單純?cè)偕芰先A單點(diǎn)雙層夾心注射機(jī)構(gòu)的開(kāi)發(fā)

曹亮

（寧波市海達(dá)塑料機(jī)械有限公司）

1.前言

廢舊塑料包裝回收再生塑料資源循環(huán)利用拓展了注射工程應(yīng)用領(lǐng)域，創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)了注射技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，注射不再是以往單純的狹義的注塑成型理念，而是以注射功能與其它成型功能相組合的廣義的、即“注射+”的復(fù)合成型裝備的理念[1]。往復(fù)式螺桿注射塑化革新了注射成型加工技術(shù)，注射成型原料必須具有符合注射要求的粒料，成型工藝對(duì)原料的流動(dòng)性能、形式等受到一定的限制。本文介紹了作者開(kāi)發(fā)的一種適應(yīng)于單純?cè)偕芰现苯佑糜趭A心雙層塑料制品注射的“單階注射+雙階擠注”組合的三階單點(diǎn)注射機(jī)構(gòu)及應(yīng)用實(shí)例，為廢舊塑料的綠色循環(huán)利用提供了一種創(chuàng)新的注射技術(shù)與裝備。

2.單純?cè)偕芰先A單點(diǎn)注射技術(shù)與裝備的創(chuàng)新要點(diǎn)

注射領(lǐng)域的單純?cè)偕芰现缸⑸渲破非懈钕聛?lái)的飛邊、澆口、廢品經(jīng)粉碎后直接作為注射制品的成型原料，直接注射或和填充劑物理混合后注射。

工程注射塑料制品對(duì)其表面的物化性能具有較高的要求，表層（外層）適宜用新料或復(fù)合再生達(dá)到新料性能的塑料原料，在整體性能機(jī)械達(dá)到指標(biāo)情況下，夾心內(nèi)層可用單純?cè)偕芰希詫?shí)現(xiàn)資源節(jié)約型的塑料循環(huán)利用，所以單純?cè)偕芰嫌糜谧⑺苤破返膬?nèi)層材料作為注射技術(shù)的研究方向。

2.1 單純?cè)偕芰蠑D注雙階注射混煉技術(shù)的創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)[2]

常規(guī)的由往復(fù)式螺桿注射塑化和柱塞注射兩類(lèi)機(jī)構(gòu)組成的雙階單點(diǎn)注射機(jī)難以適應(yīng)單純?cè)偕芰系淖⑸?。往?fù)式螺桿注射塑化裝置由于螺桿混煉性能的局限，達(dá)不到單純?cè)偕芰蠈?shí)現(xiàn)注射混煉質(zhì)量的要求。

單純?cè)偕芰蠑D出混煉在擠出復(fù)合多層板材領(lǐng)域已成為廣泛應(yīng)用的成熟技術(shù)。根據(jù)注射成型的特點(diǎn)，把單純?cè)偕芰蠑D出混煉技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用到注射領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)單純?cè)偕芰献⑸涑尚汀?/p>

單純?cè)偕芰蠑D注雙階注射混煉系統(tǒng)由擠出塑化混煉、柱塞注射等雙階機(jī)構(gòu)組成，結(jié)構(gòu)形式為上擠出塑化、下柱塞注射，兩者之間通過(guò)機(jī)械開(kāi)關(guān)式流道相連接。

2.2 三階單點(diǎn)注射系統(tǒng)的創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)

由2.1分析，雙階機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)夾心雙層制品的內(nèi)層單純?cè)偕芰系淖⑸洹Ｍ鶑?fù)式螺桿注射塑化實(shí)現(xiàn)夾心雙層制品的外層塑料新料的注射。

由上面對(duì)夾心雙層制品的注射工藝分析，把由三階組成的兩個(gè)系統(tǒng)組合為一個(gè)三階系統(tǒng)，即實(shí)現(xiàn)夾心雙層制品的注射。擠注雙階機(jī)構(gòu)和往復(fù)式螺桿注射塑化機(jī)構(gòu)兩者之間成角尺排列，通過(guò)夾層換向機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)流道相連接。塑化熔融料由同一注射噴嘴射出，故該注射系統(tǒng)被稱(chēng)謂三階單點(diǎn)注射系統(tǒng)。圖1為三階單點(diǎn)注射系統(tǒng)簡(jiǎn)圖。

2.3 三階單點(diǎn)注射的各階機(jī)構(gòu)/結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)

往復(fù)式螺桿注射塑化系統(tǒng)為雙缸平衡注射機(jī)構(gòu)，低速大扭矩液壓馬達(dá)直接驅(qū)動(dòng)螺桿塑化。低速大扭矩液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)擠出混煉塑化。單缸液壓動(dòng)力驅(qū)動(dòng)柱塞注射及塑化后退。各階的塑化背壓由系統(tǒng)液壓控制。系統(tǒng)移動(dòng)由同一整體移動(dòng)油缸實(shí)現(xiàn)。夾層換向機(jī)構(gòu)由主副料筒連接法蘭、夾層換向閥芯、前機(jī)筒、噴嘴等組成。

高效單螺桿擠出系統(tǒng)。適應(yīng)單純?cè)偕芰纤擅芏容^小、物料組成形狀不均勻、以及在線填充混合等特點(diǎn)，強(qiáng)化擠出螺桿的混煉塑化和縮容壓縮兩項(xiàng)性能，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采取高剪切低融塑化溫度的綜合混煉型、適當(dāng)增加加料段槽深，增強(qiáng)混煉效果，保證了最佳的分散性混合和分布性混合，實(shí)現(xiàn)高速高質(zhì)量穩(wěn)定擠出。

擠出上料及加料系統(tǒng)，根據(jù)實(shí)際需要，可配置失重加料、自動(dòng)比例混合、脈沖式上料機(jī)等加料系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)精確、穩(wěn)定的計(jì)量加料，實(shí)現(xiàn)單純?cè)偕腺Y源應(yīng)用的最大價(jià)值。

圖1 三階單點(diǎn)注射系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

2.4 三階單點(diǎn)單純?cè)偕芰想p層夾心注射的工作原理

夾層表皮材料A在主預(yù)塑機(jī)構(gòu)8的預(yù)塑馬達(dá)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)下經(jīng)過(guò)主預(yù)塑螺桿機(jī)筒6，完成夾層表皮材料A的熔融塑化計(jì)量；夾層芯材料B（粉碎的廢舊塑料與填充物）在擠出塑化機(jī)構(gòu)4的預(yù)塑馬達(dá)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)下經(jīng)過(guò)擠出塑化螺桿機(jī)筒2，完成夾層芯材料B的熔融塑化計(jì)量；塑化完成的材料A儲(chǔ)存在主螺桿料筒前端與塑化完成的材料B儲(chǔ)存在副柱塞料筒前端，等待注射。首先主螺桿以較慢的速度前進(jìn)注射，將夾層換向機(jī)構(gòu)中的主閥芯推向柱塞注射機(jī)構(gòu)，使柱塞注射機(jī)構(gòu)封閉，主注射機(jī)構(gòu)與模腔聯(lián)通，將熔融材料A注入模具型腔內(nèi)1/3-1/2。接著柱塞在液壓缸5的驅(qū)動(dòng)下，以較快的速度前進(jìn)，將夾層換向機(jī)構(gòu)中的主閥芯推向主注射機(jī)構(gòu)，使主注射機(jī)構(gòu)封閉，柱塞注射料筒機(jī)構(gòu)與模腔聯(lián)通，快速將熔融材料B注入模具型腔內(nèi)1/2-1/3，由于材料B的注射速度較快可將尚未完全固化冷卻的材料A沖開(kāi)，同時(shí)將材料A向前及模具表面推進(jìn)，材料B在材料A中處于夾層包覆狀態(tài)。然后主螺桿以較慢的速度前進(jìn)注射，將夾層換向機(jī)構(gòu)中的主閥芯推向副注射機(jī)構(gòu)，使柱塞注射流道封閉，主注射機(jī)構(gòu)與模腔聯(lián)通，將熔融材料A注入模具型腔內(nèi)的剩余空間。完成保壓冷卻，取出制品后進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。

2.5 三階單點(diǎn)注射單純?cè)偕芰系木G色循環(huán)利用的綠色特點(diǎn)

提高厚壁注塑制品的物性性能。夾心柱塞低壓注射，大幅降低了注射制品夾心及整體的內(nèi)應(yīng)力，提高了注射制品的應(yīng)力壽命周期。

廢舊塑料循環(huán)利用資源節(jié)約化。雙階擠出塑化功能實(shí)現(xiàn)單純?cè)偕芰系闹苯幼⑺埽粚?shí)現(xiàn)單純?cè)偕芰吓c填充物（碳酸鈣）充分混煉塑化、擠出、注射，實(shí)現(xiàn)資源節(jié)約化的夾心雙層制品的注塑成型，拓展了廢舊塑料的循環(huán)利用的應(yīng)用領(lǐng)域。

低碳排放注射。注塑制品低碳排放最明顯的特征是制品從原料到成品的全過(guò)程實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。單純?cè)偕芰现苯幼⑺埽〉羝胀òb塑料再生回收所必需的造粒工藝，可大幅降低制品成型能耗，節(jié)約了能源，同時(shí)防范了粉碎料造粒過(guò)程可能產(chǎn)生的二次污染風(fēng)險(xiǎn)。

適用原料范圍廣。擠出塑化過(guò)程中，廢舊塑料塑化經(jīng)歷的螺桿長(zhǎng)徑比不變，塑化質(zhì)量前后一致，使物料在熔融狀態(tài)下的比容一致性得到了保證。廢舊包裝塑料單純回收再生即可直接用于制品的注射成型，即使廢舊包裝塑料中含有較多的雜質(zhì)也可成型出合格的制品。擠出塑化具有一定的排氣能力，降低了對(duì)塑料原料干燥度的要求，提高了對(duì)廢舊塑料擠出塑化的適應(yīng)能力。

注塑制品調(diào)節(jié)范圍大。主副注射塑化機(jī)構(gòu)的使用，使注塑制品的材料組份調(diào)節(jié)范圍擴(kuò)大，成型制品重量可調(diào)性更優(yōu)。柱塞注射容量可根據(jù)客戶(hù)的實(shí)際需要實(shí)現(xiàn)模塊化配置，拓展了注射容量的適應(yīng)能力。

降低制品成本。廢舊包裝塑料破碎后和填充物在線混煉擠注，降低塑料原料成本及制造原料成本，大幅降低制品的成型加工成本，同時(shí)不影響成型制品外表面的性能及美觀質(zhì)量。

提高制品精準(zhǔn)度。單純?cè)偕芰先A單點(diǎn)雙層夾心注射，心層為單純回收料柱塞低壓注射，外層為薄膜級(jí)包覆注射成型，降低了制品應(yīng)力，顯著降低了厚壁類(lèi)注射制品的收縮量對(duì)制品表面缺陷的影響，從而提升成品的成型精準(zhǔn)度、耐環(huán)境壽命持續(xù)能。

2.6 三階單點(diǎn)注射單純?cè)偕芰想p層夾心制品成型工藝技術(shù)的研究

三階單點(diǎn)注射機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)單純?cè)偕芰想p層夾心制品的基礎(chǔ)，成型工藝技術(shù)是實(shí)現(xiàn)單純?cè)偕芰想p層夾心制品質(zhì)量的保證。

2.6.1 三階單點(diǎn)注射單純?cè)偕芰想p層夾心制品內(nèi)外層兩類(lèi)塑料物性特性的研究

雙層夾心制品由二類(lèi)塑料組成，兩者之間材料物理性能的匹配是保證制品物性質(zhì)量的關(guān)鍵。兩類(lèi)塑料物理性能主要表現(xiàn)在熔體粘度及粘結(jié)性能、收縮率及收縮量、線性熱膨脹系數(shù)及膨脹量。

內(nèi)外層兩類(lèi)相同塑料組合的塑料相容特性。內(nèi)外層同類(lèi)材料為達(dá)到結(jié)合面之間的良好物理粘合性奠定了基礎(chǔ)。塑料在不同熔融溫度下呈現(xiàn)不同的熔體粘度，影響到結(jié)合面的相容性，所以即使為同類(lèi)塑料也要控制好實(shí)現(xiàn)良好相容性的加工溫度。內(nèi)層無(wú)機(jī)填充復(fù)合塑料的熔體粘度發(fā)生變化，無(wú)機(jī)填充劑過(guò)量必然使復(fù)合材料的熔體粘度下降過(guò)大，即與外層塑料之間在同等加工溫度下熔體粘度差過(guò)大，相容性能下降，界面的粘結(jié)效果差，導(dǎo)致制品的抗震抗壓性能下降，所以必須選擇合適的加工溫度，達(dá)到內(nèi)外層之間實(shí)現(xiàn)良好的相容性。

內(nèi)外層兩類(lèi)不同塑料組合塑料相容特性[3]。夾心注塑制品，由于具有特殊的夾心結(jié)構(gòu)，還可以根據(jù)不同的需要選擇內(nèi)、外層材料，將不同塑料各自的優(yōu)良特性“組合”在一起，得到一般塑料加工無(wú)法得到的特殊制品。但當(dāng)內(nèi)外層材料不同時(shí)，通常選擇兩種通過(guò)化學(xué)鍵能夠結(jié)合在一起的材料，同時(shí)制定相容良好的兩類(lèi)塑料及合適的加工溫度，達(dá)到兩者之間良好的相容性，否則內(nèi)外層材料之間會(huì)發(fā)生剝離現(xiàn)象。假如由于某些原因選擇了兩種無(wú)法粘合在一起的材料，就必須設(shè)計(jì)一種能夠連接這兩種材料的方法，將不相容的材料互連在一起。

內(nèi)外層兩類(lèi)塑料收縮量匹配特性。內(nèi)外層各自的收縮量差異不能過(guò)大，盡量做到完全匹配，通常要求嵌入材料或芯體材料的收縮量略小，以保證兩層之間緊密結(jié)合，否則制品冷卻后外形變形、結(jié)合面可能產(chǎn)生微氣孔。注塑成型工藝實(shí)施過(guò)程中，通過(guò)對(duì)加工過(guò)程的控制，可以減少不同的收縮率和CLTE的不匹配對(duì)制品的影響。

2.6.2 三階單點(diǎn)注射單純?cè)偕芰想p層夾心制品成型工藝技術(shù)參數(shù)的研究

夾心雙層制品的成型技術(shù)，對(duì)于制品各層厚分布的選擇，加工參數(shù)及其控制技術(shù)極其重要，即便采用相同的塑料，因內(nèi)層為單純?cè)偕芰希绯尚凸に嚰夹g(shù)不當(dāng)，制品不能達(dá)到預(yù)期的質(zhì)量。熔融溫度和注射壓力是成型工藝的兩個(gè)主要技術(shù)參數(shù)。舉例來(lái)說(shuō)，當(dāng)進(jìn)行夾心注入時(shí)，如用過(guò)高溫度和壓力把熔融料注射進(jìn)外層塑料的內(nèi)腔，會(huì)產(chǎn)生對(duì)外層塑料過(guò)高壓力，從而成型制品冷卻后，夾心會(huì)呈現(xiàn)更大的收縮量，影響制品的整體形狀和尺寸精度。

改進(jìn)加工工藝，選用收縮率更低的材料并控制加工溫度，降低出模的收縮程度。

2.6.3 雙層夾心制品結(jié)構(gòu)技術(shù)設(shè)計(jì)的研究

雙層夾心制品變形可以通過(guò)以下幾種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法來(lái)實(shí)現(xiàn)最小化：

1） 將制件設(shè)計(jì)成對(duì)稱(chēng)外形，這樣可以平衡應(yīng)力，減少或消除變形。

2） 將材料實(shí)際接觸面的跨距或?qū)ζ渌糠值臓砍稖p至最小。

3） 增強(qiáng)相關(guān)部位，通過(guò)對(duì)受不同收縮率和不匹配影響最多的部位進(jìn)行增強(qiáng)，可以將變形最小化。

3.三階單點(diǎn)注射單純?cè)偕芰蠆A層注射實(shí)物成型試驗(yàn)

夾層注塑的兩類(lèi)塑料必須為相容，以達(dá)到接觸面之間牢固的粘合性。圖2是夾層雙階注射制品模型，該試驗(yàn)制品材料A為黑色PP，材料B為廢舊包裝PP塑料加50%碳酸鈣混合料。圖3是夾層雙階注射試驗(yàn)制品實(shí)物及斷面。

制品栽面分析，外表面無(wú)明顯凹凸現(xiàn)象，內(nèi)外層粘合面相容性好、無(wú)微氣孔，夾心層混煉均勻、無(wú)明顯色辦點(diǎn)。

圖2 夾層雙階注射制品模型

圖3 夾層雙階注射制品實(shí)物及斷面

4.持續(xù)拓展三階單點(diǎn)注射的應(yīng)用領(lǐng)域[4]

把擠出持續(xù)創(chuàng)新的新技術(shù)運(yùn)用到雙階擠注系統(tǒng)，結(jié)合多層模具和多層注塑技術(shù)，持續(xù)拓展持續(xù)拓展三階單點(diǎn)注射的應(yīng)用領(lǐng)域。

1） 功能化擠注雙階模塊[1]

移植多能化、多元化擠出塑化混煉技術(shù)，開(kāi)發(fā)廢舊塑料多形式高值化循環(huán)利用功能化模塊，例如，“廢舊塑料+增強(qiáng)纖維”復(fù)雜再生塑料在線配混擠注模塊、“廢舊塑料+真空排氣）”免干燥擠注模塊、“廢舊塑料+改性劑”復(fù)雜再生塑料在線配混擠注模塊，等等，拓展更多的綠色化擠注功能。

2） 資源節(jié)約型工程塑料制品應(yīng)用領(lǐng)域

結(jié)合雙層模具技術(shù)，夾心雙層注塑實(shí)現(xiàn)高分子材料應(yīng)用價(jià)值最大化。功能化的外層（表觀）優(yōu)質(zhì)材料應(yīng)用最小化，內(nèi)層單純?cè)偕牧侠寐首畲蠡?/p>

外層采用增強(qiáng)塑料，內(nèi)層為非增強(qiáng)的廢舊再生塑料，主要用于承受彎曲應(yīng)力和負(fù)載作用在表面的工程塑料制品。外層為耐磨材料，內(nèi)層為廢舊塑料填充配混的高強(qiáng)度再生材料，用于成型表面耐磨，具有低的磨擦因數(shù),同時(shí)整體又具有較高強(qiáng)度的工程塑料制品。

外層為高光潔度材料，內(nèi)層為廢舊塑料混煉的增強(qiáng)再生塑料，以達(dá)到制品外觀美和強(qiáng)度高度的統(tǒng)一的工程塑料制品。例如內(nèi)層為“廢舊塑料+玻璃纖維”復(fù)合材料，擠出混煉保證了制品中的玻纖最大長(zhǎng)度，長(zhǎng)玻纖的增強(qiáng)功能得到充分發(fā)揮，成型制品的強(qiáng)度、剛度得到顯著提高。

表面為裝飾性功能化新料，內(nèi)部為廢舊回收再生塑料的工程塑料制品。例如，塑料鍍鉻把手，表面鍍鉻的材料用ABS，內(nèi)部用廢舊塑料，不降低把手的性能和功能，同時(shí)又實(shí)現(xiàn)廢舊塑料的循環(huán)利用。

3） 輕量化夾心雙組分塑料制品應(yīng)用領(lǐng)域

可實(shí)現(xiàn)內(nèi)部為發(fā)泡材料、外部為硬質(zhì)材料完全包覆的特殊結(jié)構(gòu)的雙組分輕量化塑料制品注射成型，實(shí)現(xiàn)制品輕量化、資源節(jié)約化、功能拓展化。夾心注射模塑用于生產(chǎn)夾心發(fā)泡制品時(shí)，先由往復(fù)式螺桿注射（圖1中序號(hào)6系統(tǒng)）表層材料(即不含發(fā)泡劑的A材料)，隨后由擠出塑化注射（圖1中擠注系統(tǒng)）將內(nèi)層材料(含發(fā)泡劑的B材料)經(jīng)同一澆口的另一流道與還在注射的A材料同時(shí)注入模具，最后再次注入A材科使?jié)部诜忾]。制品取出后，再去掉澆口即得到具有不發(fā)泡致密表層和有芯部發(fā)泡的輕質(zhì)制品。

5.結(jié)論

實(shí)際注塑成型試驗(yàn)制品表明，所開(kāi)發(fā)單純?cè)偕芰先A單點(diǎn)雙層夾心注射機(jī)構(gòu)，是一種環(huán)保、節(jié)能、綠色的新型注射裝置，是廢舊包裝塑料再生回收利用的一種有效設(shè)備，為注塑雙層夾心制品創(chuàng)造了成型加工條件，但要實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)的雙層夾心注塑制品及其應(yīng)用技術(shù)和領(lǐng)域，還有大量的理論研究及實(shí)踐需持續(xù)創(chuàng)新。

單純?cè)偕芰先A單點(diǎn)雙層夾心注射機(jī)構(gòu)的開(kāi)發(fā)說(shuō)明注塑機(jī)由單一注塑功能向復(fù)合注塑功能創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)，革新長(zhǎng)期來(lái)開(kāi)發(fā)注射機(jī)存在的“就注射機(jī)而注射機(jī)”的開(kāi)發(fā)理念，樹(shù)立“注射+”復(fù)合成型裝備的創(chuàng)新開(kāi)發(fā)理念，發(fā)明創(chuàng)造新穎注射裝備，為“現(xiàn)實(shí)”、“潛在”科技貢獻(xiàn)更大成績(jī)。實(shí)現(xiàn)廢舊塑料的循環(huán)利用的可持續(xù)發(fā)展。