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在線配混注塑件成型技術及其在長玻纖增強熱塑
汽車工業(yè)的發(fā)展對塑料加工技術提出了越來越高的要求，而汽車塑料的用量是衡量一個國家汽車生產(chǎn)技術水平的標志之一。近30多年以來，汽車塑料的用量在不斷增加，平均每輛汽車用量從20世紀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)達國家中，轎車中塑料的用量占汽車總重量的10％以上，車身內(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)品長度已經(jīng)達到2m以上。由于新材料的成本和加工技術的不斷進步，車身內(nèi)飾外裝部件實現(xiàn)全部塑料化已經(jīng)非常接近。 目前，塑料在汽車中的應用正在向結(jié)構(gòu)件和半結(jié)構(gòu)件方向擴展，從而使得長玻纖增強材料(LFT)在汽車零配件中越來越廣泛應用，對于支架產(chǎn)品是非常合適的一類材料。長玻纖增強材料使用在轎車領域，具有輕量、節(jié)能、環(huán)保美觀等優(yōu)點，例如，馬自達6型汽車前端模塊和車門模塊載體已經(jīng)采用長玻纖增強的聚丙烯材料。據(jù)不完全估計，全球市場每年的長玻纖增強熱塑性塑料產(chǎn)量約有12.6萬噸。 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度的作用，必須使玻璃纖維長度大于其臨界長度。當纖維長度小于此臨界長度的纖維增強材料受到一定的載荷時，纖維就有可能被拔出，纖維的強度就不能得到充分的發(fā)揮。臨界長度的大小與具體的塑料品種有很大的關系，有資料標明，就玻纖增強聚丙烯而言，其玻纖臨界長度為3.1mm，但是對于經(jīng)過化學改性PP材料，玻纖臨界長度可以達到0.9mm。但是在普通玻纖增強聚丙烯中玻璃纖維的長度卻遠遠低于臨界長度，造成材料的破壞模式主要是纖維被撥出而無法滿足強度要求。 玻璃纖維增強熱塑性塑料的制造過程中，纖維在擠出機中與樹脂混煉時遭受螺桿和機筒之間的剪切力作用，纖維會受到損傷。為了彌補這一缺陷，逐步發(fā)展了長玻璃纖維增強熱塑性塑料（LFT）。LFT制品中的玻璃纖維長度較長，一般可以達到3～5mm，而且纖維長度分布均勻，可以有效的提高制品的力學性能，特別是沖擊強度和制品的耐熱穩(wěn)定性，因而受到越來越多的關注。 目前LFT存在兩種類型的加工制造方法，一種是先加工成LFT母料，然后在經(jīng)過注塑件成型的加工方法；另一種是一步法在線配混技術，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、粉末浸漬法等來制備。近十余年采用一種新的工藝：使玻璃纖維無捻粗紗通過特殊模頭，同時向模頭供入熱塑性塑料，在模頭中無捻粗紗被強制分散開，受到熔融樹脂的浸漬，使每根纖維都被樹脂覆蓋，經(jīng)過冷卻后切成較長的料粒(10~25mm)。由于纖維完全被樹脂包圍，因而在注塑件成型時纖維受到螺桿的損傷程度降低，在最終制品中保持了較長的長度。國外開發(fā)的長玻纖增強聚丙烯注塑件成型技術中，對于原料的要求較高，需要采用一種超低熔融粘度的聚丙烯樹脂（樹脂的熔融指數(shù)為300g/10min），使包裹在其中的玻璃纖維在加工過程中受到較小的剪切力。同時為了保證制品的強度，需要添加一種高結(jié)晶結(jié)構(gòu)的聚丙烯樹脂。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到75%~80%。 LFT在線配混技術 在線配混成型技術，就是將原材料的配混過程融入制品成型過程（擠出或注塑件）中，使塑料復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。其工作原理是：在生產(chǎn)線上游設置一臺連續(xù)供料的設備，可以是多組分的體積計量進料或者失重計量進料裝置，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中。擠出機完成以下功能：1，熔融基體塑料并將其與添加劑等充分混合；2，強力攪拌和均化熔體，達到無應力程度；3 ，螺桿的旋轉(zhuǎn)自動將玻璃纖維無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。當玻纖分散均勻后，此時的物料可以直接進入下游，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)點主要有兩個：一個是成本低。在線配混技術生產(chǎn)的大結(jié)構(gòu)部件比長玻璃纖維氈片熱塑性塑料(GMT)壓塑部件的成本低20%~50%。國外有報道美國GE塑料公司生產(chǎn)的商標為Aedel的聚丙烯GMT的售價為1.3美元/磅，而在線配混LFT的成本低于1美元/磅。另一個是制品總的性能優(yōu)異。由于提高并保證了制品中纖維的極限長度，使制品的強度，剛度得到提高，另外還有成型周期短，制品沒有邊角廢料，回收方便等優(yōu)點，國外正在逐步推廣應用。德國的Krauss-Maffei公司和加拿大的Husky公司均開發(fā)了在線配混注塑件機并實現(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）汽車儀表盤的通氣道。Krauss-Maffei公司已在全球售出30多臺注塑件配混機，其中約1/3被美國注塑件加工廠購入，主要用于汽車和包裝用途。 圖1 在線配混動態(tài)注塑件成型設備在國內(nèi)，東華機械有限公司與華南理工大學聚合物新型成型裝備國家工程研究中心合作，開發(fā)出國內(nèi)首臺在線配混動態(tài)注塑件成型設備（圖1），該設備鎖模力650噸，注射量3000克。新設備采用熔體儲料缸、多個熔體閥以及柱塞式注射對物料流程進行了有效控制，將連續(xù)的配混過程與周期型的注射過程集成為一體。除此之外，還采用了兩項具有自主知識產(chǎn)權的專利技術： 一個是配混系統(tǒng)采用了華南理工大學發(fā)明的平行三螺桿混煉擠出技術。這種新技術采用的配混設備是一臺有三根螺桿在料筒中呈“一字形”排列的三螺桿擠出機，如圖2所示，三根螺桿同向旋轉(zhuǎn)，有兩個嚙合剪切區(qū)。這一系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，對物料的適應性強，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聚合物材料體系，同時也適合于加工熱敏性材料如天然木纖維聚合物復合材料、無機粉體填充聚合物、淀粉塑料等。在線配混動態(tài)注塑件成型設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，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”排列的等長等徑的雙頭三螺桿俯視圖另一技術是注射系統(tǒng)采用了動態(tài)注塑件成型技術，這項技術是通過在注射螺桿或柱塞上施加軸向振動，將機械振動場引入聚合物注射、保壓和冷卻過程的一種新型注塑件成型技術。在動態(tài)注射加工條件下，復合材料的流動性得以提高，這樣就降低了注射與保壓壓力或者降低注射溫度，從而減小流動對玻璃纖維的剪切，提高了制品中玻璃纖維的平均長度，增加了制品的致密度，最終提高了制品的力學性能。 應用了這兩項專利技術的在線配混注塑件成型設備通過一段時間對PP＋玻纖、PP＋麻纖等多種物料體系的試模運行，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。 在線配混動態(tài)注塑件成型技術裝備的節(jié)能效果主要來源于以下幾個方面：（1）采用三螺桿擠出機，配混過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程，少了一次傳統(tǒng)注塑件機的塑化過程，相比傳統(tǒng)注塑件成型至少節(jié)省了20%能耗；（3）動態(tài)注塑件成型技術的引入,降低了材料的表觀黏度,減低了注射過程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的冷卻時間縮短。三螺桿擠出機的混合混煉效果大大高于傳統(tǒng)注射機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，此臺樣機的螺桿直徑50mm，最高轉(zhuǎn)速300rpm，最大擠出量可以達到250kg。這樣可以大大縮短傳統(tǒng)注塑件機的塑化計量時間。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降低，以減少注射的冷卻時間；再加上動態(tài)注射技術的應用，使物料的表觀黏度下降，充模和保壓時間相應縮短，或者可以進一步降低注射溫度。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)點外，同其它的在線配混注塑件成型設備一樣，新設備同樣具備下述優(yōu)點： 降低原料和生產(chǎn)成本 在線配混注塑件成型設備可以在一臺設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采購，相比較于用戶從材料供應商處購買可以節(jié)約很大一部分成本，特別是對于某些用戶的專用料，則更能體現(xiàn)成本優(yōu)勢。例如在線配混過程制備玻璃纖維增強熱塑性塑料，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）。對于具有材料配方研發(fā)能力的注塑件加工商，可以自己開發(fā)材料配方，制造某些特殊性能制品可以擁有自己獨特的產(chǎn)品個性，使產(chǎn)品線更加豐富。 表1 兩種玻璃纖維增強熱塑性塑料的制造成本比較 在線配混成型設備的加工過程中，材料從加熱到成型僅僅進行了一次加熱歷程，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、塑化和冷卻過程需要的能耗，常規(guī)認為傳統(tǒng)注塑件機中塑化過程的能耗占整個注塑件周期能耗的30％－40％，由此可見新技術帶來的成本降低不容忽視。 傳統(tǒng)的玻璃纖維增強熱塑性材料的注射過程中，由于玻纖的硬度大，對于注射機螺桿和料筒的磨損情況相當嚴重，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。而在在線配混動態(tài)注塑件成型設備中，玻纖對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)后的配混過程，配混完成后的物料對注射機料筒和柱塞的磨損程度相對較小。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)和維護成本。 適用范圍廣 在線配混動態(tài)注塑件成型技術可以適合任何多組分共混物料體系注塑件成型或者對物料塑化混合質(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、無機物填充塑料、纖維增強塑料、難分散的色粉甚至是新舊料摻混等等。而且，對于客戶來講，使用這一技術，配方的升級更換或是選用更經(jīng)濟的材料將變得非常簡單，能夠迅速地滿足市場的需要。 在線配混動態(tài)成型設備所配備的三螺桿擠出機加工參數(shù)與注射機的加工參數(shù)可以單獨調(diào)節(jié)，因而在同一臺設備上就可以通過改變螺桿的轉(zhuǎn)速、進料速度來調(diào)整加工條件，得到不同性能要求的制品。 動態(tài)注塑件成型過程采用了柱塞式注射過程，配混好的熔融物料通過熔料缸進入到注射機料筒中，因而注射量不會像傳統(tǒng)注塑件機那樣受到螺桿有效長度的限制，只要改變注射柱塞長度和直徑就可以滿足大范圍的注射量。 制品性能優(yōu)良 在線配混動態(tài)注塑件成型技術的加工過程中，增強纖維通過螺桿的旋轉(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程，減少了玻纖在固體輸送和熔融過程中的損傷折斷，使配混過程相對比較溫和，保證了制品中的最大玻纖長度。通過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度達到了5mm以上（圖3）。因此成型制品的強度、剛度得到大大提高，長玻纖的增強功能可以得到充分發(fā)揮。這種相對溫和的混合分散過程也尤其適合于熱敏性的天然纖維材料。從塑料的角度來說，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中的塑料只經(jīng)歷了一次加熱過程，不僅可以減少熱敏感材料發(fā)生熱降解的危險，而且對于保持任何塑料的原性能也是有利的。另外，在線配混動態(tài)注塑件成型設備中的配混系統(tǒng)——平行同向三螺桿擠出機在工作中是連續(xù)穩(wěn)定運轉(zhuǎn)的，也就是說物料在設備中的停留時間是基本一致的，這對于塑化、混合和分散質(zhì)量的均一性尤其關鍵。這就完全克服了普通注塑件機中由于螺桿的啟停和有效長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 在線配混動態(tài)注塑件成型制品中玻纖的長度（圖中單位為0.1英寸）應用前景廣闊 在線配混動態(tài)注塑件成型技術裝備是新一代的在線配混技術，除在汽配工業(yè)中應用，還可以在家電、電子、造船、包裝、運輸?shù)刃袠I(yè)中使用，應用前景十分廣闊。一個很有前景的典型應用是塑料＋天然麻纖維這類環(huán)保型材料的成型。利用新技術，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有明顯改善（圖4）。同樣對于日益發(fā)展的木塑等環(huán)保型材料的應用，例如木塑地板、木塑家具、木塑托盤等產(chǎn)品的生產(chǎn)，在線配混動態(tài)注塑件成型技術也將表現(xiàn)出獨特優(yōu)勢。 圖4 在線配混動態(tài)注射設備成型的PP＋25％麻纖維制品
