基于生态环境保护原则的绿色注塑机科学发展的分析研究（连载7）

张友根

（宁波海达塑料机械有限公司,宁波,315200）

（接上期）

9.2.5.3 塑化VOC排放控制的挤注复合型塑化注射成型技术

加拿大Husky公司PET瓶坯注塑机的挤注复合型塑化注射系统，有效控制瓶坯乙醛（AA）含量，保证安全性。乙醛（AA）含量超标使PET瓶装饮料变味同时会对消费者的神经系统及小孩发育造成身体健康的不利影响，国家标准对此做出了严格的规定，乙醛（AA）含量平均值≤3PPM，最大值≤4.0PPM。瓶胚乙醛（AA）含量高主要在PET原料塑化过程中过度剪切而强烈热降解产生的。采用挤注复合型塑化注射系统成型加工，塑化为伺服动力驱动挤出螺杆纯塑化挤出，注射由液压柱塞完成。在整个塑化过程中，由于独立塑化，实现低温塑化挤出的足够时间，避免了普通往复式螺杆因物料过渡剪切造成急剧升温而乙醛（AA）热分解率增长的缺陷，有效控制了瓶坯乙醛（AA）的含量。Husky公司PET瓶坯注塑机可实现100%的PET粉碎回料直接成型加工，系统结合该公司的国际领先的热流道模具，成形一模96个瓶坯，周期不到7.5秒，即每小时产量达到46000支；PET300瓶坯专用注塑机，成形72腔瓶坯，周期不到5.5秒，即每小时产量达到47100支。

9.2.5.4 节能混炼型的挤注复合型塑化注射成型技术

传统的塑料玻璃纤维复合材料的注塑，都是经挤出造粒后进行注塑，注塑二次加热，增加了能耗，而且复合材料的粒子径经塑化剪切，粒子中的玻璃纤维的长度被剪断剪短，不能充分发挥玻璃纤维增强的性能。

回料/废料由挤出塑化加料口进入，玻璃纤维由挤出螺杆的前端部进入，塑化的熔融料进入挤出螺杆的前端部与玻璃纤维混合，两者在流道中混炼、玻璃纤维被热剪断约2cm长度，混炼料进入储料机筒/注射机筒。可见，混炼型挤注复合型塑化注射结构能够保证玻璃纤维的长度，更适合回料/废料的回收利用，并可降低玻璃纤维的消耗量，提高制品的强度,在大型工程塑料注塑制品的绿色化发展中大有发展前途。

9.2.6 生物塑料注射成型技术

生物塑料通常由PLA、PHA和淀粉基树脂构成，并具有快速增长的市场。生物塑料不是简单的替换一些树脂，在注射成型领域的应用还处于起步阶段。不同材料的流变性、收缩率及其对排气等的要求是不同的，在产品设计、模具设计、加工设备和工艺参数等方面也都存在一些的差别。Nypro公司组建了研发团队，以专门研究可再生、可降解材料在材料的干燥、塑化、浇口设计和位置、流道、流动速率、排气等注塑成型工艺等方面的特征，开发了自己的流动模拟软件包，以模拟生物聚合物的成型行为，包括收缩和热变形行为，提出注塑设备的技术条件，推动生物塑料的应用领域。

10 基于生态环境保护原则的绿色注塑机拓展注塑机科学发展

纵观注塑机的发展道路，创新创造的先进的科学技术，自觉或不自觉地在客观上沿着生态环境保护方向发展。例如，液压动力驱动节能技术，液压比例/伺服控制技术，高速高效成型技术，多组分复合成型技术，清洁能源应用技术，伺服交流电机节能应用技术，同步并行高速运转技术，污染控制技术，CAD、CAE，高速运算控制技术，智能化成型技术，视觉系统检测控制技术，网络化控制技术，机构/结构的高效简化技术，机械手取件及识别技术，流体辅助注塑技术、低温低压注塑技术、二次合模注塑技术、精密注塑技术，废旧塑料再生应用技术，等等。这些技术的实质都是为了降低碳排放，保护生态环境。以前，在创新创造上述技术过程中，未提高到保护生态环境的高度进行运作，但实质上，都是符合保护生态环境的客观发展规律。事实证明，不利于保护生态环境的技术在发展中被淘汰，例如，低能效的液压定量系统在上世纪八十年代风行一时，现已淘汰出局。上述技术提高到生态环境保护高度，进一步提高了科技含量，推动了注塑机的科学发展。

基于生态环境保护原则的绿色注塑机的设计，欧、日的注塑机制造商始终走在前面，新设计不断涌现，引领世界注塑机的前进，年产量（台）约占世界的1/4,销售额始终居于世界前两位，占据了约5/7的份额。近年来，Engel公司积极主动为生态环境保护绿色注塑工程服务，提供制品、注塑机、成型工艺技术、模具、机械手等全套生态环境保护的解决方案，与全球各领域中的领导者建立合作，根据客户的个性需求量身定制绿色解决方案，在汽车行业积极为实现汽车轻量化、清洁化的制造服务，成为全球三分之二的汽车行业供应商信赖的合作伙伴，成长快速，效益显著，2013/2014年的度销售额达到12.56亿美元，比2012/2013年度9.5亿美元的销售额猛增31.6%。

EuP指令生效后， CE认证必然会引入生态环境保护的设计的相关内容，指引了世界注塑机的产品结构调整和科技进步的科学发展方向。基于生态环境保护原则的注塑机设计的分析研究表明，国内注塑机的发展还处在初始阶段，应用还处在狭窄的领域。中国注塑机的产量（台）约占世界的2/3，但销售额却仅占世界的1/6～1/7，经济效益明显低于欧、日同行，重要原因是缺乏基于生态环境保护原则的注塑机设计的科技含量。充分利用我们的资源优势和速度优势，积极主动地科学发展注塑机的基于生态环境保护原则的设计，实现注塑机向更高层次、更大范围的基于生态环境保护原则的深度和广度发展，由基于生态环境保护原则的新技术的观望者转变为竞争参与者，不仅在国内市场上攻城略地，更要在高端基于生态环境保护原则的技术上勇于破藩篱、扫障碍。

更新理念，自主创新创造基于生态环境保护原则的绿色注塑机。国内注塑机制造企业，总体上自主创新创造的开发能力远低于欧、日同行，处于以国外机（技术）为范本进行仿制的技术附庸角色。一些企业往往急功近利，最好今天开发，明天出效益；需要花几年努力开发，绝不会干；消极等待，甘愿落后，善于跟风。更新发展理念，加大人才、财力和资源的投入，集中在基于生态环境保护原则的注塑机设计上创新创造，开辟出一条中国特色的基于生态环境保护原则的注塑机科学发展道路，取得国际上注塑机发展的话语权。

科学协调基于生态环境保护原则设计和市场实际需求之间的关系，注塑机制造企业积极引领注塑机市场沿生态环境保护方向科学发展。低端注塑机在较长时期内，还有较大的市场，但是提高设备的生态环境的保护的科学发展不可忽视。我们应看到，用户的生态环境的保护意识也在逐步提高，开发既有利于用户经济效益增长又有利于生态环境保护的技术，逐步提高注塑机的生态环境保护的科学发展水平，例如，伺服交流电机驱动油泵的节能系统，首先由注塑机制造企业开发，虽然提高了设备的销售价格，但能使用户在较短时间内收回投资成本，已被广大用户接受。

11 基于生态环境保护原则的绿色注塑工程发展领域的分析研究

生态环境保护成为全社会的共识，绿色注塑工程成为基于生态环境保护原则注塑工程发展的方向。掌握基于生态环境保护原则的绿色注塑工程发展领域，才能研发全套解决方案，实现基于生态环境保护原则的注塑机设计的科学发展。

11.1 生物医学领域的绿色注塑工程

生物医学材料是一类具有特殊性能的材料。其中，医用塑料是生物材料产业化发展最快的领城之一。随着医疗水平的不断提高、老龄化人口的增加，根据医用塑料需求不断增加的新情况，重点研发生产各种医用塑料的精密注塑工程技术。

随着人口老化和越来越多的年轻人需要进行髋关节置换，人工全髋关节置换术将会越来越重要。鉴于巨大的市场需求及丰厚的利润，近年来在塑料新材料领域，人工关节一直是热门研究课题。但目前这一市场大多为欧美企业占据。因为人工关节制造不仅需要性能更优良的金属及塑料材料，还需要拥有先进的合金加工技术、塑料精密加工技术，而欧美公司技术研发具有优势，因此在市场上具有很强的竞争力。目前，欧美企业在全世界人工关节市场占有率已达80%以上，世界前六大生产厂商都为欧美公司。

国产人工关节附加值大多较低，高端产品还需要依靠进口。国产企业应在人工关节材料、表面抗磨寿命周期的处理、3D成型加工技术工艺上进行创新，从而实现国产人工关节的高端化。

11.2 微纳精密注塑领域的绿色注塑工程

随着高技术和精密技术的快速发展，在光电通讯、计算机数据存储、影像传输、生化医疗、信息存储、生物技术、传感器和传动装置、微光学等领域中，微纳复合注射成型制品呈现快速增长的需求。典型例子包括：加速和距离传感器，硬盘和光盘驱动器读写头，医疗传感器及微型机器人、微型泵、小线轴、高精度齿轮、滑轮和螺旋管、光纤开关和接插件、微电机、等。

微纳注射成型技术以容易实现低成本大规模生产具有精密微细异形结构零件的优点成为世界先进制造技术的研究热点之一。成品质量几微克到几分之一克，成品几何尺寸以微米为度量单位，长宽比在1到100之间，设备运行的行程精度要达到微米级。微纳注射成型技术同传统的、常规的注射成型技术相比，其对成型材料、成型工艺、控制技术、周边设备、成型环境及成型设备等方面都提出了特殊要求。许多现有的、成熟的注射成型技术和理论并不适用于微纳注射成型技术，必须在理论和实践上对微纳注射成型工艺的技术特点进行系统和彻底的研究与探讨。

Engel公司的膨胀注塑是一种非传统的微纳注射成型技术，膨胀注塑则是基于利用存储在螺杆前部的高压溶胶，注塑就是简单的打开针阀，使溶胶爆发充满模穴，不需要其它产生高压的方法。膨胀注塑用于传统注塑机的极限领域，代表性的短射范围从20克一直降低到0.1克；壁厚或段厚从1毫米到0.1毫米。预塑：关闭喷嘴。压缩：预塑完成后，当然这时候射嘴还是关闭的，螺杆用做活塞来压缩螺杆前部的熔融料，根据产品应用和原料，压缩压力范围从2000 bar到2500bar，熔融容积被压缩大约10%，为保证溶胶温度一致，压缩状态维持很短的时间。充模：打开针阀开关，溶胶突然爆发在不到一秒的时间充满模穴，剩余压力用于保压以补偿收缩。充模过程，螺杆保持位置不变，保证极好的重复性。这套系统的先决条件是塑化螺杆的位置可以精确控制，与ENGEL全电动机一样。

威猛巴顿菲尔公司MicroPower注塑机以极高的精密性和成本效益为特色，其中最值得关注的首先是创新的两阶式螺杆-活塞注射单元，注射量为0.05 cm3。～4cm3。凭借该注射单元，均匀加热的熔体被注射成型为一流质量的部件，最大程度地提高了生产稳定性并缩短了循环时间。与标准注塑机相比，MicroPower可节能30%～50%。

11.3 轨道交通领域的绿色注塑工程

一辆高速列车所消耗的能源相当于一架飞机，所以节约能源才会成为重中之重。随中国轨道交通行业的快速发展，高性能塑料在轨道交通领域的应用也陆续增加。许多铁路车辆制造商已开始借鉴国外经验利用高性能工程塑料替代金属，向小型化、轻质化的方向发展。复合材料如玻纤复合材料在铁路市场领域将继续如过去五年中保持两位数的增长。全球列车车厢制造商庞巴迪公司就从中看到了塑料新材料在节约能源、减少震动和噪音方面的庞大市场。由于目前在航空领域所采用的新型复合材料已经取代金属材料，因此，庞巴迪公司在设计高速轨道列车车厢时吸收及参考航空领域所采用的新型复合材料已经取代金属材料的实际而开发。英国对高铁的发展明确提出，扩大对高分子复合材料的应用，推动绿色高铁的发展。

可以预见，高性能塑料在中国轨道交通上的成功应用领域也将越来越深入和广阔。

11.4 航空工业领域的绿色注塑工程

在航空工业市场，围绕“更安全、更经济、更舒适、更环保”和“减重、减阻、减排”的目标设计。大型客机在设计中大量运用高度综合复杂系统，复合材料应用范围更加广泛，波音787的复合材料达到50%，空客A350的复合材料达到52.5%。中国首款具有自主知识产权的全复合材料的涡桨公务机“领世(Leadair)AG300”飞机的机体全部采用了先进的碳纤维复合材料制造技术，结构简单、重量轻、速度快、安全舒适、经济性好等特点，世界同类单引擎涡桨飞机中飞得最快的机型。

11.5 汽车工业领域的绿色注塑工程

实现清洁生产是汽车制造业今后的发展趋势所在，汽车制品注塑机的设计必须充分认识到这一点。

塑料件成型技术与汽车塑料化无缝结合起来，创新创造成型技术，推动汽车塑料件绿色化进程。成型加工技术由通用化转移到功能化、专业化，由粗犷式转移到低能耗、低污染、低排放、清洁化、洁净化、高速高效化、资源节约化、控制智能化等绿色技术。开发科学的注塑成型加工技术达到最佳的性能、最低的成本、最高的效率的新技术，满足汽车塑料件绿色化的发展。

大型复杂注塑件在汽车塑料件中的比例越来越大，热流道技术在汽车研发及生产工程中的作用越来越凸显，专用化和功能化成为汽车塑料件注塑成型技术的发展方向。

开拓复合注射成型加工新工艺。成型材料的天然纤维增强复合化、装饰件的多层复合化、结构薄壁件的结构复杂化等汽车塑料件的绿色技术的发展，给注塑成型带来了新课题，同时也为创新创造注塑新技术和新设备提供了发展平台。

碳纤维被国际上称之为“第三代材料”，因为用碳纤维制成的复合材料具有极高的强度，汽车应用碳纤维复合材料是第三次工业革命在汽车上的体现。碳纤维复合材料件可节约大量的不可再生的炼钢原料及材料，是汽车结构受力件轻量化最佳的复合材料。碳纤维可以用于注塑，典型产品是 碳纤维+PPS。碳纤维二次加工比较困难，比如在成型产品上钻孔，普通的钻头，钻几个孔，钻头就磨损了。所以在注塑件设计时要避免二次机加工。此外，与塑料中加玻纤一样，加碳纤维后注塑机螺杆磨损增大，螺杆寿命有所减短。剪切不要太强，防止破坏碳纤维的长度影响材料性能。碳纤维成型时模具中使用的脱模剂，会使注塑时碳纤与塑料不能粘接，改良碳纤维成型的工艺，在碳纤维成型过程中，不使用脱模剂，使碳纤维复合塑料构件表面成型后无脱模剂残留。碳纤维复合塑料的流动性下降，在注塑时须相应提高注射温度。

12 结语

基于生态环境保护原则的绿色注塑机的科学发展给制造企业带来机遇与挑战。设计者不但需要具备注塑机的知识，而且在高分子材料学、材料科学、构造学、化学和环境学等方面也要知识广泛，这就需要更大程度上的利用多学科的协同设计。种种问题意味着设备设计要想在真正意义上实施基于生态环境保护原则的绿色设计，转变传统的凭借主观想象和原始经验开发的理念，需要有更多更好的方法来辅助基于生态环境保护原则的绿色设计。

绿色注塑机在基于生态环境保护原则的持续科学发展过程中不断发展，其生态环境保护的内涵与外延也在不断地动态变化和发展。特别是由于人们对生态环境保护的价值观不断进步，而以之为价值基础的基于生态环境保护原则的绿色注塑机的内涵也随之变革。我们再也不能简单以增长率来论英雄，应以创新生态环境保护为核心反正原则，优化产业结构及增长方式，推动注塑机产业升级。努力开创一条基于生态环境保护原则的科技含量高、经济效益好、资源消耗低、环境污染少、人力资源优势得到充分发挥的中国特色的注塑机科学发展道路。

基于生态环境保护原则的绿色注塑机的科学发展首先解决影响范围广的直接有损生态环境的课题，其次逐步解决涉及面大的间接有损生态环境的课题。绿色注塑工程中任何一个环节不能达到生态环境保护的要求，整个注塑工程就不能实现生态环境保护的要求。

积极推广应用现有的生态环境保护的科学发展成果，对已有的注塑机进行绿色化技术改造。变频电机驱动油泵、伺服电机驱动油泵的节能液压系统已得到认可，有了较大的推广，但相对于国内注塑机的拥有量，比例还不高。环保节能的电磁加热系统的推广应用还处于初始阶段，

基于生态环境保护原则，研究绿色注塑机发展的新常态，观念上要适应，认识上要到位，方法上要对路，工作上要得力。注塑机制造的未来属于有基于生态环境保护原则的创造力、创新力、新点子的不断创新创造中前进的新常态企业。（连载全文完）

[1] 张友根.服务型制造是实现塑料机械制造“创造强国”的科学发展观[J]. 橡塑技术与装备，2012，38（3）：4～22.

[2] 孙华丽，王冀强，温正忠. 绿色设计与其模糊评价方法研究[J]. 机械科学与技术，2003，22（5）：699～701.

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