塑料工業(yè)節(jié)能技術(shù)與可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略

    貫徹“節(jié)省能源，節(jié)約資源，環(huán)境保護，以人為本”的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，是整個塑料工業(yè)發(fā)展的方向，是產(chǎn)品研發(fā)、技術(shù)創(chuàng)新的新理念，是科學(xué)的發(fā)展觀。我們必須盡早、盡快地完成從傳統(tǒng)觀念向科學(xué)發(fā)展觀的這一轉(zhuǎn)變，在塑料工業(yè)早日建立起以此為基礎(chǔ)的新的發(fā)展平臺，這將有助于縮小我國與世界塑料工業(yè)發(fā)達國家的差距。節(jié)能技術(shù)必將在塑料工業(yè)從原料、加工到設(shè)備的各領(lǐng)域得到不斷的發(fā)展。

   本文從節(jié)省能源、節(jié)省資源和環(huán)保角度論述了塑料工業(yè)所發(fā)展的重點領(lǐng)域和主流技術(shù)。

    1塑料原料產(chǎn)業(yè)中的節(jié)能技術(shù)

    1.1 高熔融指數(shù)樹脂

    其節(jié)能實質(zhì)是提高熔融指數(shù)，改善材料的流動性，減少加工中的能耗。

    嵌段PP：Atofina公司通過轉(zhuǎn)換催化劑獲得具有熔體高流動指數(shù)、而又保持高沖擊強度的嵌段聚丙烯共聚物，熔融指數(shù)為20，牌號為PRW265；Eltex公司用成核劑來控制嵌段共聚物的硬度。合成此種節(jié)能樹脂的難度在于，一種沖擊強度高、剛性好的材料，往往與熔體的流動速率之間相互沖突。2001年，荷蘭格林DSM化學(xué)公司生產(chǎn)出第四代產(chǎn)品，嵌段共聚丙烯，熔體流動指數(shù)35，能保持在較低的模腔壓力（６0~８0巴）獲得薄壁制品，熔融溫度從245℃降到225℃，比傳統(tǒng)成型循環(huán)周期縮短15%，從而有效地降低了加工中的能耗；2000年，丹麥Konggens Lyngby Boreal公司推出嵌段共聚PP，熔融指數(shù)為30，吹塑成型可疊放的耐壓制品，滿足用戶期待的這種高流動指數(shù)、能縮短成型周期、降低能耗的原料，據(jù)稱“所減少的壁厚和重量已達到設(shè)計的臨界參數(shù)，流動性和機械性能都得到提高”，生產(chǎn)一個 295g桶的保壓壓力從原來的630巴降到540巴，生產(chǎn)周期縮短15%，使螺桿長徑比縮小到22；2004年，Atofina公司推出PPC10642牌號的共聚PP，熔融指數(shù)45，比原熔融指數(shù)30、35品牌的成型循環(huán)周期縮短10%，更省電能；窒素公司開發(fā)的非交聯(lián)高剛性、高熔體拉伸強度的新型PP，比現(xiàn)有熔體拉伸強度高達10倍，而其機械性能與現(xiàn)有的相當(dāng)，且可以回收利用。一位巴塞爾公司聚烯烴類開發(fā)工程師說，“德國的加工用戶期望使用高流動性樹脂，是為了縮短循環(huán)周期，降低能耗”，又說“我們感興趣的是設(shè)備循環(huán)周期，這是我們將流動指數(shù)從13、14調(diào)換為30的真正誘因。我們期望得到降低容器壁厚而保持沖擊強度的材料，大家都在尋找這種高沖擊強度與高流動性之間相平衡的材料”。

    選擇樹脂必須考慮加工中的節(jié)能，因為現(xiàn)在擠出機、注塑機、吹塑機等的塑化裝置大都是螺桿式，其剪切作用是加工的主導(dǎo)機理，大部分的電能、機械能都消耗在高分子塑化與流動時的粘性耗散上，因此提高熔融指數(shù)是節(jié)能有效措施。否則，再好的材料也難以推廣應(yīng)用。例如，茂金屬聚烯烴塑料（MPE、MPP、MPS等），采用茂金屬催化劑，使大分子主鏈上的支鏈減少，能精確地控制分子量，使分子量分布得很窄，雜質(zhì)極少，因此，性能優(yōu)越。但是，由于分子量高，加工難度大，擠出純的MLLDPE時，背壓太大，現(xiàn)有擠出設(shè)備難以承受，為適應(yīng)加工，目前，只能加入40%的LDPE或HDPE進行共擠，因此可以預(yù)測茂金屬聚烯烴推廣應(yīng)用的關(guān)鍵，仍是加工中的節(jié)能問題，是如何提高熔融指數(shù)，但又不以降低性能為代價。同樣的例子還有，超高分子量聚乙烯（HUMDPE），分子量從200~500萬，具有強度高，沖擊韌性好，摩擦系數(shù)小，防靜電性強等十分優(yōu)越的性能。但同樣面臨加工上的困難，有的為改善其加工性能加入低分子量聚合物，但對超高性能帶來了影響，變成準超高分子量聚乙烯的加工；采用液晶通過原位復(fù)合的機理提高強度，用自身的低粘度和熱遷移特性改善其加工中的流動性，但用此項技術(shù)穩(wěn)定地生產(chǎn)還尚須時日。

    由此不難看出，從加工節(jié)能角度研發(fā)新材料顯得十分重要。

    1.2 增強復(fù)合塑料

    1.2.1納米增強復(fù)合塑料（n-MHT）

　　其節(jié)能實質(zhì)是充分利用高分子的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)的特點，填充納米級粒子使其共混、改性，提高比強度、比剛度，節(jié)約純樹脂的消耗量，是極有節(jié)省能源和資源潛力的有效途徑。１９90s年代北美推出TPO基納米復(fù)合料，用5% n-MHT增強TPO，使其剛度提高到相當(dāng)于加入25%~35%滑石粉填充PP的效果；豐田汽車用納米滑石粉填充PP（60）/ EPP（30）復(fù)合塑料，使汽車保險杠的厚度從4mm減至3mm，重量減輕1/3；荷蘭TNO公司，用納米粘土與嵌段共聚物共混改性，使之完全混合，已成功地生產(chǎn)出PA、PE、PP、PS、PMMA、PU等粘土納米復(fù)合料；美國Fordco利用超臨界流體技術(shù)預(yù)熱粘土，改善納米粘土晶片的分散與擴散，在加工中利用超聲波能量提高納米粘土的分散，大大減少了溶劑用量；美國NanomatCO公司將納米碳酸鈣（n-CaCO3，最大平均粒徑100nm）用于PC、ABS、PVC、TPE和熱固性塑料SMC的改性，效果很好；新加坡Nano Mater公司，開發(fā)n-CaCO3（粒徑15~40nm，商品名NPCC）加入2%~4%，可使UPVC管材的沖擊強度提高6倍，減少增塑劑（CPE）用量50%，據(jù)悉，此項目已在我國山西投產(chǎn)，目前產(chǎn)量10t/a；美國俄亥俄州大學(xué)用壓力使熔融樹脂進入納米微孔SiO2的微粒中，使分子間形成牢固的化學(xué)鍵，將基體材料的強度提高3~4倍，沖擊韌性提高4~5倍，這種現(xiàn)象稱為“協(xié)同增韌”或“跨粒子增韌”，當(dāng)材料受外界沖擊力時，可將其化為幾百萬次的小沖擊，使穿過復(fù)合材料延伸的裂紋變得越來越細，一直到?jīng)_擊能量消失為止；新型納米增塑劑，是一種采用多面體低聚倍半氧硅烷（簡稱POSS）合成具有納米結(jié)構(gòu)化學(xué)改性的SiO2微粒，能溶于樹脂中，使分子分散，保持低粘度，加大充填量，能與樹脂融合為一體，而又不降低加工流動性能。當(dāng)溫度降低到POSS熔點以下時，能立即固化，形成納米結(jié)構(gòu)，起到增強作用。POSS的另一特點，是它的單體或齊聚物都與樹脂發(fā)生接枝共聚，使玻璃化溫度高于樹脂本身的分解溫度，而接枝的分解溫度又比樹脂提高40~400℃，從而在高溫下能保持良好的加工流動性和節(jié)能效果，被稱作是50年來研發(fā)產(chǎn)品的全新思路；碳納米管是1991年問世的，是比強度、比剛度極強的復(fù)合材料，其技術(shù)本質(zhì)是由石墨中的若干層碳原子卷曲而成的籠狀纖維網(wǎng)，內(nèi)部是空的，直徑只有幾十納米，是人發(fā)的十萬分之一；密度僅為鋼的1/6，但機械強度卻是它的100倍，導(dǎo)電率為銅的1萬倍，有極高的表面活性，表面原子數(shù)約占50%，有很高的儲氫能力和吸附能力，特別對微波的吸附；并且是迄今為止，唯一一種能從太陽至地球進行懸掛而不被自重所拉斷的繩索材料，是理想的遠距離輸電材料。據(jù)悉，我國碳納米管已居世界前列，日本三井物產(chǎn)公司宣布2002年9月投產(chǎn)運行量120t/a，而清華南風(fēng)納米粉體技術(shù)產(chǎn)業(yè)化工程中心，已批量投產(chǎn)15kg/h，達120t/a；國內(nèi)安徽國通高新管業(yè)有限公司，利用納米滑石粉，及納米硅酸鹽（脫土）復(fù)合母料，應(yīng)用在生產(chǎn)大口徑φ500mm以上HDPE雙壁波紋管，既保持了高流動性，解決了加工中的能耗問題，使原加工設(shè)備的驅(qū)動功率能滿足要求，又解決了因管子口徑過大使剛度值降低的問題。

    納米設(shè)備的關(guān)鍵是填充母料的造粒問題，因為納米粒子表面上的原子是處于高活化狀態(tài)，易于團聚，如直接填加到樹脂中難以分散均勻，需要研發(fā)新型雙螺桿擠出機和高速、高效節(jié)能配混設(shè)備。

    1.2.2纖維增強復(fù)合塑料

    纖維增強復(fù)合塑料的節(jié)能實質(zhì)，是將纖維材料如碳纖維、玻璃纖維復(fù)合纖維與聚合物共混，提高比強度、比剛度、力學(xué)性能，達到節(jié)能、節(jié)材的效果。在纖維增強復(fù)合塑料中，有長纖維和短纖維之分。目前，以長纖維熱塑性塑料（LFRT）增長最快，因其質(zhì)輕、價廉、易回收再利用，節(jié)省能源、資源，在汽車、機械、電器、船舶、建筑、航空、航天等工業(yè)部門廣泛應(yīng)用，約50%的玻纖增強復(fù)合料用于汽車的零部件。

    長纖維增強工藝一般是將玻纖與PP摻合生成連續(xù)的粗紗，再擠出切成13~25mm長粒。長纖維比一般纖維增強復(fù)合料優(yōu)異：沖擊強度高4倍，比強度高17.2%，尺寸精度高，收縮率為0.2%，流動性能好，節(jié)能。美國Vetrotex推出一種長纖維，含量高達75%的PP粒料，價格降低20%~30%；LNP工程塑料公司推出長纖維PA66，代替鑄鋁材料，機械強度能在-40~140℃承受高載荷，該公司還推出長纖維PBT系列。纖維復(fù)合材料的密度1.4~2.1g/cm3，為鋼材的1/５~1/４，鋁合金的1/2~1/3，其拉伸、壓縮、彎曲強度400~600MPa，已超過碳素結(jié)構(gòu)鋼。

    但是，當(dāng)前加工長纖維增強復(fù)合塑料的關(guān)鍵問題，還是成型設(shè)備，因為注塑機、擠出機是螺桿式塑化裝置，當(dāng)長纖維通過輸送段、塑化段、均化段之后，已被剪成3~5mm，大大地降低了原有的復(fù)合性能；另一個問題是纖維在高分子熔體流動方向的取向，使制品產(chǎn)生各向異性，影響使用性能，這是成型工藝與設(shè)備有待解決的課題。

    1.2.3木塑復(fù)合塑料

   木塑復(fù)合塑料的節(jié)能實質(zhì)是利用天然木材加工的廢料（如木屑、木粉、麻纖維、果殼、稻糠、紙漿、桔桿、竹粉等 ）進行超細化表面處理，與合成樹脂共混，充填量可高達50%，成型的制品可鋸、刨、鉆，且吸水率低，受潮不變形，不含甲醛，符合環(huán)保、阻燃等安全要求。過去，木屑、木粉、廢料等大都燒掉，既浪費大量資源，又造成環(huán)境污染。木塑復(fù)合料做為一種節(jié)能、節(jié)材、環(huán)境友好材料引起國際上普遍關(guān)注，研究成果也很多。10年來，北美木塑復(fù)合料每年以50%的速度遞增。發(fā)展木塑復(fù)合塑料在我國更具意義，因為2000年我國木材需求量高達10190萬m3，供應(yīng)量6390萬m3，缺口高達3800萬m3。

    木塑復(fù)合材料主要用在建筑業(yè)（建筑鋪板）、汽車業(yè)（門板、后擱物板、頂蓬、高架箱、防護板等），倉儲業(yè)（托盤、墊板、包裝箱），交通運輸業(yè)（公路噪音隔板、防護欄、座倉隔板、鐵軌枕木），農(nóng)業(yè)（棚架、槽、水桶），設(shè)施（地板、露天桌椅、棚欄、梯子等）。以托盤為例，國內(nèi)市場需求量約1億，90%以上要改為木塑，需發(fā)展產(chǎn)量1000萬噸，價值600億人民幣的新興產(chǎn)業(yè)。

   但是，生產(chǎn)木塑復(fù)合制品有許多關(guān)鍵技術(shù)：樹脂、木粉的制造技術(shù)、木粉的干燥技術(shù)，木粉界面的處理技術(shù)；在注塑、擠出、吹塑設(shè)備中要求單螺桿或雙螺桿對木粉有良好的分散性、浸潤性、混煉、剪切、排氣、脫水、脫揮、排除氣泡功能；塑化部件要耐腐蝕、耐磨損；設(shè)備應(yīng)具有對上述工藝條件及物料在各部位停留時間的精確控制的功能。

    2 管道化、連續(xù)化、節(jié)能合成設(shè)備

   近年，在塑料合成業(yè)中，把雙螺桿擠出機作為一種反應(yīng)器，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的間歇性操作的釜式反應(yīng)器，進行本體聚合、接枝、共聚、交聯(lián)、偶聯(lián)，實現(xiàn)管道化、連續(xù)化、規(guī)�；�、高效率地合成，極大地節(jié)省能源和資源。雙螺桿擠出機作為反應(yīng)器以其獨特的結(jié)構(gòu)型式，在雙螺桿的不同部位，通過正反螺紋塊的大小螺距的組合、正反向捏合塊的不同組合，通過嚙合區(qū)的縱向和橫向開放程度、螺棱所圍成的容積和通道來控制物料的交換、混合、輸送，聚合引發(fā)、增長、終止和脫除殘留單體；用螺紋塊和捏合的組合長度控制物料在各部位的停留時間和壓力分布；通過排氣段的組合結(jié)構(gòu)控制脫揮和防止冒料，最后，將合成好的聚合物，通過擠出機的機頭、口模直接擠出造粒。

   把雙螺桿作為反應(yīng)器應(yīng)用在樹脂合成業(yè)上，這是對合成設(shè)備的一場革命！受到各國的普遍重視。目前，較多的是做TPU的反應(yīng)擠出機，用在熱塑性聚氨酯的合成上，還有的用己內(nèi)酰胺和納米蒙脫土（nMT）、十六烷基三甲基氣化銨（C-16）、2,4—二甲苯二異氰酸酯（TD1活化劑）、己內(nèi)酰胺鈉（催化劑）在雙螺桿不同部位完成輸送、聚合引發(fā)、增長、脫揮，擠出聚酰胺6 / 蒙脫土納米復(fù)合塑料。這種設(shè)備的技術(shù)關(guān)鍵是根據(jù)不同組分和單體的聚合反應(yīng)要求，對雙螺桿輸送段、反應(yīng)段、排氣段、擠出段等，以及各段螺紋組合塊和捏合組合塊的結(jié)構(gòu)、組合形式進行實驗與設(shè)計。在反應(yīng)擠出機的大型化方面，在工藝制造和動力配置上都具有難度。

    3制品成型的節(jié)能技術(shù)

    3.1多層化技術(shù)

　　其技術(shù)實質(zhì)是通過復(fù)合技術(shù)成型出多層制品，以節(jié)能、節(jié)材、環(huán)保和多功能為目的。通過多層吹塑、多層擠出、多層注射，成型出各類滿足節(jié)能、節(jié)材、環(huán)保和多功能要求的多層制品。

    3.1.1 多層中空技術(shù)

　　其技術(shù)實質(zhì)是使多組分共擠出的型胚，在模具中用壓縮氣體吹脹復(fù)合成多層中空制品。最典型的例子是多層塑料油箱，由于燃料中的烴分子可以較容易的穿透過聚合物大分子間的間隙而滲漏，并超過大氣污染所規(guī)定的單位時間滲透量。油箱有6層：主材外層（UHMWPE）占13%——回收層（回收料）占40%——粘結(jié)外層（改性PE）占2%——阻隔層（EVOH對CH防透材料）——粘結(jié)內(nèi)層（改性PE）占2%——主材內(nèi)層（UHMWPE）占40%。EVOH具有吸濕性，但自身缺乏強度呈塊狀存在，應(yīng)細化到10?滋m，并使其均勻的分散，因此應(yīng)設(shè)計特殊的螺桿。

    3.1.2 多層擠出技術(shù)

　　其技術(shù)實質(zhì)根據(jù)不同物料設(shè)置多元化擠出機，在一個多流道機頭及其口模中實現(xiàn)共擠成型。

    （1）多層復(fù)合薄膜。目前，熱收縮薄膜不僅從單一的PVC擴大到PE、PP、PVDC、PET、PA等多品種，而且從單層向多層方向發(fā)展，廣泛應(yīng)用在保鮮、脂肪的包裝上，以及在醫(yī)藥、衛(wèi)生、保健、化妝品、音像等產(chǎn)品的包裝上。

    多層化的關(guān)鍵技術(shù)是機頭和口模的設(shè)計和制造問題。Cloeren公司設(shè)計制造的供料機頭，可擠出納米級別厚的薄膜，可復(fù)合成幾十到幾千層的制品，用來做極微細的層合面的阻隔性薄膜，還可生產(chǎn)50層增壓氣泡薄膜的緩沖鞋墊。據(jù)悉，我國廣東金明塑膠設(shè)備有限公司生產(chǎn)的M58—1200五層共擠薄膜機組，使用的是波狀螺桿。

    （2）多層復(fù)合型材。包括發(fā)泡復(fù)合型材、鋁塑復(fù)合型材、鋼塑復(fù)合型材，以及雙壁中空澆管等。

    3.1.3多層注塑技術(shù)

　　其技術(shù)實質(zhì)是采取兩個或兩個以上的注塑單元將不同品種、不同顏色、不同組分的塑料，先后注入模具成型出多材質(zhì)、多色、多組分的多層復(fù)合制品，此又稱共注射、夾芯注射或ICI注射。例如，利用多層注射技術(shù)可生產(chǎn)2~2.5mm厚的家電、辦公用品、芯層用占30%~50%的再生料，以節(jié)能、節(jié)材、環(huán)保為目的。

    3.1.4多層壓延技術(shù)

　　其技術(shù)是用粘結(jié)劑壓延復(fù)合技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的濕法或干法用溶劑的復(fù)合，具有原料省、能耗低、維修費用低、生產(chǎn)效率高、無污染、環(huán)保等優(yōu)勢，可生產(chǎn)多層阻隔型壓延包裝薄膜，如五層保鮮薄膜：LDPE/粘結(jié)劑/阻隔層（EVOH）/粘結(jié)劑/LDPE/或用PP代替多層薄膜中的主料LDPE。其關(guān)鍵技術(shù)是排除膜層間的氣泡工藝與設(shè)備。

    3.2雙向拉伸技術(shù)

    其技術(shù)實質(zhì)是充分利用高分子的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)，通過大分子在加工中的流動取向效應(yīng)，產(chǎn)生各向異性，在取向方向上機械性能明顯增加，為此，用取向機理可大大提高材料的比強度、比剛性，達到節(jié)省能源、節(jié)省資源消耗的目的。
    3.2.1薄膜雙向拉伸

    新開發(fā)的雙向拉伸聚丙烯，可使拉伸強度提高2~10倍，PA薄膜雙向拉伸后，具有出色的拉伸強度、沖擊強度、刺穿強度并阻隔氣體（氧氣、氮氣、二氧化碳），耐油脂、耐碳水化合物及化學(xué)物品。

    3.2.2管材雙向拉伸

    近年，雙向拉伸技術(shù)在管材上得到廣泛應(yīng)用，在管材的徑向和軸向均有拉伸，使管材的機械強度和耐壓強度等綜合性能均得到提高，極大地節(jié)約了原材料消耗，提高了生產(chǎn)率。

   管材雙向拉伸方法有壓縮空氣拉伸、芯棒牽引拉伸、口模吹脹風(fēng)冷拉伸、徑向擴脹軸向差速拉伸、熱水高壓擴脹拉伸、熱真空擴脹拉伸、熱管空壓擴脹拉伸。德國Hoeehst公司用壓縮空氣雙向拉伸HDPE管材，上限熔點為127~131℃，在熔點以下10℃進行拉伸，使管子疲勞強度提高2倍以上。

    3.2.3纖維增強雙向拉伸

    纖維對聚合物雖然有增強功能，但是在加工時纖維也沿聚合物熔體的流動方向取向，對管的徑向強度產(chǎn)生影響，此外，由于結(jié)晶型聚合物純?nèi)垠w在剪切方向發(fā)生線性成核的特性，使大分子伸直而生成原纖，形成沿剪切方向的球晶，并且在一定條件下可在垂直于剪切方向生長成扁平狀晶體，可使在兩個方向上的機械性能均得到改善，例如，根據(jù)這個原理，可在剪切與拉伸雙向應(yīng)力場的作用下擠出短纖維含量小于3%增強的HDPE / PP的雙向拉伸制品；根據(jù)此原理，可在管子拉伸時，設(shè)計帶有連續(xù)旋轉(zhuǎn)能同時產(chǎn)生橫向剪切力的、轉(zhuǎn)速可調(diào)的芯棒式拉伸裝置。

    3.2.4中空制品雙向拉伸

    其技術(shù)實質(zhì)是用擠出機、注塑機的擠壓系統(tǒng)及塑化裝置，使模具在型坯工位上，成型出一次型坯，再轉(zhuǎn)至拉伸工位上，在低于熔點的物態(tài)下，用芯棒插入型坯將其雙向拉伸出二次型坯，最后轉(zhuǎn)至吹脹工位上，吹入壓縮空氣，實現(xiàn)最終的雙向拉伸，經(jīng)冷卻定型，便得到壁厚雙向拉伸的中空制品。

    3.2.5固態(tài)擠出雙向拉伸

    其技術(shù)實質(zhì)是對具有結(jié)晶轉(zhuǎn)變溫度的材料，如HDPE、PP、POM、PA等，使之在低于熔點、高于結(jié)晶轉(zhuǎn)變溫度的區(qū)域內(nèi)，實施強迫擠出，并利用牽引方向上所設(shè)計的錐形收縮口模裝置，實現(xiàn)雙向壓縮拉伸成型出制品。此種技術(shù)大多采用柱塞式擠出機。

    3.3制品多孔技術(shù)

    制品多孔技術(shù)，其技術(shù)實質(zhì)是通過工藝及設(shè)備條件，利用化學(xué)發(fā)泡劑或物理發(fā)泡劑產(chǎn)生的氣泡均勻地分布到聚合物中，得到密度低、質(zhì)輕、滿足綜合性能要求的多孔制品。多孔制品的節(jié)能形式體現(xiàn)在三個方面：由于質(zhì)輕，減少在運輸中的消耗；由于多孔保溫，用于防止熱量傳導(dǎo)、對流、輻射，當(dāng)聚合物熔體含有微孔時其粘度大為降低，減少了加工中的能耗；由于密度低，又具有發(fā)泡結(jié)構(gòu)的機械性能，使聚合物用量大為降低，在節(jié)省資源方面十分突出，因此制品多孔技術(shù)做為節(jié)能措施具有非常廣闊的前景，受到各國的重視。但應(yīng)該指出的是，那些使用CFC-11作為發(fā)泡劑生產(chǎn)PU制品，破壞臭氧層的發(fā)泡技術(shù)不在此列。

    在制品多孔技術(shù)中以結(jié)構(gòu)發(fā)泡和微孔發(fā)泡技術(shù)為主。

    3.3.1結(jié)構(gòu)發(fā)泡技術(shù)

    該技術(shù)是生產(chǎn)發(fā)泡芯層和實體表層結(jié)構(gòu)制品的成型方法，主要有擠出結(jié)構(gòu)發(fā)泡和注射結(jié)構(gòu)發(fā)泡。“Daris-Standard Corp.Paw-Cotuck,Conn”公司開發(fā)了一種新的異向雙螺桿擠出機（螺桿直徑φ94~175），擠出HDPE、PP等聚烯烴的結(jié)構(gòu)發(fā)泡型材。該公司兩年前，用液態(tài)和氣態(tài)的CO2和氮氣直接注入串聯(lián)單螺桿擠出機中生產(chǎn)多孔結(jié)構(gòu)擠出制品；美國Reedy國際公司推出發(fā)泡劑Safter WSD，用在聚烯烴、聚氯乙烯與木纖維等高充填的擠出中。此種發(fā)泡劑的存在極大地改善了復(fù)合料的流動性，不會發(fā)生燒焦或褪色現(xiàn)象；Safter WLB Edg100發(fā)泡劑能改善木纖維在高聚物熔體中的浸潤狀況，降低材料粘度，提高了纖維與高聚物的混合均勻性，實現(xiàn)低溫擠出，有利于制品脫模，并使之在高充填時，制品邊緣撕裂最少。帶木粉的發(fā)泡技術(shù)可使制品密度降至20%~45%，更接近于木材，樹脂含量只占40%~50%，使樹脂的用量較一般的木塑制品又減少了一半。樹脂成本一般均占材料成本的80%~90%，這樣，差不多節(jié)省了兩倍的材料成本。

    3.3.2微孔發(fā)泡技術(shù)

    微孔發(fā)泡技術(shù)的實質(zhì)是利用惰性氣體（CO2、N2），在高壓和玻璃化溫度以下飽和聚合物，然后再利用溫度升高，壓力減小等措施，生成不穩(wěn)定泡孔誘發(fā)出無數(shù)泡孔成核，并均勻分布，最后，泡核增長至所需要尺寸的微孔。微孔直徑0.1~10?滋m，微孔密度101５~101９個/cm3，成型出密度減少20%~40%的微孔制品，沖擊強度高出6~7倍以上，比剛性3~5倍，疲勞壽命5倍以上；并具有高的熱穩(wěn)定性，低的介電常數(shù)和導(dǎo)熱率�？芍瞥杀诤�0.1~1mm的薄壁件；制品的性能價格比很高，對環(huán)境無污染且易于回收利用。

     微孔發(fā)泡技術(shù)的關(guān)鍵是把CO2、N2制成超臨界流體。超臨界CO2是指溫度高于31.1℃，壓力大于7.38MPa的CO2。由于它在聚合物中溶解的能力強、粘度低、擴散系數(shù)大、無毒、不燃、化學(xué)惰性大、無溶劑殘留、價廉易得、使用安全、不污染環(huán)境、與聚合物不發(fā)生反應(yīng)、能降低玻璃化溫度、能大幅度地提高其它氣體及小分子化合物在聚合物中的擴散速度和溶解吸附程度，所以是擠出PVC微孔制品的理想物理發(fā)泡劑；微孔發(fā)泡注塑成型可使循環(huán)周期減少50%，能在小的模腔壓力下成型薄壁制品。采取微發(fā)泡技術(shù)可用功率較小的機器。微孔發(fā)泡技術(shù)在成型加工中的應(yīng)用具有極其廣闊的前景和深遠節(jié)能的意義。

     微發(fā)泡的關(guān)鍵技術(shù)在于對微氣泡形成三個階段的控制，即微泡核的形成、微泡核的脹大和微泡的穩(wěn)定固化過程，這個過程將決定微孔的數(shù)量、分布、微孔的大小，既要形成大量的微泡又不能使微泡超過尺寸極限，這是解決的難點。指導(dǎo)微孔發(fā)泡的理論基礎(chǔ)是高聚物自由空間成核理論和熱定成核理論。

     微發(fā)泡制品由于微孔的存在，在減小密度的情況下，不僅不會降低材料強度，反而會使原有裂紋尖峰鈍化，阻止應(yīng)力沿裂紋繼續(xù)擴脹，吸收沖擊能量可增加5~7倍，從而提高了沖擊強度、韌性、耐疲勞壽命、還有隔熱、隔音、吸震等能力，是節(jié)能、環(huán)保優(yōu)選材料。在汽車、飛機、運輸?shù)阮I(lǐng)域有特殊的用途，例如，用注塑成型生產(chǎn)的進氣歧管、保險盒、發(fā)動機罩、電器模塊、薄壁制件、內(nèi)部裝飾；用于擠出成型生產(chǎn)的微孔薄膜、PVC微孔發(fā)泡共擠型材，木塑微孔發(fā)泡共擠型材，以及鋰離子電池微孔發(fā)泡聚丙烯薄膜等。

     近年，發(fā)泡設(shè)備發(fā)展速度很快，以德國為例，2002年生產(chǎn)的發(fā)泡設(shè)備已占塑料機械生產(chǎn)總值的3.4%，而且還在發(fā)展。

    3.4介質(zhì)輔助技術(shù)

    介質(zhì)輔助技術(shù)目前多用在注塑成型中，其技術(shù)實質(zhì)是將介質(zhì)（氮氣或水）快速注入帶有缺料注射高聚物熔體的模腔中，利用介質(zhì)壓力打通介質(zhì)通道，推動熔體前沿充滿型腔，與此同時，介質(zhì)由通道內(nèi)部向四周均衡傳遞壓力，使熔體充實到型腔各壁面，并進行壓力保持，冷卻定型，最終形成帶有部分中空的制品。介質(zhì)的存在有效地防止了制件的收縮，減少應(yīng)力變形，提高了制品的外部質(zhì)量，可成型有特殊形狀的制品。

    介質(zhì)輔助技術(shù)的節(jié)能實質(zhì)在于兩個方面，一是，在加工中，用介質(zhì)推動前沿熔體流動，極大地減小高聚物傳遞中的能量耗散，縮短了熔體傳遞時間及其成型周期并降低了模腔壓力及其鎖模力，從而減少加工中的能量消耗；另一方面是缺料定型并保持氣道的存在，形成中空制品，節(jié)約原料，使成本降低20%~40%，由于上述原因，介質(zhì)輔助成型技術(shù)廣泛用于注塑汽車、家電用大型制品，例如，汽車儀表板、方向盤、電視機洗衣機外殼，以及大型家具等。

    水輔注塑技術(shù)是較晚發(fā)展起來的，與“氣輔”相比明顯有優(yōu)勢：由于注塑時，水能與模腔中的高聚物熔體直接接觸，水的導(dǎo)熱率高（氣體的40倍），熱容大（氣體的4倍），使冷卻循環(huán)快，能固化較厚的塑料層。在推動著熔體充模時，不像氣體那樣有滲入熔體穿透的危險。氣輔壓力2~17.2MPa，而水輔可達到30MPa，傳遞壓力損失小，比氣體容易控制。氣輔時，當(dāng)制品厚度增加時，其內(nèi)部產(chǎn)生氣泡可能性增加，為避免這一點可延長保壓時間，即氣體壓力釋放的時間被延長，增加了循環(huán)時間。當(dāng)壁厚大于40mm時，熔體沿氣道壁有流下的可能，因此，難以成型厚度大的制品。用氣體難以控制制品的厚度，而水輔卻沒有上述問題。但是水輔存在腐蝕、泄漏、重復(fù)性使用和成本等方面的問題。

    3.5振動技術(shù)

    振動成型技術(shù)的實質(zhì)是利用聚合物吸收振動能量，具有提高加工性能和制品質(zhì)量、縮短成型周期、節(jié)能和節(jié)約原料消耗等效果，據(jù)此，可研發(fā)帶有振動功能的塑化裝置及設(shè)備。振動對高聚物性質(zhì)所產(chǎn)生的效應(yīng)，日益被人們所重視。聚合物性質(zhì)在振動場的作用下所產(chǎn)生的效應(yīng)，主要是流變的非線型性、壁滑移效應(yīng)、振動觸變效應(yīng)和振動分解效應(yīng)。

    上面的機理有利于提高聚合物的塑化質(zhì)量和熔體平均流動速率，降低能耗，提高產(chǎn)量。

    近年來，把振動技術(shù)引入注塑和擠出成型國外已有不少例子，國內(nèi)最著明的例子是電磁動態(tài)擠出機，其本質(zhì)是高聚物振動機理在擠出成型中的運用，螺桿的振動源就是電磁振動。Buss擠出機也有類似的低頻振動效應(yīng)。

    4節(jié)能成型設(shè)備

    4.1節(jié)能成型設(shè)備的研發(fā)方向

    節(jié)能成型設(shè)備的改造、創(chuàng)新、研發(fā)，可從兩個方面進行。

    一方面，針對某種節(jié)能樹脂或節(jié)能復(fù)合材料的加工特性，并結(jié)合節(jié)能加工技術(shù)，諸如多層、雙向拉伸、發(fā)泡、介質(zhì)輔助、振動等成型機理制定合理的工藝路線，把主機與機頭口模、冷卻定型、拉伸、牽引等各種裝置相結(jié)合起來進行研發(fā)，例如多層復(fù)合機組，雙向拉伸機組或微發(fā)泡機組，振動成型機組或者上列的組合機組；研發(fā)多層復(fù)合、雙向拉伸、中空、結(jié)構(gòu)發(fā)泡、微孔發(fā)泡、振動成型注塑機和中空吹塑機等。

    另一方面，是解決塑料成型設(shè)備自身的節(jié)能、節(jié)材和環(huán)保問題，要執(zhí)行以科學(xué)發(fā)展觀為指導(dǎo)的開發(fā)理念。從廣義上來說，塑料機械加工的是節(jié)能產(chǎn)品，在節(jié)能領(lǐng)域里充分地發(fā)揮著作用，但是其自身卻又是鋼鐵、電能、機械能的消耗大戶。因此，必須要改造，要創(chuàng)新，要減小自身重量，減少鋼鐵及有色金屬的用量，必須建立節(jié)能的動力傳遞系統(tǒng)和穩(wěn)定可靠的自動化控制與調(diào)節(jié)系統(tǒng)；要建立以人為本的安全保護系統(tǒng)和人性化的智能系統(tǒng)。這就是我們?yōu)槭裁匆�推崇開發(fā)大型兩板式注塑機的原因，因為首先省去一塊笨重的后模板，包括拉桿、機架在內(nèi)的所有在橫截面上與拉桿平行的管道線路等，使其縱向尺寸大為縮短，有效地降低了鋼鐵等資源的消耗；這就是為什么推崇在塑料機械上，多使用伺服電機、變頻電機的原因。因為它們節(jié)能并適合對塑料機械中壓力、速度、轉(zhuǎn)速的多級變換，多級控制；與微機相結(jié)合，能更方便地實現(xiàn)數(shù)字控制和反饋的閉環(huán)控制，極大地提高對溫度、壓力、速度、位移等控制精度。可以預(yù)見，伺服電機將在塑料機械上得到更加迅速的推廣應(yīng)用。應(yīng)該指出的是，伺服電機在塑料機械上的應(yīng)用，絕不是簡單的置換問題，而必須結(jié)合有關(guān)機器設(shè)計的軟件系統(tǒng)，進行合理的、經(jīng)濟的匹配，否則反而會增加成本，造成浪費。

    4.2科學(xué)的方法論

    研發(fā)節(jié)能成型設(shè)備，必須遵循科學(xué)的研發(fā)方法，要以滿足制品的質(zhì)量、產(chǎn)量和精度要求為目標，適用各部相關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)研究方法，而不是孤立的拼湊。譬如，欲開發(fā)一條PPR板材擠出機組，絕不是取用KRAUSSMAFFEL公司制造的最好機頭與BATTENFELD公司制造的最好主機進行拼湊所能得到的，反而可能是耗能大的，成本高的機組。只有用科學(xué)的方法論才能研發(fā)出好的節(jié)能設(shè)備，這是因為近代塑料加工業(yè)，由于原料的個性化，制品的個性化，導(dǎo)致成型工藝的專業(yè)化和成型設(shè)備的專門化。主機和機頭，以及輔機各相關(guān)裝置必須合理匹配，而這個匹配是符合成型機理上的匹配，是符合工藝內(nèi)部規(guī)律的匹配，而不是簡單拼湊式的組合。

    5 重要結(jié)論

    撰寫本文，筆者的初衷并不僅僅在于介紹塑料加工中幾個節(jié)能技術(shù)方面的問題，而是意在以拋磚引玉的方式，把這些節(jié)能型加工技術(shù)作為事例，來論證我國的塑料加工業(yè)及設(shè)備制造業(yè)正面臨著產(chǎn)品結(jié)構(gòu)重要戰(zhàn)略調(diào)整的機遇期，產(chǎn)品何時調(diào)整到位，調(diào)整到何種程度，將由現(xiàn)代塑料工業(yè)發(fā)展的經(jīng)濟、技術(shù)基礎(chǔ)、創(chuàng)新能力、創(chuàng)新理念和創(chuàng)新的指導(dǎo)思想是否符合客觀規(guī)律所決定。

    這次產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整的理念和指導(dǎo)思想，就是要具體落實和體現(xiàn)科學(xué)發(fā)展觀的規(guī)律，就是要抓住節(jié)省能源、節(jié)省資源、環(huán)境保護、以人為本的創(chuàng)新理念和創(chuàng)新思想。

    如果把改革開放以來的80年代至90年代，視為我國塑料加工業(yè)及其設(shè)備制造業(yè)的第一個產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整期，那么從現(xiàn)在開始的今后若干年間，就是產(chǎn)品結(jié)構(gòu)戰(zhàn)略調(diào)整的第二個機遇期。由于經(jīng)濟、信息的全球化、一體化，這個機遇期不僅屬于中國而且屬于世界。我們必須預(yù)見到這個機遇，珍惜這個機遇，抓住這機遇，要大有所為，為我國的塑料加工業(yè)及其裝備制造業(yè)呈跨越式前進，大大縮短與塑料工業(yè)發(fā)達國的差距作出貢獻。