可降解塑料发泡缓冲颗粒智能生产设备的研制

季文骏 胡军 邱建成 覃信祥 戴全胜 谢明飞 周凯瑜 谢丹 王浩南 周磊

（1.天津佰盛环保科技有限公司；2.江苏飞鸽友联机械股份有限公司3.江苏科技大学）

0.前言

随着绿色经济的快速发展和碳中和政策的进一步落实，各种可降解塑料制品在快速的发展。天津佰盛环保科技有限公司近年内向市场隆重推出一种性能优异的可降解塑料发泡缓冲颗粒，这些可降解塑料发泡缓冲颗粒的原材料主要来自于天然植物，具有环保、无污染、可降解、成本低等诸多特性，它可以做成非常吸引眼球的色彩，切割成均匀而整齐的形状，填充在农产品和包装盒之间的空隙中，其外形配色和水果、外包装非常相称，能够呈现出很好的视觉效果。

天津佰盛环保科技有限公司所研发的全降解缓冲包装材料，由天然植物中提取原料，以水作为发泡剂，具有低碳、环保、生产效率高、产品无静电、可完全生物降解等特点，一举解决了传统发泡材料在生产及使用过程中造成的环境污染问题。

产品先后通过了《GB/T 19277.1-2011受控堆肥条件下材料最终需氧生物分解能力的测定》和《GB/T 19275-2003 材料在特定微生物作用下潜在生物分解和崩解能力的评价》等国家检验标准，完全满足《快递包装绿色产品认证技术要求》，真正做到了绿色环保无污染。

为了满足市场的需求，天津佰盛环保科技有限公司与江苏飞鸽友联股份有限公司深度合作，研制了专门用于工业化生产可降解塑料发泡缓冲颗粒的智能生产设备，经过多批次试车，生产设备运行正常，发泡颗粒生产正常，更换不同的发泡模具，可生产出不同样式的发泡缓冲颗粒。对原材料进行配色后，可生产出各种不同色彩的发泡缓冲颗粒，以满足市场的不同需求。

1.发泡颗粒生产设备的主要技术参数

1）双螺杆直径：65 mm

2）螺杆数量：2根

3）螺杆有效工作长度：880 mm

4）螺杆转速：30～135 rpm

5）螺杆旋转方向：同向顺时针旋转

6）主电机功率：22KW（调频电机）

7）主电机转速：1500 rpm

8）生产能力 ：约 30～50 kg/h

9）机筒加热段数：3段

10）发泡颗粒产品输送用离心鼓风机：1.1KW

11）机器中心高度：1000 mm

12）切粒电机：0.85KW伺服电机

13）加料装置：伺服控制单螺杆喂料

14）加料电机：0.85KW伺服电机

15）外形尺寸：3600×1360×860 mm

16）重量：约3T

2.可降解塑料发泡颗粒生产设备结构简述

2.1 螺杆

该设备采用了双螺杆结构形式，它是完成可降解塑料的输送和塑化的关键零件，由于它的旋转，把粉状（或颗粒）塑料推向前，从而达到压实、熔融、混炼均化之目的。（注：可降解塑料发泡颗粒的原材料是粉状的）双螺杆的螺纹由不同螺距分段组成以达到更好的输送，压实、混炼、塑化，它能把高温区的热量自动传导到低热量的区域，所以对高温区的温度起到良好的调节作用，对整个系统起到节能效果。

2.2 机筒

双螺杆的机筒是容纳可降解塑料和螺杆的零部件，其内孔形状似“∞”，它与可降解塑料及螺杆进行直接摩擦，因此机筒由合金氮化钢制成，内孔经氮化处理，以达到较高的硬度和较好的耐磨性，并具有一定的耐磨蚀能力，在它的外表面有三组加热器，热量经机筒传递给可降解塑料，使可降解塑料熔融塑化，在安装加热器的机筒的各处部位设置有三个测温点，可实现在PLA可控加工温度范围内的自动控制。

2.3 机头联接体

机头联接体是联接机头与机筒的部件，在其外表面上安装有电热圈加热，以防止熔融可降解塑料的冷却，确保温度的恒定。

2.4 传动系统

传动系统是在选定的工艺条件下，使双螺杆以必需的扭矩均匀旋转。以完成螺杆对可降解塑料的塑化和输送，为了适应各种规格塑料制品的生产要求，螺杆应具有不同的转速，本机采用22KW调频电动机通过弹性联轴器和减速器带动分配齿轮箱，并借助于可控制实现无级调速。使螺杆的转速在30～135转/分内平滑无级调速。螺杆的转速可直接由控制版面上的转速表读得。本机还装有可与辅机同步调速的电气系统。本机采用了双螺杆一体式减速机配套。

2.5 切粒装置

当挤出塑料经过挤出模具呈发泡条状时，切粒装置通过切粒刀将条状塑料切至所需的长度，长度由刀具的转速决定，转速由伺服控制器控制伺服电机决定。

2.6 自动强制加料装置

由于可降解粉状塑料在挤出中必须采用强制输送装置，加料口的加料量必须和机头出口处出料相适应，加料量不足时，不但产量低，而且将要影响排气效果，加料量太多时，又会使机器的负荷加大，并且在排气口产生冒料，因此，特设计了螺杆式强制加料装置。在此需要特别指出，根据生产制品的物料特性和加工工艺的条件，在试车时，必须严格检查好加料量和螺杆的挤出量，因为加料螺杆的转速可无级调速。当工艺稳定后，就不必再进行单独调节，可采用一个总的调速旋钮，进行同步调速。

2.7 加热冷却系统

随着双螺杆的转速、挤出压力、外加热功率以及挤出机周围介质的温度的变化，机筒中物料的温度也会相应的发生变化，为使可降解塑料原料始终能在其加工工艺所要求的温度范围内挤出，本机设置了加热、冷却系统。加热采用加热圈加热，通过机筒传递给塑料，冷却采用鼓风机冷却。加热和冷却均可实现自动控制。

2.8 机头（造粒模具）

造粒机头是挤出机成型的重要组成部分，根据产品的形状需要，可分别设计、制作对应的模具形状及挤出孔径与孔数。

图1 可降解塑料发泡造粒机组生产设备的外观

图2 可降解塑料发泡缓冲颗粒产品图

图3 可降解塑料发泡缓冲颗粒的应用实例图

图4 可降解塑料发泡缓冲颗粒（本色）

3.可降解塑料发泡缓冲颗粒智能生产机组的主要技术创新点

首先改进了原材料的输送装置，采用了螺旋输送机稳定输送粉状的原材料。螺旋输送机可以反转，当设备需要停止运行时可以将输送机中留存的粉状原材料反向返回到料仓中，然后人工即可将其收集清理回专用的保存袋中，以保证原材料不受外界因素的影响。

基于可降解塑料发泡颗粒的原材料的特性的不同，挤出机设备采用了较短行程的双螺杆结构。由实验机转变为工业机的过程中，将双螺杆机筒多节结构改进为一体式整体结构，并对双螺杆机筒的进料口，双螺杆结构等进行优化设计与改进。改进了双螺杆挤出机机筒的温度控制系统，将温度控制精度设定在±3℃左右。对模具的流道和双螺杆的外表面进行了镀铬处理，以保证材料挤出塑化过程的顺畅。

双螺杆减速机采用了一体式结构的形式，使设备的结构更加合理，方便维护与保养。改进设计了切粒刀具，采用了高级合金工具钢制作切粒刀具，提高了刀具的耐磨性能和使用寿命。

生产机组的电气控制采用了 PLC加触摸屏的控制方式，双螺杆机筒的温度控制采用了控温模块进行准确控温。双螺杆挤出机的主电动机，原材料螺旋上料机以及发泡颗粒成品的输送采用了调频电机，挤出机料斗的原材料输送和发泡颗粒的切粒电机采用了伺服电机。设备实现了智能化管理。设备的外观采用防锈和喷塑处理，使设备更为耐用和美观。设备设计有安装吊具的位置，如果选择安装吊具，可以方便进行设备的维护保养工作。设备设计并具有安全防护装置，可减少安全事故的发生。

此外，设备配备有必要的维修保养工具，方便维护工作的进行。

下一步的研发与改进设想：

① 进一步改进并提高双螺杆的挤出塑化效率，提高双螺杆的自洁能力，进一步提高产品的延伸性能和耐水能力。

② 提高发泡颗粒单位时间的生产效率和能力。

③ 进一步研发市场需要的不同型号和样式的发泡颗粒产品。满足市场对发泡颗粒缓冲包装的不同需求。

④ 配套可降解塑料原材料的改进提高，进一步研发其他可降解塑料发泡制品的智能化成型设备。

4.可降解塑料发泡缓冲颗粒及其他发泡产品的应用前景

可降解塑料发泡缓冲颗粒产品作为一种新型的绿色环保包装产品的问世，需要市场的反复认可。

从发泡颗粒的本身特性来看，有其许多独特的优点。

① 最重要的优点在于这种可降解发泡颗粒的缓冲效果好，对需要保护的产品能够起到很好的保护作用，从而可以减少对产品的伤害和减少被保护产品的损失。

② 使用后该产品的可降解性能特别优异，自然降解率接近百分之百，并且其降解速率很快，对环境保护有很大的益处，对保护我们赖以生存的地球环境能够起到一定的较好作用。

③ 未来的发泡制品研发空间较大，比如：各种规格的发泡片材，各种规格的发泡板材等。这些产品的应用前景巨大。值得努力。

具有一定防水功能的可降解塑料发泡产品的研发也是一个较好的研究方向，值得重视。