瞿金平院士团队让塑料加工行业发展瓶颈“迎刃而解”与螺杆“较劲”30载发明绿色加工新方法

文/路平

瞿金平院士团队让塑料加工行业发展瓶颈“迎刃而解”与螺杆“较劲”30载发明绿色加工新方法

文/路平

塑料作为日常生活中再寻常不过的一种材料，早已深入到生活中的每一个细节。然而长期以来，塑料生产行业却始终处于高耗能、高浪费状态，被人视为“落后产能”和“夕阳行业”。针对高分子材料加工产业高耗能、石油短缺、环境污染日益严峻等问题，中国工程院院士、华南理工大学聚合物新型成型装备国家工程研究中心主任、聚合物成型加工工程教育部重点实验室主任瞿金平团队，发明了一系列基于拉伸流变的高分子材料绿色加工成型新方法及装备，实现了高分子材料“基于剪切流变加工”到“基于拉伸流变加工”的重大转变。成果“基于拉伸流变的高分子材料绿色加工成型技术”也获得2015年度国家技术发明二等奖。

率先提出塑料加工新方法

瞿金平说，螺杆作为塑料生产行业人所共知的代表性零部件，从塑料诞生的那天起就与之如影随形。而这也正是造成塑料生产行业高耗能、高浪费的症结所在。他表示，螺杆的长度越长，塑料加工机械的能耗越大，螺杆加工制造越困难。而随着塑料品种不断增加和制品要求不断提高，螺杆的长度是越来越长，塑料生产的耗电更是节节攀高。瞿金平偏不信这个邪，硬是和螺杆杠上了，并大胆假想去掉螺杆，采用叶片取而代之的方法。

瞿金平说，从塑料加工的学术上讲，螺杆是靠给物料施加具有“剪刀差”的剪切形变而工作的，同时物料也承受了少量拉压形变的作用。他们过去十几年在研究塑料动态塑化加工过程中发现，螺杆之所以能缩短，是由于其轴向振动增加了对物料的拉压形变作用。如果反其道而行之，塑料加工时主要承受拉压形变作用，而剪切形变作用是次要的，是否就可以不需要螺杆呢？一个大胆的设想就这么诞生了。

对于“拉伸流变”的原理，瞿金平说其灵感源于颇具广东特色的潮汕牛肉丸:“潮汕牛肉丸是不是越吃越有嚼头？其之所以有韧劲耐嚼不就是因为牛肉是打出来的而没有破坏其内在的纤维结构吗？做牛肉丸的人实在是太聪明了，可以不用刀，我们何不也试试塑料加工不用螺杆呢？”由此，他们团队就想到了要拿掉螺杆！但用什么取而代之呢？叶片！叶片在由定子、转子及叶片组成的特定几何空间中转动时带动物料输送，同时随流道截面积由小到大再由大到小周期性变化过程中承受拉伸和压缩作用，这样就摆脱了在使用螺杆输送塑化过程中对物料很强的剪切作用从而使其大分子链断裂的过程，如此一来，既加快了物料的输送塑化效率，又避免了物料大分子结构的改变，从而大大提高了生产效率和塑料制品的生产质量。

瞿金平院士（左一）为来访专家介绍项目研究情况

实现三大关键技术创新

瞿金平表示，高分子材料加工成型是高分子材料在外场作用下的流动和变形过程，而基于拉伸流变的高分子材料绿色加工成型技术将剪切与拉伸流变作用的主次关系颠倒过来，其对应的加工原理、技术、装备及理论都完全不同，突破了高分子材料加工装备以螺杆为标志的结构模式，解决了受传统螺杆加工方法和理论的框架限制而导致高分子材料行业技术升级难的问题。一方面，新技术改变了传统螺杆加工设备依靠物料外摩擦力、内摩擦力作用的物料输运方式，首次在高分子材料塑化加工过程中利用物料体积连续变化实现完全正位移强制体积输运，解决了传统螺杆拖曳输运方法的物料输送效率低、对物料适应性差等问题。

同时，该项目颠覆了传统剪切流变支配的高分子材料塑化混炼方式，首次提出了拉伸流变支配的高分子材料塑化混炼新机理，解决了传统螺杆加工设备由于受剪切流变支配而导致的塑化能力低、物料易降解、制品性能差、循环利用难等问题。此外，还突破了高分子材料加工技术装备以螺杆为标志的结构模式，首次开发了非螺杆挤压系统结构的几何拓扑新技术，解决了传统螺杆挤压系统热机械历程长、能耗高、设备结构体积大等问题。

推动技术设备产业化

新设备样机生产出来之后，瞿金平非常关心样机在企业的实际生产情况，毕竟只有一线的员工才最有资格判定机器是不是真的合格。“经东莞、汕头、武汉、深圳等地企业的实际生产状况统计，我们的物料损耗大大降低，能耗下降约30%左右，污染自然也就跟着得到大大下降。”同时，塑料无螺杆塑化挤出技术及设备经行业有关专家鉴定，是国内外高分子材料成型加工领域的重大创新，处于国际领先水平。

新技术摆脱了塑料加工机械200年来都未曾离开过的螺杆，也酝酿着塑料加工机械及相关行业一场技术升级换代“风暴”。早在2009年5月参加广州国际橡胶塑料机械展览会的时候，就有德国、意大利、日本等国从事塑料加工设备生产的大公司向瞿金平及其团队递出了橄榄枝，表示了强烈的转让技术的意愿。“虽然当时有个国内企业老总愿意出1.3个亿买断我的技术，但我还是要在广东投资设厂进行新设备的产业化。毕竟广东才是孕育这一技术的发源地。”瞿金平说，广东的塑料产业产量占据全国四分之一强，稳居全国第一，在本省投产最合适。“这是塑料生产行业洗牌的大好时机，也是我们在国际塑料加工机械领域打翻身仗的绝佳机会。”

据统计，目前世界范围内塑料加工机械的产销量为196亿欧元，我国的塑料加工机械产销量为200亿元人民币。瞿金平团队的新技术产品如果在国内实现10%的市场份额，就可以创造22亿元以上的产值。而要在国外实现10%以上的产品替代，就可以创造100亿元以上的产值。因此，产业前景不可估量。

以绿色加工引领产业转型升级

据了解，基于拉伸流变的高分子材料绿色加工成型技术及装备已在10多家龙头企业产业化推广，效果显著，有力助推高分子材料加工产业向绿色制造转型升级，被鉴定为“处于国际领先水平”。瞿金平说：“该技术已经申请了27项中国发明专利，其中14项已获得中国发明专利授权，构筑了相应的专利池，形成了比较完整的自主知识产权体系。”其中，“基于拉伸流变的高分子材料塑化输运方法及设备”获得了美国、欧洲、日本等13个国家/地区发明专利授权。项目实施以来共发表SCI收录学术论文103篇。新技术还获得2010年度广东省技术发明一等奖，2014年度中国专利奖金奖，2014年度教育部高等学校科学研究优秀成果奖技术发明奖一等奖。

高分子材料加工是众所周知的高耗能产业。通过该技术的推广应用，还促进了资源综合利用，推动行业低能耗生产，减轻能源资源及环境的压力。据统计，2013年全国塑料制品生产能耗超过216.5亿千瓦时，如果按新技术平均节能20%计算，平均单耗将从350千瓦时/吨下降到280千瓦时/吨，每年可为塑料制品生产企业节省用电43.3亿度。而新技术设备也可应用于废弃生物质、废旧塑料的资源化利用等方面，在缓解石油资源短缺、废旧塑料污染方面发挥重要作用。通过应用相关设备，在保证制品性能的前提下，生物质纤维填充量可超过65%；回收的废弃不相容塑料无需分拣即可实现再生利用。

此外，新技术装备的推广应用，突破了国外技术壁垒，提升了我国高分子材料高端制品加工能力及材料加工成型装备的国际竟争力，推动了高性能新材料产业的发展，引领产业转型升级。广州一道注塑机械有限公司在开发聚酯瓶胚快速注射成型专用设备的过程中，与国际聚酯瓶胚专用设备制造龙头企业Husky公司的竞争十分激烈，通过采用该技术，大幅提升了设备的性能，在国际市场竞争中处于优势地位。