可降低成本的最新聚合物加工成型方法

一、前言 　　对于任何设计者来说最大的梦想就是生产一种能从原料到产品以及产品的包装整个过程只需要一个连续的加工工艺的设备。塑料加工工艺和机器人技术的创新是不可避免的创新之路。从而使得从原料到产品的包装能实现一步连续生产的过程。 　图1：在线加工方法（一步法）实例 这方面的工艺创新及机器人技术的发展是很迅速的，不仅仅是为了体现出智慧，也不是为了时尚，而是为了在加工的过程中能达到更高地自由度，并能达到省时间、省费用和省能量等效果。所有的领域都将或多或少地从中得到收益，如：汽车行业、包装、电子电器、日用品、医疗、工业、商业、铁路等等。零部件的应用领域为：安全气囊盖、甲板、亭、瓶子、计算机配件、管道、盖子、门、膜、管材等等。所有的聚合物都将与这种新的生产工艺相关，从普通的塑料到高性能的塑料如：PEEK及橡胶和热塑性弹性体等等。 　　二、为什么要采用这种工艺? 　　直接在加工的过程中进行物料的混合（见图2）具有如下的优点： 　　1、中间的存储过程和一些常见的混料后的后处理过程都可以省略。 　　2、可以减少厂房的空间。 　　3、不需要进行二次加工，从而降低物料在加工过程中的热降解。 　　4、加工过程中的二次剪切也没必要进行，这样就能减少物料的热、机械降解。 　　5、可以减少易水解聚合物的水解，在线混合是很均匀，也适合PET和低硬度热塑性聚氨酯的混合。 　　6、可以根据生产量的变化随时调整产品的配方。 　　7、物料的流变性能也能在真实的时间，真实的温度和压力条件下进行控制。 　　很多时候，这种工艺的首批投资是比一般的多步加工工艺要高得多，但是总而言之，这种工艺具有如下的特点： 　　1、如果加工工程与真实的产量相匹配的话就能降低产品的相对成本 　　2、能够节约时间和劳动力 　　3、能提高终端产品的性能 图 2：一步式和两步式加工工艺的动态对比 　三、值得深思的一些数据 　　如果生产工艺和生产量比较匹配的话，节约成本就不是一个理论的问题而是一件很重要的事情。例如：对于高产出量的汽车配件而言，采用热塑性玻璃长纤进行连续的在线混合生产的话，每公斤物料将节约成本约0.25到0.35美元。 而相反的是，对于低产量的产品来进行在线的配色的话就能最大程度地节约成本。因为如果要去购买预先处理好的母粒的话，需要更多的成本。 　　Composite Products Inc. (CPI) 公司获得了“直接喂料热塑性塑料”(DFT)加工工艺的许可，在整个加工过程中，混合速率和注模速率是完全一致的。对于小质量的制件，CPI公司声称，相对与普通的加工工艺而言成本大约能节约30％左右，而相对于LFT预混合的产品加工来说成本能节约50％左右。 　　对聚合物来说，甚至对于低熔点的聚合物而言，加工过程中的热及剪切速率以及伴随的热降解等都是不可忽略的。举例说，X. ALMERAS和Al.(Progress in Rubber, Plastics and Recycling Technology, 20, 1, 2004, p.25)研究了聚丙烯和聚酰胺合金的循环加工过程，其中的一些性能的改变数据如下： 　表 1：通过一个加工循环以后的产品性能的变化 成功的关键点: 根据聚合物加工过程中采用的助剂种类、产品的生产量以及性能的需求做策略性的一些加工过程的改变，助剂和相应设备的选择必须以常用的助剂为基础进行考虑，如需要考虑如下几个因素： 　　1、常用助剂的正规尺寸 　　2、很高的各向异性现象，如纤维 　　3、直接进行吹膜的气体 　　4、影响聚合物结构和流变性能的反应型助剂 　　接下来的这些陈述在有些情况下是不适用的。但是，不管怎么样，必须对实际的助剂、设备、加工工艺进行研究才能做出最后的决定。在通常的情况，常用助剂是不需要进行太多的考虑，比如说这些助剂在加工条件下的热性能，增强性能等等。 　　四、通用助剂的使用策略 　　对于粒子较小，尺寸比较规整而且没有化学活性的助剂而言，在线或直接添加到物料的加工过程中是一件相对来说较简单的事情。但是，这也要求我们必须考虑到助剂的存在形态。目前用的三种比较有竞争力的助剂形态为： 　　1、粉末状, 如果粉末与聚合物具有很好的相容性的话，这是一种公认的助剂存在形态以适合于一步法加工 　　2、浓缩产品或母粒，如果他们的聚合物载体于所添加到的聚合物具有很号的相容性的话，这也是一种不错的方法 　　3、如果助剂于聚合物具有很好的相容性的话，助剂可以是液体的，也可以是糊状的 　　也许关于这方面的研究做的最早的实验就是聚合物的着色一步法加工工艺，但是，时至今天，这种一步法的加工工艺以及适用于所有的助剂。例如： 　　1、加工改性剂和润滑剂 　　2、稳定剂： 　　　①抗氧剂 　　　②UV和光稳定剂、引发剂、吸收剂 　　3、填料，如木质纤维 　　4、有机或无机的阻燃剂 　　5、抗冲击改性剂 　　6、交联剂 　　7、抗静电剂 　　8、抗菌剂 　　9、吹塑剂 　　10、澄清剂 　　11、成核剂 　　12、荧光增白剂 　　13、防滑剂，防团剂 等等 　　粉末状的着色剂和塑料助剂直接和粒状的塑料进行混合的话，使得聚合物配方即使是很小量的生产，也具有相对较低的成本。当然，在塑料的加工过程中，需要根据应用领域的需求来进行相应的一些助剂选择的试验。 颜料或助剂母粒或浓缩产品分散到聚合物载体树脂里在现在的成型中是一种很普遍的加工方法。在注塑或挤出的喂料过程中，预先按比例制成的母粒可以分散到待加工的聚合物中以获得预期的颜色或效果。然后再熔融、混合、在螺杆、热和剪切的作用下进行塑化。一般的，浓缩的产品都需要进行很大量的定购，相对于小批量的购买来说，其价格远远要高得多。因此，浓缩产品或母粒对于大部分小批量生产来说是不经济的，但是这种方法却适用于中等批量或大批量产品的生产。 　　液体的或糊状的颜料相对于母粒或浓缩的产品应用到塑料树脂或聚合物的加工过程中而言具有更高的经济价值。采用液体颜料的优点是：可以节约成本，同时可以很容易地在聚合物中进行分散。如果有配套的简单设备，如“Pump in a Drum”，液体颜料是很有经济效益而且很容易使用的。 　　关于在线混合生产方法在工业上的应用目前已经有很多，下面我们举几个例子： 　　1、一条完整的医疗试管生产线以生产具有组织紫外线进入的试管 　　ORGANDO (Plastics Technology: May, 1994 issue)描叙了一种完整的预料试管生产线以生产具有防止紫外线辐射的石蜡医疗导管。HDPE, LDPE和钡或者铋的混合物一起进行混合，然后在由18mm的异向双螺杆以一定的角度将料输送到12mm、长径比为10:1的单螺杆段进行挤出（Randcastle Extrusion）。然后由Versa Machinery 提供的牵引机和切割机对挤出的产品进行处理，最后得到医用导管的生产效率为1-3 kg/小时。 　　2、用“长纤”对热塑性塑料的增强 　　玻璃长纤增强热塑性塑料（LFT或LFRT）因为其结构性能与易加工之间的独特的平衡而成为现在的热点。热塑性塑料生产商采用在线加工成型方法（一步法）推出的玻纤增强热塑性塑料给汽车配件带来了革命性的变化，从而导致了消耗量的大大增加。 　　对于长纤增强热塑性产品惹眼，最主要的问题是如何控制长纤在终端产品里的预期的长度。产品的机械性能与玻纤的长度具有很直接的关系。从下图中可以看出，玻纤长度与玻纤增强热塑性塑料机械性能之间的关系。 图 3：玻纤长度与产品机械性能的对比 为了解决这个问题，必须对产品的混合（compounding）和增强（reinforcement）进行剥离，从下图4可以看出，LFT的在线生产工艺（一步法）。 图4：LFT在线（一步法）生产的原理图 五、发泡成型 　　1、气体直接挤出或注塑加工工艺 　　与其他传统的发泡成型工艺不同的是，热塑性发泡材料可以直接通过高压气体的作用将熔融状态的物料进行注塑而加工成型而成。 　　在这个加工过程中，不含有发泡剂的热塑性塑料喂料到挤出机中，在经过物料的熔融段之间就直接输送到含有高压气体的挤出机段。 　　当物料输送到模具中，而模具中的压力就是外界大气压，这时熔融的物料就会在模具中进行发泡，然后冷却定型。 最终产品的性能将受到气体的量、泡孔的尺寸和泡孔分布的影响。例如，MuCell加工工艺中采用的气体时CO2，在CO2的超临界状态，可以使热塑性泡沫塑料性能微孔，而且这些孔分布得很均匀，微孔得尺寸也比较均匀，尺寸得大小微5-50微米。 　图5：MuCell注塑加工工艺原理 当然，气体注塑成型许亚起哦配有气体测量装置，同时还需要注意如下事项： 　　1、挤出或注塑机必须具有很特殊的螺杆和装有注射器的桶，以允许气体的注射，并且得保证气体的分散均匀性 　　2