塑性塑料產(chǎn)量約有12.6萬(wàn)噸。 研究發(fā)現(xiàn)，為了使玻璃纖維在塑料中很好地起到提高強(qiáng)度的作用，必須使玻璃纖維長(zhǎng)度大于其臨界長(zhǎng)度。當(dāng)纖維長(zhǎng)度小于此臨界長(zhǎng)度的纖維增強(qiáng)材料受到一定的載荷時(shí)，纖維就有可能被拔出，纖維的強(qiáng)度就不能得到充分的發(fā)揮。臨界長(zhǎng)度的大小與具體的塑料品種有很大的關(guān)系，有資料標(biāo)明，就玻纖增強(qiáng)聚丙烯而言，其玻纖臨界長(zhǎng)度為3.1mm，但是對(duì)于經(jīng)過(guò)化學(xué)改性PP材料，玻纖臨界長(zhǎng)度可以達(dá)到0.9mm。但是在普通玻纖增強(qiáng)聚丙烯中玻璃纖維的長(zhǎng)度卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于臨界長(zhǎng)度，造成材料的破壞模式主要是纖維被撥出而無(wú)法滿足強(qiáng)度要求。 玻璃纖維增強(qiáng)熱塑性塑料的制造過(guò)程中，纖維在擠出機(jī)中與樹(shù)脂混煉時(shí)遭受螺桿和機(jī)筒之間的剪切力作用，纖維會(huì)受到損傷。為了彌補(bǔ)這一缺陷，逐步發(fā)展了長(zhǎng)玻璃纖維增強(qiáng)熱塑性塑料（LFT）。LFT制品中的玻璃纖維長(zhǎng)度較長(zhǎng)，一般可以達(dá)到3～5mm，而且纖維長(zhǎng)度分布均勻，可以有效的提高制品的力學(xué)性能，特別是沖擊強(qiáng)度和制品的耐熱穩(wěn)定性，因而受到越來(lái)越多的關(guān)注。 目前LFT存在兩種類(lèi)型的加工制造方法，一種是先加工成LFT母料，然后在經(jīng)過(guò)注塑件成型的加工方法；另一種是一步法在線配混技術(shù)，即在生產(chǎn)線上配混玻璃纖維、塑料及添加劑后直接成型為制品，省去了造粒中間環(huán)節(jié)。 LFT母料法 LFT粒料早期曾用電纜包覆法、粉末浸漬法等來(lái)制備。近十余年采用一種新的工藝：使玻璃纖維無(wú)捻粗紗通過(guò)特殊模頭，同時(shí)向模頭供入熱塑性塑料，在模頭中無(wú)捻粗紗被強(qiáng)制分散開(kāi)，受到熔融樹(shù)脂的浸漬，使每根纖維都被樹(shù)脂覆蓋，經(jīng)過(guò)冷卻后切成較長(zhǎng)的料粒(10~25mm)。由于纖維完全被樹(shù)脂包圍，因而在注塑件成型時(shí)纖維受到螺桿的損傷程度降低，在最終制品中保持了較長(zhǎng)的長(zhǎng)度。國(guó)外開(kāi)發(fā)的長(zhǎng)玻纖增強(qiáng)聚丙烯注塑件成型技術(shù)中，對(duì)于原料的要求較高，需要采用一種超低熔融粘度的聚丙烯樹(shù)脂（樹(shù)脂的熔融指數(shù)為300g/10min），使包裹在其中的玻璃纖維在加工過(guò)程中受到較小的剪切力。同時(shí)為了保證制品的強(qiáng)度，需要添加一種高結(jié)晶結(jié)構(gòu)的聚丙烯樹(shù)脂。LFT料粒中的典型玻璃纖維的含量為40%，一些“超濃度”料粒中的玻璃纖維含量甚至達(dá)到75%~80%。 LFT在線配混技術(shù) 在線配混成型技術(shù)，就是將原材料的配混過(guò)程融入制品成型過(guò)程（擠出或注塑件）中，使塑料復(fù)合材料的配混與成型在一條生產(chǎn)線上連續(xù)不間斷完成的技術(shù)。其工作原理是：在生產(chǎn)線上游設(shè)置一臺(tái)連續(xù)供料的設(shè)備，可以是多組分的體積計(jì)量進(jìn)料或者失重計(jì)量進(jìn)料裝置，將塑料和各種添加劑、顏料等按比例加入具有混合功能的擠出機(jī)中。擠出機(jī)完成以下功能：1，熔融基體塑料并將其與添加劑等充分混合；2，強(qiáng)力攪拌和均化熔體，達(dá)到無(wú)應(yīng)力程度；3 ，螺桿的旋轉(zhuǎn)自動(dòng)將玻璃纖維無(wú)捻粗紗從紗筒中拉出，帶入料筒中，玻纖一邊被剪切折斷，一邊被塑料熔體浸漬并在剪切作用下分散于熔體中。當(dāng)玻纖分散均勻后，此時(shí)的物料可以直接進(jìn)入下游，下游可以是擠出成型，也可以是注塑件成型得到制品。 LFT在線配混成型的優(yōu)點(diǎn)主要有兩個(gè)：一個(gè)是成本低。在線配混技術(shù)生產(chǎn)的大結(jié)構(gòu)部件比長(zhǎng)玻璃纖維氈片熱塑性塑料(GMT)壓塑部件的成本低20%~50%。國(guó)外有報(bào)道美國(guó)GE塑料公司生產(chǎn)的商標(biāo)為Aedel的聚丙烯GMT的售價(jià)為1.3美元/磅，而在線配混LFT的成本低于1美元/磅。另一個(gè)是制品總的性能優(yōu)異。由于提高并保證了制品中纖維的極限長(zhǎng)度，使制品的強(qiáng)度，剛度得到提高，另外還有成型周期短，制品沒(méi)有邊角廢料，回收方便等優(yōu)點(diǎn)，國(guó)外正在逐步推廣應(yīng)用。德國(guó)的Krauss-Maffei公司和加拿大的Husky公司均開(kāi)發(fā)了在線配混注塑件機(jī)并實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品系列化，Krauss-Maffei公司的產(chǎn)品已經(jīng)用于制造克萊斯勒（DaimlerChrysler）汽車(chē)儀表盤(pán)的通氣道。Krauss-Maffei公司已在全球售出30多臺(tái)注塑件配混機(jī)，其中約1/3被美國(guó)注塑件加工廠購(gòu)入，主要用于汽車(chē)和包裝用途。 圖1 在線配混動(dòng)態(tài)注塑件成型設(shè)備在國(guó)內(nèi)，東華機(jī)械有限公司與華南理工大學(xué)聚合物新型成型裝備國(guó)家工程研究中心合作，開(kāi)發(fā)出國(guó)內(nèi)首臺(tái)在線配混動(dòng)態(tài)注塑件成型設(shè)備（圖1），該設(shè)備鎖模力650噸，注射量3000克。新設(shè)備采用熔體儲(chǔ)料缸、多個(gè)熔體閥以及柱塞式注射對(duì)物料流程進(jìn)行了有效控制，將連續(xù)的配混過(guò)程與周期型的注射過(guò)程集成為一體。除此之外，還采用了兩項(xiàng)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的專利技術(shù)： 一個(gè)是配混系統(tǒng)采用了華南理工大學(xué)發(fā)明的平行三螺桿混煉擠出技術(shù)。這種新技術(shù)采用的配混設(shè)備是一臺(tái)有三根螺桿在料筒中呈“一字形”排列的三螺桿擠出機(jī)，如圖2所示，三根螺桿同向旋轉(zhuǎn)，有兩個(gè)嚙合剪切區(qū)。這一系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，對(duì)物料的適應(yīng)性強(qiáng)，塑化、混合和分散性能高于同向雙螺桿，更大大優(yōu)于傳統(tǒng)的注塑件機(jī)單螺桿，極為有效地提高了塑料加工中主料與添加劑的混煉、分散效果,不但適合加工玻璃纖維增強(qiáng)聚合物材料體系，同時(shí)也適合于加工熱敏性材料如天然木纖維聚合物復(fù)合材料、無(wú)機(jī)粉體填充聚合物、淀粉塑料等。在線配混動(dòng)態(tài)注塑件成型設(shè)備目前可裝配直徑為75mm、65mm、50mm、35mm等不同直徑的三螺桿擠出機(jī)，塑化能力可以根據(jù)生產(chǎn)制品重量的大小和生產(chǎn)效率分別調(diào)整。 圖2 “一字形”排列的等長(zhǎng)等徑的雙頭三螺桿俯視圖另一技術(shù)是注射系統(tǒng)采用了動(dòng)態(tài)注塑件成型技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)是通過(guò)在注射螺桿或柱塞上施加軸向振動(dòng)，將機(jī)械振動(dòng)場(chǎng)引入聚合物注射、保壓和冷卻過(guò)程的一種新型注塑件成型技術(shù)。在動(dòng)態(tài)注射加工條件下，復(fù)合材料的流動(dòng)性得以提高，這樣就降低了注射與保壓壓力或者降低注射溫度，從而減小流動(dòng)對(duì)玻璃纖維的剪切，提高了制品中玻璃纖維的平均長(zhǎng)度，增加了制品的致密度，最終提高了制品的力學(xué)性能。 應(yīng)用了這兩項(xiàng)專利技術(shù)的在線配混注塑件成型設(shè)備通過(guò)一段時(shí)間對(duì)PP＋玻纖、PP＋麻纖等多種物料體系的試模運(yùn)行，與傳統(tǒng)的配混造粒＋注塑件成型的工藝相比，成型同樣一個(gè)材料為PP加30％玻纖的制品，能耗降低45%、成型周期縮短20%、制品性能得到提高。 在線配混動(dòng)態(tài)注塑件成型技術(shù)裝備的節(jié)能效果主要來(lái)源于以下幾個(gè)方面：（1）采用三螺桿擠出機(jī)，配混過(guò)程物料的擠出單耗比采用傳統(tǒng)雙螺桿低15%；（2）采用在線配混一步法成型，減少了一次冷卻和加熱過(guò)程，少了一次傳統(tǒng)注塑件機(jī)的塑化過(guò)程，相比傳統(tǒng)注塑件成型至少節(jié)省了20%能耗；（3）動(dòng)態(tài)注塑件成型技術(shù)的引入,降低了材料的表觀黏度,減低了注射過(guò)程10%的能耗。 成型周期的縮短主要是由于塑化效率的提高以及由于注射溫度降低帶來(lái)的冷卻時(shí)間縮短。三螺桿擠出機(jī)的混合混煉效果大大高于傳統(tǒng)注射機(jī)中單螺桿的塑化效果，因而能獲得更好的熔體質(zhì)量和更高的塑化效率，此臺(tái)樣機(jī)的螺桿直徑50mm，最高轉(zhuǎn)速300rpm，最大擠出量可以達(dá)到250kg。這樣可以大大縮短傳統(tǒng)注塑件機(jī)的塑化計(jì)量時(shí)間。配混系統(tǒng)中物料的充分塑化和混合使得后面的注射工藝溫度可以適當(dāng)降低，以減少注射的冷卻時(shí)間；再加上動(dòng)態(tài)注射技術(shù)的應(yīng)用，使物料的表觀黏度下降，充模和保壓時(shí)間相應(yīng)縮短，或者可以進(jìn)一步降低注射溫度。綜合上述因素，注塑件成型周期縮短了，生產(chǎn)效率提高了。 除上述顯著優(yōu)點(diǎn)外，同其它的在線配混注塑件成型設(shè)備一樣，新設(shè)備同樣具備下述優(yōu)點(diǎn)： 降低原料和生產(chǎn)成本 在線配混注塑件成型設(shè)備可以在一臺(tái)設(shè)備上一步完成材料的配混與成型，塑料、填料和添加劑可以分開(kāi)采購(gòu)，相比較于用戶從材料供應(yīng)商處購(gòu)買(mǎi)可以節(jié)約很大一部分成本，特別是對(duì)于某些用戶的專用料，則更能體現(xiàn)成本優(yōu)勢(shì)。例如在線配混過(guò)程制備玻璃纖維增強(qiáng)熱塑性塑料，其制造成本明顯的低于采用玻纖母料方法制備的材料（表1）。對(duì)于具有材料配方研發(fā)能力的注塑件加工商，可以自己開(kāi)發(fā)材料配方，制造某些特殊性能制品可以擁有自己獨(dú)特的產(chǎn)品個(gè)性，使產(chǎn)品線更加豐富。 表1 兩種玻璃纖維增強(qiáng)熱塑性塑料的制造成本比較 在線配混成型設(shè)備的加工過(guò)程中，材料從加熱到成型僅僅進(jìn)行了一次加熱歷程，相比傳統(tǒng)配混造粒＋注塑件成型的工藝至少節(jié)省了一次加熱、塑化和冷卻過(guò)程需要的能耗，常規(guī)認(rèn)為傳統(tǒng)注塑件機(jī)中塑化過(guò)程的能耗占整個(gè)注塑件周期能耗的30％－40％，由此可見(jiàn)新技術(shù)帶來(lái)的成本降低不容忽視。 傳統(tǒng)的玻璃纖維增強(qiáng)熱塑性材料的注射過(guò)程中，由于玻纖的硬度大，對(duì)于注射機(jī)螺桿和料筒的磨損情況相當(dāng)嚴(yán)重，除了因螺桿和料筒磨損后造成制品的性能下降以外，更換螺桿和料筒也加大了生產(chǎn)注塑件加工家很大的一部分成本。而在在線配混動(dòng)態(tài)注塑件成型設(shè)備中，玻纖對(duì)于螺桿和料筒的磨損主要發(fā)生玻纖剛剛加入三螺桿配混系統(tǒng)后的配混過(guò)程，配混完成后的物料對(duì)注射機(jī)料筒和柱塞的磨損程度相對(duì)較小。而三螺桿配混系統(tǒng)的螺桿和料筒都是積木組合式的，可以分別更換受到磨損的螺紋和料筒，不必更換整條螺桿和料筒，這也降低了生產(chǎn)注塑件加工家的生產(chǎn)和維護(hù)成本。 適用范圍廣 在線配混動(dòng)態(tài)注塑件成型技術(shù)可以適合任何多組分共混物料體系注塑件成型或者對(duì)物料塑化混合質(zhì)量要求高的注塑件成型，例如塑料與塑料共混的塑料合金、無(wú)機(jī)物填充塑料、纖維增強(qiáng)塑料、難分散的色粉甚至是新舊料摻混等等。而且，對(duì)于客戶來(lái)講，使用這一技術(shù)，配方的升級(jí)更換或是選用更經(jīng)濟(jì)的材料將變得非常簡(jiǎn)單，能夠迅速地滿足市場(chǎng)的需要。 在線配混動(dòng)態(tài)成型設(shè)備所配備的三螺桿擠出機(jī)加工參數(shù)與注射機(jī)的加工參數(shù)可以單獨(dú)調(diào)節(jié)，因而在同一臺(tái)設(shè)備上就可以通過(guò)改變螺桿的轉(zhuǎn)速、進(jìn)料速度來(lái)調(diào)整加工條件，得到不同性能要求的制品。 動(dòng)態(tài)注塑件成型過(guò)程采用了柱塞式注射過(guò)程，配混好的熔融物料通過(guò)熔料缸進(jìn)入到注射機(jī)料筒中，因而注射量不會(huì)像傳統(tǒng)注塑件機(jī)那樣受到螺桿有效長(zhǎng)度的限制，只要改變注射柱塞長(zhǎng)度和直徑就可以滿足大范圍的注射量。 制品性能優(yōu)良 在線配混動(dòng)態(tài)注塑件成型技術(shù)的加工過(guò)程中，增強(qiáng)纖維通過(guò)螺桿的旋轉(zhuǎn)帶入到均勻混合好的聚合物熔體中，不需要經(jīng)歷與固態(tài)塑料顆粒的摩擦和擠壓過(guò)程，減少了玻纖在固體輸送和熔融過(guò)程中的損傷折斷，使配混過(guò)程相對(duì)比較溫和，保證了制品中的最大玻纖長(zhǎng)度。通過(guò)將成型制品取樣后放入馬弗爐燃燒，將塑料組分燒掉，可以發(fā)現(xiàn)制品中的玻璃纖維平均長(zhǎng)度達(dá)到了5mm以上（圖3）。因此成型制品的強(qiáng)度、剛度得到大大提高，長(zhǎng)玻纖的增強(qiáng)功能可以得到充分發(fā)揮。這種相對(duì)溫和的混合分散過(guò)程也尤其適合于熱敏性的天然纖維材料。從塑料的角度來(lái)說(shuō)，相比傳統(tǒng)的先造粒再注塑件的工藝，在線配混注塑件成型技術(shù)中的塑料只經(jīng)歷了一次加熱過(guò)程，不僅可以減少熱敏感材料發(fā)生熱降解的危險(xiǎn)，而且對(duì)于保持任何塑料的原性能也是有利的。另外，在線配混動(dòng)態(tài)注塑件成型設(shè)備中的配混系統(tǒng)——平行同向三螺桿擠出機(jī)在工作中是連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的，也就是說(shuō)物料在設(shè)備中的停留時(shí)間是基本一致的，這對(duì)于塑化、混合和分散質(zhì)量的均一性尤其關(guān)鍵。這就完全克服了普通注塑件機(jī)中由于螺桿的啟停和有效長(zhǎng)度的變化而引起物料塑化和混煉質(zhì)量差異這一缺陷，使制品的材料均一性提高，發(fā)生翹曲變形的幾率減小。 圖3 在線配混動(dòng)態(tài)注塑件成型制品中玻纖的長(zhǎng)度（圖中單位為0.1英寸）應(yīng)用前景廣闊 在線配混動(dòng)態(tài)注塑件成型技術(shù)裝備是新一代的在線配混技術(shù)，除在汽配工業(yè)中應(yīng)用，還可以在家電、電子、造船、包裝、運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)中使用，應(yīng)用前景十分廣闊。一個(gè)很有前景的典型應(yīng)用是塑料＋天然麻纖維這類(lèi)環(huán)保型材料的成型。利用新技術(shù)，麻纖維繩不再需要剪切成顆粒狀，而可以直接將麻繩加入到配混系統(tǒng)中與塑料混合，并且成型出的制品中麻纖維的混合分散效果較普通注塑件機(jī)有明顯改善（圖4）。同樣對(duì)于日益發(fā)展的木塑等環(huán)保型材料的應(yīng)用，例如木塑地板、木塑家具、木塑托盤(pán)等產(chǎn)品的生產(chǎn)，在線配混動(dòng)態(tài)注塑件成型技術(shù)也將表現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。 圖4 在線配混動(dòng)態(tài)注射設(shè)備成型的PP＋25％麻纖維制品
