绥化蟹贤科技有限公司

汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展對塑料加工技術(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)國家汽車(chē)生產(chǎn)技術(shù)水平的標志之一。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70年代初的50～60kg已經(jīng)發(fā)展到目前的150kg，而且還在繼續增加中。目前，在歐美等發(fā)達國家中，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(cháng)度已經(jīng)達到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)身內飾外裝部件實(shí)現全部塑料化已經(jīng)非常接近。 目前，塑料在汽車(chē)中的應用正在向結構件和半結構件方向擴展，從而使得長(cháng)玻纖增強材料(LFT)在汽車(chē)零配件中越來(lái)越廣泛應用，對于支架產(chǎn)品是非常合適的一類(lèi)材料。長(cháng)玻纖增強材料使用在轎車(chē)領(lǐng)域，具有輕量、節能、環(huán)保美觀(guān)等優(yōu)點(diǎn)，例如，馬自達6型汽車(chē)前端模塊和車(chē)門(mén)模塊載體已經(jīng)采用長(cháng)玻纖增強的聚丙烯材料。據不完全估計，全球市場(chǎng)每年的長(cháng)玻纖增強熱塑性塑料產(chǎn)量約有12.6萬(wàn)噸。 研究發(fā)現，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(cháng)度大于其臨界長(cháng)度。當纖維長(cháng)度小于此臨界長(cháng)度的纖維增強材料受到一定的載荷時(shí)，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(cháng)度的大小與具體的塑料品種有很大的關(guān)系，有資料標明，就玻纖增強聚丙烯而言，其玻纖臨界長(cháng)度為3.1mm，但是對于經(jīng)過(guò)化學(xué)改性PP材料，玻纖臨界長(cháng)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(cháng)度卻遠遠低于臨界長(cháng)度，造成材料的破壞模式主要是纖維被撥出而無(wú)法滿(mǎn)足強度要求。 玻璃纖維增強熱塑性塑料的制造過(guò)程中，纖維在擠出機中與樹(shù)脂混煉時(shí)遭受螺桿和機筒之間的剪切力作用，纖維會(huì )受到損傷。為了彌補這一缺陷，逐步發(fā)展了長(cháng)玻璃纖維增強熱塑性塑料（LFT）。LFT制品中的玻璃纖維長(cháng)度較長(cháng)，一般可以達到3～5mm，而且纖維長(cháng)度分布均勻，可以有效的提高制品的力學(xué)性能，特別是沖擊強度和制品的耐熱穩定性，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(xiàn)配混技術(shù)，即在生產(chǎn)線(xiàn)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。 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(cháng)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(cháng)的長(cháng)度。國外開(kāi)發(fā)的長(cháng)玻纖增強聚丙烯注塑件成型技術(shù)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(shù)脂（樹(shù)脂的熔融指數為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)為了保證制品的強度，需要添加一種高結晶結構的聚丙烯樹(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到75%~80%。 LFT在線(xiàn)配混技術(shù) 在線(xiàn)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，使塑料復合材料的配混與成型在一條生產(chǎn)線(xiàn)上連續不間斷完成的技術(shù)。其工作原理是：在生產(chǎn)線(xiàn)上游設置一臺連續供料的設備，可以是多組分的體積計量進(jìn)料或者失重計量進(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(wú)應力程度；3 ，螺桿的旋轉自動(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(xiàn)配混成型的優(yōu)點(diǎn)主要有兩個(gè)：一個(gè)是成本低。在線(xiàn)配混技術(shù)生產(chǎn)的大結構部件比長(cháng)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(jià)為1.3美元/磅，而在線(xiàn)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(cháng)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(méi)有邊角廢料，回收方便等優(yōu)點(diǎn)，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(kāi)發(fā)了在線(xiàn)配混注塑件機并實(shí)現了產(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多臺注塑件配混機，其中約1/3被美國注塑件加工廠(chǎng)購入，主要用于汽車(chē)和包裝用途。 圖1 在線(xiàn)配混動(dòng)態(tài)注塑件成型設備在國內，東華機械有限公司與華南理工大學(xué)聚合物新型成型裝備國家工程研究中心合作，開(kāi)發(fā)出國內首臺在線(xiàn)配混動(dòng)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(gè)熔體閥以及柱塞式注射對物料流程進(jìn)行了有效控制，將連續的配混過(guò)程與周期型的注射過(guò)程集成為一體。除此之外，還采用了兩項具有自主知識產(chǎn)權的專(zhuān)利技術(shù)： 一個(gè)是配混系統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，有兩個(gè)嚙合剪切區。這一系統結構緊湊，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(shí)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(wú)機粉體填充聚合物、淀粉塑料等。在線(xiàn)配混動(dòng)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，塑化能力可以根據生產(chǎn)制品重量的大小和生產(chǎn)效率分別調整。 圖2 “一字形”排列的等長(cháng)等徑的雙頭三螺桿俯視圖另一技術(shù)是注射系統采用了動(dòng)態(tài)注塑件成型技術(shù)，這項技術(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)對玻璃纖維的剪切，提高了制品中玻璃纖維的平均長(cháng)度，增加了制品的致密度，最終提高了制品的力學(xué)性能。 應用了這兩項專(zhuān)利技術(shù)的在線(xiàn)配混注塑件成型設備通過(guò)一段時(shí)間對PP＋玻纖、PP＋麻纖等多種物料體系的試模運行，與傳統的配混造粒＋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(xiàn)配混動(dòng)態(tài)注塑件成型技術(shù)裝備的節能效果主要來(lái)源于以下幾個(gè)方面：（1）采用三螺桿擠出機，配混過(guò)程物料的擠出單耗比采用傳統雙螺桿低15%；（2）采用在線(xiàn)配混一步法成型，減少了一次冷卻和加熱過(guò)程，少了一次傳統注塑件機的塑化過(guò)程，相比傳統注塑件成型至少節省了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(guān)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。三螺桿擠出機的混合混煉效果大大高于傳統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，最高轉速300rpm，最大擠出量可以達到250kg。這樣可以大大縮短傳統注塑件機的塑化計量時(shí)間。配混系統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(shí)間；再加上動(dòng)態(tài)注射技術(shù)的應用，使物料的表觀(guān)黏度下降，充模和保壓時(shí)間相應縮短，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(zhù)優(yōu)點(diǎn)外，同其它的在線(xiàn)配混注塑件成型設備一樣，新設備同樣具備下述優(yōu)點(diǎn)： 降低原料和生產(chǎn)成本 在線(xiàn)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(kāi)采購，相比較于用戶(hù)從材料供應商處購買(mǎi)可以節約很大一部分成本，特別是對于某些用戶(hù)的專(zhuān)用料，則更能體現成本優(yōu)勢。例如在線(xiàn)配混過(guò)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(kāi)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(gè)性，使產(chǎn)品線(xiàn)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(xiàn)配混成型設備的加工過(guò)程中，材料從加熱到成型僅僅進(jìn)行了一次加熱歷程，相比傳統配混造粒＋注塑件成型的工藝至少節省了一次加熱、塑化和冷卻過(guò)程需要的能耗，常規認為傳統注塑件機中塑化過(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。 傳統的玻璃纖維增強熱塑性材料的注射過(guò)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(xiàn)配混動(dòng)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后的配混過(guò)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(xiàn)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(hù)來(lái)講，使用這一技術(shù)，配方的升級更換或是選用更經(jīng)濟的材料將變得非常簡(jiǎn)單，能夠迅速地滿(mǎn)足市場(chǎng)的需要。 在線(xiàn)配混動(dòng)態(tài)成型設備所配備的三螺桿擠出機加工參數與注射機的加工參數可以單獨調節，因而在同一臺設備上就可以通過(guò)改變螺桿的轉速、進(jìn)料速度來(lái)調整加工條件，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)入到注射機料筒中，因而注射量不會(huì )像傳統注塑件機那樣受到螺桿有效長(cháng)度的限制，只要改變注射柱塞長(cháng)度和直徑就可以滿(mǎn)足大范圍的注射量。 制品性能優(yōu)良 在線(xiàn)配混動(dòng)態(tài)注塑件成型技術(shù)的加工過(guò)程中，增強纖維通過(guò)螺桿的旋轉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)程相對比較溫和，保證了制品中的最大玻纖長(cháng)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)現制品中的玻璃纖維平均長(cháng)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(cháng)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(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)，相比傳統的先造粒再注塑件的工藝，在線(xiàn)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，而且對于保持任何塑料的原性能也是有利的。另外，在線(xiàn)配混動(dòng)態(tài)注塑件成型設備中的配混系統——平行同向三螺桿擠出機在工作中是連續穩定運轉的，也就是說(shuō)物料在設備中的停留時(shí)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(guān)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(cháng)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(xiàn)配混動(dòng)態(tài)注塑件成型制品中玻纖的長(cháng)度（圖中單位為0.1英寸）應用前景廣闊 在線(xiàn)配混動(dòng)態(tài)注塑件成型技術(shù)裝備是新一代的在線(xiàn)配混技術(shù)，除在汽配工業(yè)中應用，還可以在家電、電子、造船、包裝、運輸等行業(yè)中使用，應用前景十分廣闊。一個(gè)很有前景的典型應用是塑料＋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(pán)等產(chǎn)品的生產(chǎn)，在線(xiàn)配混動(dòng)態(tài)注塑件成型技術(shù)也將表現出獨特優(yōu)勢。 圖4 在線(xiàn)配混動(dòng)態(tài)注射設備成型的PP＋25％麻纖維制品