聚合物混合：转动财富之轮

作者：Jurgen Stebani    来源：Modern Plastics & Polymers杂志

欢迎访问e展厅 展厅 8 混料机/填料机展厅 混料机, 塑料拌料机, 喂料机, 填料机, 上料机, ... 以多种方式适应完全不同要求的制品的能力使塑料在无数应用中替代木材、玻璃和金属。为了涉足更多应用领域并不断拓宽使用，聚合物生产商和加工商一直在开发利用原料搭配或原料配混的新型原料。但是，时间和成本这两个劲敌也在阻扰新的研发。 特规配方需求增加 自1990年代以来，大型聚合物生产商的R&D部门呈现两种战略化趋势，其一是工艺开发，旨在持续提高生产厂的产能并降低成本。这有助于满足对传统塑料增长性需求，同时具有增加利润的好处，结果是行业开始合并。另一趋势是原料开发，新型塑料不再成为焦点，行业更关注于组合原料、新型混料和新聚合物配混的开发。如果世界级的新厂房能够满负荷运行的话，这种趋势不失为最富逻辑的一步。但是，冲击原料制造商的合并浪潮给工厂开发、测试聚合物配混带来影响。此外，在单个产品水平上的赢利思维导致小批量混合物越来越没有钱赚。加之用于开发试验聚合物新用途和用户特规配方的资源变得紧缺，上世纪末和21世纪初，许多产能要么遭砍要么因集中化把工厂并入量产线。 其结果直至今天各家用户和规模较大的聚合物厂家研发人员都能感受到。对聚合物特规配制的需求量持续增加，但利润无保障的话，不会有开发产品问世。同时，混合物开发和生产产生利润所要求的销量在上涨。量对特规产品不利，研发所需时间和期望达到的利润也在起作用。 新型配方与价格因素 如使用标准聚合物，原料价格问题不会象原料生产商想得那么严重。但是当需要某类聚合混合物或其用量增加时，随之而来的问题不一定属于生产商，而是用户，因为他们不同意涨价来消化生产商的专门开发成本。但是，当计算停留在某类产品的水平时，是不可能按标准价格想象和弥补特规产品的。这一问题与小批量经济性生产没有关系，专业的混合料加工商甚至原料生产商可解决。因此，问题是上涨的成本和开发新配方并按要求改进所需要的时间。 仔细查看开发配方的成本会发现，制定开发时间表的主要依据之一是新混合物开发中需要采用的传统工艺。尽管最近数十年对基本聚合物生产工艺开发一直广泛，但开发混合物配方的程序无人没有改进。一般的工艺链——生产几种颗粒形式的混合物，成型制样，实验室测试，数据反馈给开发人员——这一流程50年没变。采用数学方式如统计测试分析或自动化样品生产及试验确实可加快这一流程，但至今没有人认真地考研。 传统流程中，决定成功和速度的因素取决于经验和开发人员的特定技巧，这种技巧将决定改进一种原料或通过生产测试（如20个配方）开发一种新产品只需几个月，或者由于项目过于复杂及耗时太多而停止。当产品周期短暂时，这种情形即便对那些设备和人力等开发资源充足的厂家也很不利。当然如果这些资源也遭砍掉的话，新配方面临更严酷的瓶颈，只有放弃。 融合不同工艺步骤 当前，一些机构和公司在尝试一系列开发配方的新方法，比如通过重新设计传统工艺对其补充或部分改造。所有这些新工艺融合了不同工艺步骤，要么节省时间或原料，要么极大提高效率和原料性能的信息价值但不增加时间或原料。有些聚合物配方开发手段借用了配混原料生产公司的研发概念，如Symtx、Chemspeed和HTE AG等，通过使用小型化设备，这些公司已经决定性地加快了新型聚合物或配方的生产及分析。再者，由于聚合物开发设计大量部件，处理热塑部件并把测量数据转化为工业实践，组合程序和工艺运用起来比较困难。通过使用微型化混合或模塑机器，小型方法可减少配方开发所需要的原料量，尤其适用于昂贵的添加剂。 小批量生产：一些公司尤其有些原料生产商采用类似DSM的微型混料机或巴登菲尔德的Microsystem微型模塑机。使用小型设备可以获得数据，也可通过极小量的原料获得新型聚合物配方或混合物所需的优质样品。在一批广为人知的原料群中开发或改进，这一方法自然具有少用原料、快出结果的优势，是传统程序的有用补充。但要记住新开发需要大量经验，比如聚合物混合料转用到传统机器中时，原料特性应结合大规模加工条件。 组合设备：德国DKI公司正在使用涉及设备概念的其它方法，参与合作的公司有别的一些行业领先者如Krauss Maffei、polyMaterials、Engel Austria和拜尔技术服务公司等。所有这些方法试图加快配方开发，不仅依靠小型机器，也通过老设备的新应用和融合各种程序来获得速度。 监测在线混料：DKI开发的工艺采用了五个Brabender称重进料机来供应Coperion Werner & Pfleiderer一款老式的ZSK Mc32型双螺杆挤塑机，混合聚合物、添加剂和母料。这一工艺新颖之处在于混合原料的性能可随机检测，或按混合步骤使用超声测量。 大规模筛选（HTS）：polyMaterials AG协同Engel Austria和拜尔技术服务公司完成的大规模筛选（HTS）工艺也以老式标准设备为基础，其特别之处是它把配料机、模塑机和自动检测等硬件与软件系统地融合一起成为一种综合工艺，其环绕概念包括实验设计、数据评估和数据储存。其基础由合作伙伴Engel Austria提供，一台改进的全电气化E-Motion Combi多部件模塑机，其120吨锁模力能确保反复生产性机器参数所需精度。 四台Woywod Plasticolor配料机安装在这一双零件塑机的塑练机上，使换料和迅速而频繁地变化零件的混料比例变得可能。在这一设置中，机器通常能混配8种不同原料，一台塑练机混配4种。熔融物流经过静态混合机均质后汇聚，随后再次静态混合。这种方法能产生主流道和辅助的母料流道，因此能实现极不相同聚合物混料的形成。 可采用Axxicon的标准测试样模，也可采用生产模来开发或使用本来零件调整原料。Zwick公司供应的自动测试仪检测热机械原料数据为将来进一步的HTS概念开发和应用扩展，按造客户要求和特定需要，公司已有打算扩充自动检测方式和现有原料数据形式。同时，几种用于配混原料开发的商业软件包已问世，尽管不大适应于聚合物配方的开发。 采用polyMaterials AG概念的软件包名为“产品设计工作台”，由软件合作方拜尔技术服务公司提供，专为开发配方和生产聚合物设计。这一软件可用来产生统计化的实验设计，储存聚合物配料、生产和测试数据以及随后结合一系列现代数学方式评估数据，最后以图标形式展示结果。 软件工具还能根据现有测算数据结合硬件的快速数据生成功能来预计新原料配方的性能，是生产商全方位监测配方原料性能的理想工具。 polyMaterials AG方法的目标是要把配方开发速度至少提高十倍，这样有可能每周试制和编定约300-500种聚合物配方并储存数据。由于软件预计配方性能的精确度提高了现有数据组的数量，数据库范围的扩大则使HTS变得更精确，效率的巨大改进不期而至。 配方开发新方法 新机器概念会否替代“经典的”标准化、按部就班的聚合物生产、测试法及开发人员常年的个人经验技巧？可能不会，只是一种补充或者拓宽配方及性能的“通道”。此外，我们可以指望开发配方的过程通过新机器得以大幅缩短，我们无须在毫无关联的配方上搞开发。有了这些新方法，生产商可以把全部试验品统一储存在一个数据库中，扩充成品时可作为备份、补充和潜在应用。而添加剂结果可加以标准化、扩大并测试供零件互用或扩大产量。 对于新型添加剂，可作为潜在用料，与其它添加剂或新应用互用或起约束效果。通过使用纳米填充剂和“效果”原料，配方的开发将可能被简化并加速。根据HTS工艺的结果，采用标准下的程序，一种新的聚合物配方可被准确地建立、测试和生产。 前景可观 一些开发聚合物配方的新方法展示出可观前景，有助于从产品周期短和配方修正时间长所带来的产品类别和原料标准化的乱象中归纳出明确方法，尽管会有重叠之嫌，对开发型工艺进行再设计的具体方法仍可变得层次分明，按造具体使用目的和应用目标获得细分。 小型化工艺很可能被大型原料厂商或机构采用。比如，应用了现行DKI、Krauss Maffei和polyMaterials机器概念的方法将让原料商和用户产生兴趣。他们自己不必购买设备，而是外购配方开发，然后利用结果性数据。客户能产生应用技术信息，最终按标准在自己的传统生产线上形成新的产品配方。 因此，配方开发和市场得以分工，能极大地提速聚合物配方创新过程。最终，用户能高兴地获得复合要求的特规原料，用户自己现在也能随行所欲地拥有（外部）研发资源。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (8/22/2010)