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在线配混注射成型技术及其在长玻纤增强热塑性材料中的应用 |
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newmaker |
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汽车工业的发展对塑料加工技术提出了越来越高的要求，而汽车塑料的用量是衡量一个国家汽车生产技术水平的标志之一。近30多年以来，汽车塑料的用量在不断增加，平均每辆汽车用量从20世纪70年代初的50～60kg已经发展到目前的150kg，而且还在继续增加中。目前，在欧美等发达国家中，轿车中塑料的用量占汽车总重量的10％以上，车身内饰和外部装饰中，大表面积零件的塑料使用也已经得到了饱和程度，仅仅有部分零件尚未塑料化。车身塑料制品中，1m以上的产品已经非常普遍，部分塑料产品长度已经达到2m以上。由于新材料的成本和加工技术的不断进步，车身内饰外装部件实现全部塑料化已经非常接近。
目前，塑料在汽车中的应用正在向结构件和半结构件方向扩展，从而使得长玻纤增强材料(LFT)在汽车零配件中越来越广泛应用，对于支架产品是非常合适的一类材料。长玻纤增强材料使用在轿车领域，具有轻量、节能、环保美观等优点，例如，马自达6型汽车前端模块和车门模块载体已经采用长玻纤增强的聚丙烯材料。据不完全估计，全球市场每年的长玻纤增强热塑性塑料产量约有12.6万吨。
研究发现，为了使玻璃纤维在塑料中很好地起到提高强度的作用，必须使玻璃纤维长度大于其临界长度。当纤维长度小于此临界长度的纤维增强材料受到一定的载荷时，纤维就有可能被拔出，纤维的强度就不能得到充分的发挥。临界长度的大小与具体的塑料品种有很大的关系，有资料标明，就玻纤增强聚丙烯而言，其玻纤临界长度为3.1mm，但是对于经过化学改性PP材料，玻纤临界长度可以达到0.9mm。但是在普通玻纤增强聚丙烯中玻璃纤维的长度却远远低于临界长度，造成材料的破坏模式主要是纤维被拨出而无法满足强度要求。
玻璃纤维增强热塑性塑料的制造过程中，纤维在挤出机中与树脂混炼时遭受螺杆和机筒之间的剪切力作用，纤维会受到损伤。为了弥补这一缺陷，逐步发展了长玻璃纤维增强热塑性塑料（LFT）。LFT制品中的玻璃纤维长度较长，一般可以达到3～5mm，而且纤维长度分布均匀，可以有效的提高制品的力学性能，特别是冲击强度和制品的耐热稳定性，因而受到越来越多的关注。
目前LFT存在两种类型的加工制造方法，一种是先加工成LFT母料，然后在经过注射成型的加工方法；另一种是一步法在线配混技术，即在生产线上配混玻璃纤维、塑料及添加剂后直接成型为制品，省去了造粒中间环节。
LFT母料法
LFT粒料早期曾用电缆包覆法、粉末浸渍法等来制备。近十余年采用一种新的工艺：使玻璃纤维无捻粗纱通过特殊模头，同时向模头供入热塑性塑料，在模头中无捻粗纱被强制分散开，受到熔融树脂的浸渍，使每根纤维都被树脂覆盖，经过冷却后切成较长的料粒(10~25mm)。由于纤维完全被树脂包围，因而在注射成型时纤维受到螺杆的损伤程度降低，在最终制品中保持了较长的长度。国外开发的长玻纤增强聚丙烯注射成型技术中，对于原料的要求较高，需要采用一种超低熔融粘度的聚丙烯树脂（树脂的熔融指数为300g/10min），使包裹在其中的玻璃纤维在加工过程中受到较小的剪切力。同时为了保证制品的强度，需要添加一种高结晶结构的聚丙烯树脂。LFT料粒中的典型玻璃纤维的含量为40%，一些“超浓度”料粒中的玻璃纤维含量甚至达到75%~80%。
LFT在线配混技术
在线配混成型技术，就是将原材料的配混过程融入制品成型过程（挤出或注塑）中，使塑料复合材料的配混与成型在一条生产线上连续不间断完成的技术。其工作原理是：在生产线上游设置一台连续供料的设备，可以是多组分的体积计量进料或者失重计量进料装置，将塑料和各种添加剂、颜料等按比例加入具有混合功能的挤出机中。挤出机完成以下功能：1，熔融基体塑料并将其与添加剂等充分混合；2，强力搅拌和均化熔体，达到无应力程度；3 ，螺杆的旋转自动将玻璃纤维无捻粗纱从纱筒中拉出，带入料筒中，玻纤一边被剪切折断，一边被塑料熔体浸渍并在剪切作用下分散于熔体中。当玻纤分散均匀后，此时的物料可以直接进入下游，下游可以是挤出成型，也可以是注射成型得到制品。
LFT在线配混成型的优点主要有两个：一个是成本低。在线配混技术生产的大结构部件比长玻璃纤维毡片热塑性塑料(GMT)压塑部件的成本低20%~50%。国外有报道美国GE塑料公司生产的商标为Aedel的聚丙烯GMT的售价为1.3美元/磅，而在线配混LFT的成本低于1美元/磅。另一个是制品总的性能优异。由于提高并保证了制品中纤维的极限长度，使制品的强度，刚度得到提高，另外还有成型周期短，制品没有边角废料，回收方便等优点，国外正在逐步推广应用。德国的Krauss-Maffei公司和加拿大的Husky公司均开发了在线配混注塑机并实现了产品系列化，Krauss-Maffei公司的产品已经用于制造克莱斯勒（DaimlerChrysler）汽车仪表盘的通气道。Krauss-Maffei公司已在全球售出30多台注塑配混机，其中约1/3被美国企业购入，主要用于汽车和包装用途。
图1 在线配混动态注射成型设备
在国内，东华机械有限公司与华南理工大学聚合物新型成型装备国家工程研究中心合作，开发出国内首台在线配混动态注射成型设备（图1），该设备锁模力650吨，注射量3000克。新设备采用熔体储料缸、多个熔体阀以及柱塞式注射对物料流程进行了有效控制，将连续的配混过程与周期型的注射过程集成为一体。除此之外，还采用了两项具有自主知识产权的专利技术：
一个是配混系统采用了华南理工大学发明的平行三螺杆混炼挤出技术。这种新技术采用的配混设备是一台有三根螺杆在料筒中呈“一字形”排列的三螺杆挤出机，如图2所示，三根螺杆同向旋转，有两个啮合剪切区。这一系统结构紧凑，对物料的适应性强，塑化、混合和分散性能高于同向双螺杆，更大大优于传统的注塑机单螺杆，极为有效地提高了塑料加工中主料与添加剂的混炼、分散效果,不但适合加工玻璃纤维增强聚合物材料体系，同时也适合于加工热敏性材料如天然木纤维聚合物复合材料、无机粉体填充聚合物、淀粉塑料等。在线配混动态注射成型设备目前可装配直径为75mm、65mm、50mm、35mm等不同直径的三螺杆挤出机，塑化能力可以根据生产制品重量的大小和生产效率分别调整。
图2 “一字形”排列的等长等径的双头三螺杆俯视图
另一技术是注射系统采用了动态注射成型技术，这项技术是通过在注射螺杆或柱塞上施加轴向振动，将机械振动场引入聚合物注射、保压和冷却过程的一种新型注射成型技术。在动态注射加工条件下，复合材料的流动性得以提高，这样就降低了注射与保压压力或者降低注射温度，从而减小流动对玻璃纤维的剪切，提高了制品中玻璃纤维的平均长度，增加了制品的致密度，最终提高了制品的力学性能。
应用了这两项专利技术的在线配混注射成型设备通过一段时间对PP＋玻纤、PP＋麻纤等多种物料体系的试模运行，与传统的配混造粒＋注射成型的工艺相比，成型同样一个材料为PP加30％玻纤的制品，能耗降低45%、成型周期缩短20%、制品性能得到提高。
在线配混动态注射成型技术装备的节能效果主要来源于以下几个方面：（1）采用三螺杆挤出机，配混过程物料的挤出单耗比采用传统双螺杆低15%；（2）采用在线配混一步法成型，减少了一次冷却和加热过程，少了一次传统注塑机的塑化过程，相比传统注射成型至少节省了20%能耗；（3）动态注射成型技术的引入,降低了材料的表观黏度,减低了注射过程10%的能耗。
成型周期的缩短主要是由于塑化效率的提高以及由于注射温度降低带来的冷却时间缩短。三螺杆挤出机的混合混炼效果大大高于传统注射机中单螺杆的塑化效果，因而能获得更好的熔体质量和更高的塑化效率，此台样机的螺杆直径50mm，最高转速300rpm，最大挤出量可以达到250kg。这样可以大大缩短传统注塑机的塑化计量时间。配混系统中物料的充分塑化和混合使得后面的注射工艺温度可以适当降低，以减少注射的冷却时间；再加上动态注射技术的应用，使物料的表观黏度下降，充模和保压时间相应缩短，或者可以进一步降低注射温度。综合上述因素，注射成型周期缩短了，生产效率提高了。
除上述显著优点外，同其它的在线配混注射成型设备一样，新设备同样具备下述优点：
降低原料和生产成本
在线配混注射成型设备可以在一台设备上一步完成材料的配混与成型，塑料、填料和添加剂可以分开采购，相比较于用户从材料供应商处购买可以节约很大一部分成本，特别是对于某些用户的专用料，则更能体现成本优势。例如在线配混过程制备玻璃纤维增强热塑性塑料，其制造成本明显的低于采用玻纤母料方法制备的材料（表1）。对于具有材料配方研发能力的厂商，可以自己开发材料配方，制造某些特殊性能制品可以拥有自己独特的产品个性，使产品线更加丰富。表1 两种玻璃纤维增强热塑性塑料的制造成本比较
 在线配混成型设备的加工过程中，材料从加热到成型仅仅进行了一次加热历程，相比传统配混造粒＋注射成型的工艺至少节省了一次加热、塑化和冷却过程需要的能耗，常规认为传统注塑机中塑化过程的能耗占整个注塑周期能耗的30％－40％，由此可见新技术带来的成本降低不容忽视。
传统的玻璃纤维增强热塑性材料的注射过程中，由于玻纤的硬度大，对于注射机螺杆和料筒的磨损情况相当严重，除了因螺杆和料筒磨损后造成制品的性能下降以外，更换螺杆和料筒也加大了生产厂家很大的一部分成本。而在在线配混动态注射成型设备中，玻纤对于螺杆和料筒的磨损主要发生玻纤刚刚加入三螺杆配混系统后的配混过程，配混完成后的物料对注射机料筒和柱塞的磨损程度相对较小。而三螺杆配混系统的螺杆和料筒都是积木组合式的，可以分别更换受到磨损的螺纹和料筒，不必更换整条螺杆和料筒，这也降低了生产厂家的生产和维护成本。
适用范围广
在线配混动态注射成型技术可以适合任何多组分共混物料体系注射成型或者对物料塑化混合质量要求高的注射成型，例如塑料与塑料共混的塑料合金、无机物填充塑料、纤维增强塑料、难分散的色粉甚至是新旧料掺混等等。而且，对于客户来讲，使用这一技术，配方的升级更换或是选用更经济的材料将变得非常简单，能够迅速地满足市场的需要。
在线配混动态成型设备所配备的三螺杆挤出机加工参数与注射机的加工参数可以单独调节，因而在同一台设备上就可以通过改变螺杆的转速、进料速度来调整加工条件，得到不同性能要求的制品。
动态注射成型过程采用了柱塞式注射过程，配混好的熔融物料通过熔料缸进入到注射机料筒中，因而注射量不会像传统注塑机那样受到螺杆有效长度的限制，只要改变注射柱塞长度和直径就可以满足大范围的注射量。
制品性能优良
在线配混动态注射成型技术的加工过程中，增强纤维通过螺杆的旋转带入到均匀混合好的聚合物熔体中，不需要经历与固态塑料颗粒的摩擦和挤压过程，减少了玻纤在固体输送和熔融过程中的损伤折断，使配混过程相对比较温和，保证了制品中的最大玻纤长度。通过将成型制品取样后放入马弗炉燃烧，将塑料组分烧掉，可以发现制品中的玻璃纤维平均长度达到了5mm以上（图3）。因此成型制品的强度、刚度得到大大提高，长玻纤的增强功能可以得到充分发挥。这种相对温和的混合分散过程也尤其适合于热敏性的天然纤维材料。从塑料的角度来说，相比传统的先造粒再注塑的工艺，在线配混注射成型技术中的塑料只经历了一次加热过程，不仅可以减少热敏感材料发生热降解的危险，而且对于保持任何塑料的原性能也是有利的。另外，在线配混动态注射成型设备中的配混系统——平行同向三螺杆挤出机在工作中是连续稳定运转的，也就是说物料在设备中的停留时间是基本一致的，这对于塑化、混合和分散质量的均一性尤其关键。这就完全克服了普通注塑机中由于螺杆的启停和有效长度的变化而引起物料塑化和混炼质量差异这一缺陷，使制品的材料均一性提高，发生翘曲变形的几率减小。
图3 在线配混动态注射成型制品中玻纤的长度（图中单位为0.1英寸）
应用前景广阔
在线配混动态注射成型技术装备是新一代的在线配混技术，除在汽配工业中应用，还可以在家电、电子、造船、包装、运输等行业中使用，应用前景十分广阔。一个很有前景的典型应用是塑料＋天然麻纤维这类环保型材料的成型。利用新技术，麻纤维绳不再需要剪切成颗粒状，而可以直接将麻绳加入到配混系统中与塑料混合，并且成型出的制品中麻纤维的混合分散效果较普通注塑机有明显改善（图4）。同样对于日益发展的木塑等环保型材料的应用，例如木塑地板、木塑家具、木塑托盘等产品的生产，在线配混动态注射成型技术也将表现出独特优势。
图4 在线配混动态注射设备成型的PP＋25％麻纤维制品
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(2/18/2008) |
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