陶永亮1,周鑫2

(1.重慶川儀工程塑料有限公司，重慶400712；

2.重慶科聚孚新材料有限責(zé)任公司，重慶401332)

摘 要：吸濕性是由塑料中親水基團(tuán)給材料帶來的特性，為了消除塑料吸濕性，人們通過各種干燥裝置對(duì)塑料預(yù)先干燥，但投入物力人力較多、成本高。本文講述了傳統(tǒng)塑料機(jī)干燥方法不足之處和免烘干注塑機(jī)基本原理，分析了免烘干注塑機(jī)在實(shí)際使用中的優(yōu)勢(shì)，將改變傳統(tǒng)烘料工藝，吸濕性材料直接進(jìn)行注塑產(chǎn)品，結(jié)合了現(xiàn)場PA6、PET、PC（PMMA）等常用塑料使用情況，塑件均達(dá)到要求，免烘干注塑機(jī)將成為節(jié)能低碳綠色注塑的趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：免烘干注塑；低碳綠色；穩(wěn)定加工：提升質(zhì)量；節(jié)能增效

塑料注射成型機(jī)（以下簡稱注塑機(jī))[1]。注塑機(jī)是將熱塑（熱固）性塑料通過成型模具制成各種所需形狀產(chǎn)品的成型加工設(shè)備[2]。注塑機(jī)研發(fā)與制造是塑料工業(yè)發(fā)展的重要支柱產(chǎn)業(yè)，已作為注塑產(chǎn)品的生產(chǎn)母機(jī)。注塑機(jī)是我國制造生產(chǎn)和現(xiàn)場應(yīng)用量最大的塑料成型機(jī)之一。我國第一臺(tái)注塑機(jī)誕生于1958年[3]，經(jīng)過60多年發(fā)展，目前從鎖模力從2t到8500t，注塑量10g到140kg以上的大部分機(jī)型均能自主生產(chǎn)，機(jī)型齊全。其中8500t注塑機(jī)實(shí)現(xiàn)了超大型注塑機(jī)在全球同行業(yè)的領(lǐng)先地位[4~5]。在注塑中，對(duì)于吸濕性材料必須要烘料干燥后才能進(jìn)行注塑，烘料干燥是注塑成型工藝中不可或缺的重要環(huán)節(jié)之一。烘料裝置是注塑中必不可少的周邊設(shè)備，對(duì)注塑與表面質(zhì)量起著重要作用。烘料裝置耗能較大，僅注塑機(jī)上烘料斗加熱用電占到了15%[6]，使用較廣的200kg烘料桶一小時(shí)用電3.3kW.h（度），烘料裝置投入等也是較大。現(xiàn)在免烘干注塑機(jī)問世將改變傳統(tǒng)烘料工藝，吸濕性材料直接進(jìn)行注塑產(chǎn)品，且達(dá)到塑件要求，免烘干注塑機(jī)將是節(jié)能低碳綠色注塑的方向。

1 免烘干注塑機(jī)基本原理與概況

1.1 傳統(tǒng)塑料干燥機(jī)原理

一般傳統(tǒng)塑料干燥機(jī)工作原理：在風(fēng)機(jī)吹風(fēng)作用于內(nèi)部發(fā)熱管的熱風(fēng)吹入錐型料斗內(nèi)部，有上下篩網(wǎng)與料斗表面作為通風(fēng)入干燥機(jī)桶內(nèi)→發(fā)熱絲通電→風(fēng)機(jī)吹風(fēng)的作用下→風(fēng)吹入料桶達(dá)到干燥的目的[7]。傳統(tǒng)干燥機(jī)存在著無智能檢測傳感器，無法智能控制干燥風(fēng)量大小，是恒風(fēng)量運(yùn)行，耗電量較大、熱能轉(zhuǎn)換率低下、能量浪費(fèi)很大等情況[8]，干燥效果并不很滿意。企業(yè)做產(chǎn)品材料一致性強(qiáng)，采用集中烘料，再通過輸送管傳送到每一臺(tái)注塑機(jī)上，這樣的操作也是花費(fèi)設(shè)備投入，人力費(fèi)用和能耗。如圖1所示。塑料中水分較多，導(dǎo)致塑料剪切黏度降低，往往不當(dāng)?shù)母稍?，將給塑件帶來較多缺陷，包括銀紋，強(qiáng)度不夠，起皮，無光澤和透明度不夠等。為了達(dá)到塑料干燥目的，有的企業(yè)先把原料在烘箱干燥后，再送入隨機(jī)烘料斗里，但是普通料斗式干燥及烘箱干燥，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足工程塑料干燥要求，除濕干燥機(jī)，真空除濕干燥機(jī)已經(jīng)進(jìn)入了千家萬戶企業(yè)，這些硬件投入都是很昂貴，無形中給企業(yè)增添了不少負(fù)擔(dān)。

圖1 烘料斗示意圖

1.2 免烘干注塑機(jī)原理

免烘干注塑機(jī)簡稱排氣式注塑機(jī)。在成型加工中，材料中常含有超量濕氣和水分，如果不排除掉會(huì)影響產(chǎn)品表面質(zhì)量，對(duì)于黏附在料粒外面水分，可以用烘干設(shè)備和干燥設(shè)備除去，但是還有一些材料是在加工過程中，例如在螺桿預(yù)塑時(shí)，一部分水分和溶在高分子中的揮發(fā)物會(huì)逸出來，這部分氣體或水分只有在排氣式注塑機(jī)上才能完成排除；保證符合質(zhì)量要求的制品，并簡化干燥設(shè)備，減少能量消耗，縮短的成型周期,排氣式注塑機(jī)是很有發(fā)展前途的設(shè)備。免烘干注塑機(jī)基本原理：注塑機(jī)在塑化單元上增設(shè)了排氣功能或裝置[9]，機(jī)體上設(shè)有用于廢氣回收的裝置。沒有經(jīng)過烘料處理塑料顆粒，在通過料筒塑化過程中，在螺桿作用下，將塑料中水分通過螺桿與料筒中排氣設(shè)置，在注塑到模具前，將水分等排除出料筒之外。較好地節(jié)省了傳統(tǒng)注塑機(jī)注塑產(chǎn)品前對(duì)材料干燥步驟，達(dá)到了節(jié)能減排、綠色環(huán)保目的[10]。

排氣式注塑機(jī)和普通注塑機(jī)的塑化裝置區(qū)別是塑化部件，螺桿是往復(fù)式排氣式螺桿，如圖2，3所示。排氣式注塑機(jī)的塑化注射機(jī)筒上有排氣孔，塑料熔體中含有揮發(fā)性氣體和水分等能直接排出機(jī)筒之外、排入大氣中[11]，也可通過管路與抽真空系統(tǒng)連接，使排氣口部位產(chǎn)生負(fù)氣壓，以加快氣體排出。排氣式螺桿結(jié)構(gòu)上分成前后兩段，第一段為加料段、壓縮段與計(jì)量段；第二段為減壓段、壓縮段與計(jì)量段。材料在排氣式螺桿里工作過程：塑料經(jīng)過熔融、壓縮→熔料減壓→熔料內(nèi)氣體膨脹→氣泡破裂并與熔體分離→排氣[12]，經(jīng)過排氣后熔體進(jìn)一步進(jìn)行剪切均化。塑料從加料口，進(jìn)入第一階段螺桿后經(jīng)過第一段加料段輸送，壓縮段熔體已成為黏彈狀態(tài)，再經(jīng)過一段末端過渡剪切元件使熔體變薄，氣體附著在熔體層表面上，進(jìn)入二段螺桿減壓段。減壓段螺槽突然變深，容積增大，同時(shí)減壓段料筒上設(shè)有排氣孔，其孔連接排入大氣裝置或接入真空泵貯罐裝置，當(dāng)減壓段螺槽中熔體壓力快速降低至零或負(fù)壓，熔體中受到壓縮水蒸氣或各種氣化揮發(fā)性物質(zhì)通過氣泡破裂時(shí)，能從熔體中脫出，從排氣口排出。脫除氣體熔體經(jīng)第二段壓縮段和計(jì)量段進(jìn)一步塑化，從熔體內(nèi)部排至表面上小氣泡容易逸出并排入大氣[13]。

在排氣注塑成型中，熔體在減壓段螺槽中所占橫截面積、停留時(shí)間、剪切效果都與排氣效率息息相關(guān)。當(dāng)橫截面積小時(shí)（即充滿程度?。⑼Ａ魰r(shí)間長、剪切作用大，則排氣效率較高。這有較充分時(shí)間和空間使各種氣體能從熔體表面釋放出來，剪切作用促使熔體內(nèi)氣泡破裂，且容易克服周圍介質(zhì)阻力而釋放[14]。

1—噴嘴；2—前段機(jī)筒；3—螺桿；4一主機(jī)筒；5—排氣孔；6—料斗

I—螺桿的第一階段；Ⅱ—螺桿的排氣區(qū)；Ⅲ—螺桿的第二階段

圖2 排氣式注塑機(jī)機(jī)筒和螺桿結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 排氣式注塑機(jī)機(jī)筒排氣孔示意圖

排氣式注塑機(jī)控制系統(tǒng)采用全閉環(huán)響應(yīng)設(shè)計(jì)，伺服驅(qū)動(dòng)，高效節(jié)能加熱圈、注射重量控制精度在0.3%以下，均屬精密注塑機(jī)范疇。射速在120~140mm/s，射出位置精度在0.1mm之內(nèi)；鎖?？刂凭?mm之內(nèi)；生產(chǎn)過程中的所有重要數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)智能化，數(shù)字化管理，機(jī)臺(tái)重要數(shù)據(jù)都有記錄，均可導(dǎo)出。實(shí)現(xiàn)注塑機(jī)遠(yuǎn)程控制和檢查，實(shí)現(xiàn)問題故障預(yù)測和評(píng)估在制造廠家的電腦終端體現(xiàn)出來，實(shí)現(xiàn)快速診斷[13]。

1.3 免烘干注塑機(jī)優(yōu)勢(shì)

排氣原理很早就有應(yīng)用，直到20世紀(jì)60年代才出現(xiàn)在排氣式注塑機(jī)。由于當(dāng)時(shí)技術(shù)、成本等各方面的原因，在較長的時(shí)間里面沒有得到發(fā)展。隨著時(shí)代發(fā)展，人們對(duì)塑件加工要求提升和產(chǎn)品質(zhì)量要求提高。對(duì)排氣注塑機(jī)需求人們又重新重視起來，這樣推動(dòng)了排氣式注塑機(jī)研發(fā)與制造。免烘料注塑機(jī)的問世，給注塑帶來了無需將吸水較強(qiáng)的材料進(jìn)行烘干，減少其工序，節(jié)約時(shí)間；可以除去低分子揮發(fā)物至最低限度，提高塑料產(chǎn)品機(jī)械強(qiáng)度，改善其外觀質(zhì)量[15]；使材料容易成型加工，能得到光滑表面的產(chǎn)品；可以利用加工回收料、或存放不妥的原料[16]；減少不良品，提高生產(chǎn)效率，對(duì)于各種著色材料更換時(shí)，節(jié)約時(shí)間，提高功效；減少專用干燥設(shè)備與場地，節(jié)約電能、達(dá)到節(jié)約成本；更重要地符合低碳綠色制造理念。

在注塑加工時(shí)，塑料在料筒里塑化時(shí)，濕氣和揮發(fā)物排不干凈帶入產(chǎn)品中，容易使產(chǎn)品性能下降與出現(xiàn)各種外觀缺陷等。對(duì)于高價(jià)值工程塑料，如聚碳酸酯、聚酰胺、聚甲苯丙烯酸酯、醋酸纖維素、ABS、AS等在產(chǎn)品表面極為明顯，包括聚烯烴類塑料經(jīng)過增強(qiáng)改性后，添加了纖維和其他助劑后，導(dǎo)致增強(qiáng)改性材料具有吸濕性，還包括生物基降解塑料等材料都需要干燥處理，由此可見需干燥處理材料占著很大的比例。一般在注塑加工前要除濕、干燥處理。需投入高性能的除濕干燥設(shè)備以及維護(hù)，還需合理的干燥溫度、干燥時(shí)間等工藝條件，這樣的操作對(duì)水分和揮發(fā)物排除不一定很有效果。且除濕干燥工序已成為提高效率、實(shí)現(xiàn)注射成型自動(dòng)化的一個(gè)障礙[17]。由此，用戶急需要一種免干燥排氣式設(shè)備來解決烘料帶來的諸多問題。

2 免烘干注塑機(jī)應(yīng)用案例

2.1 手電鉆機(jī)殼節(jié)電測試

手電鉆機(jī)殼產(chǎn)品選用PA6改性材料制作，產(chǎn)品凈重為294g，尼龍是極易吸水且不容易烘干的材料，選用238t免烘干注塑機(jī)生產(chǎn)，并進(jìn)行電能測試做比較。產(chǎn)品成型周期為48s。如圖4所示，電表起始度數(shù)為4171.46，試驗(yàn)時(shí)間為連續(xù)生產(chǎn)6h后電表度數(shù)為4220.63，即4220.63-4171.46=49.17/6=8.195，實(shí)際耗電每小時(shí)8.19度（k.Wh）?？蛻粼闷胀?00 t注塑機(jī)生產(chǎn)（包括烘料斗運(yùn)行），耗電每小時(shí)13.6度（k.Wh），免烘干塑機(jī)比原先普通200t注塑機(jī)每小時(shí)節(jié)省5.3度（k.Wh），顯示出免烘干塑機(jī)無需預(yù)干燥，節(jié)約電能，比普通注塑機(jī)節(jié)電30%以上。同時(shí)，手電鉆機(jī)殼產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中，模具溫度60~100℃,實(shí)現(xiàn)質(zhì)量穩(wěn)定，節(jié)能增效的雙贏。

(a)手電鉆機(jī)殼示意與重量  （b）試驗(yàn)前電表初始值4171.46  （c）試驗(yàn)后電表終止值4220.63

圖4手電鉆機(jī)殼免烘干塑機(jī)節(jié)能試驗(yàn)示意圖

2.2 電冰箱收納盒PET質(zhì)量穩(wěn)定

電冰箱收納盒產(chǎn)品選用PET（Polyethyleneterephthalate）聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯材料制作。產(chǎn)品重量200g，一模出一件，熱流道中心直澆口進(jìn)料，如圖5所示。PET材料不用烘料，直接倒進(jìn)料斗里加工，調(diào)機(jī)到第五、六模時(shí)，產(chǎn)品外觀質(zhì)量達(dá)到要求，產(chǎn)品中沒有銀絲缺陷，說明注塑料中不含水分。用戶直接進(jìn)行批量生產(chǎn)。在普通注塑機(jī)生產(chǎn)，PET需要干燥溫度120~140℃、4~6h烘料過程，經(jīng)常因烘料不好，造成調(diào)車中廢品增加。PET加工時(shí)，要用模溫機(jī)進(jìn)行模溫控制，一般在100~140℃,薄件取小值，壁厚取大值。模溫直接影響熔體的冷卻速度和結(jié)晶度，結(jié)晶度不同、塑件性能不同[18]。

圖5電冰箱里收納盒

2.3 PC鏡片一出六模達(dá)到要求

500度近視鏡片產(chǎn)品用聚碳酸酯（PC）制作，采用一模出六件。PC鏡片加工過程中對(duì)烘料有很高的要求，烘料不到位，PC材料本身折射率改變以及應(yīng)力雙折射等，都會(huì)對(duì)鏡片成像質(zhì)量產(chǎn)生影響[19]。普通注塑機(jī)加工鏡片，烘料溫度120℃,一般4~6h。因烘料不當(dāng)時(shí)產(chǎn)品容易出現(xiàn)銀絲、料痕、黑點(diǎn)等缺陷，加上鏡片中間厚度較厚些，給產(chǎn)品注塑帶來較大的困難。采用免烘干注塑機(jī)加工，模溫范圍80~120℃。模具做了一些調(diào)整，主要在每個(gè)鏡片末端加排氣井，便于注塑時(shí)容易排氣，注塑起初時(shí)調(diào)整工藝?yán)速M(fèi)10模后，基本上生產(chǎn)穩(wěn)定，產(chǎn)品透明度好，表面質(zhì)量好，得到用戶的認(rèn)同。如6所示。

（a）透鏡一出六示意圖  （b）單個(gè)透鏡示意圖

圖6  500度PC近視鏡片示意圖

近視鏡片也有用亞克力制作，圖7所示。400度近視鏡片采用聚甲基丙烯酸甲酯（poly(methylmethacrylate，簡稱PMMA）材料加工，也稱有機(jī)玻璃，采用一模出八件。PMMA在普通注塑機(jī)上加工，烘料溫度在80℃,烘料時(shí)間4~6h。采用免烘干注塑機(jī)加工，模溫范圍60~90℃,生產(chǎn)穩(wěn)定，產(chǎn)品質(zhì)量好。

圖7  400度PMMMA近視鏡片示意圖

2.4  P6-GF30轉(zhuǎn)子端蓋一出四模達(dá)到要求

在微型電機(jī)轉(zhuǎn)子和銅線圈之間繞線時(shí)常會(huì)轉(zhuǎn)子和銅線碰擦影響電機(jī)性能。現(xiàn)轉(zhuǎn)子兩端套上一個(gè)端蓋，在崁線時(shí)線不被轉(zhuǎn)子上銳角等碰傷而影響整個(gè)微電機(jī)的絕緣性能[20]。端蓋周邊厚度均為0.5mm，取負(fù)公差0.1mm，厚了占繞線空間，長度為15mm，能封住口部就可。轉(zhuǎn)子端蓋用P6-GF30材料制作，材料需要干燥處理。其材料吸水性強(qiáng)，干燥時(shí)間較長，容易發(fā)黃，影響使用效果?，F(xiàn)在采用110t免烘干注塑機(jī)加工，模溫70~100℃之間，一模出四，產(chǎn)品和澆口重60g，每分鐘4模，生產(chǎn)穩(wěn)定，產(chǎn)品不發(fā)黃，沒有異常情況。

圖8 端蓋安裝在轉(zhuǎn)子上示意圖

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圖9 轉(zhuǎn)子端蓋現(xiàn)場生產(chǎn)示意圖

3 結(jié)束語

通過對(duì)PC、PET、PA6等材料在免烘干注塑機(jī)應(yīng)用取得了成功，尤其透明件注塑成型的產(chǎn)品不僅美觀，而且透明度極高，驗(yàn)證免烘干注塑機(jī)的應(yīng)有功效，為吸濕性材料直接進(jìn)行注塑產(chǎn)品開拓了廣闊的前景。目前除了個(gè)別塑料不需干燥處理，而大多數(shù)塑料需要干燥處理，我國使用傳統(tǒng)式注塑機(jī)居多，烘料干燥設(shè)備配套也多，僅烘料干燥方面要消耗了更多地電力能源與人力，而免烘干注塑機(jī)的問世，將改變傳統(tǒng)烘料干燥方式，塑料直接加工成型，符合產(chǎn)品質(zhì)量要求，其將帶動(dòng)整個(gè)注塑行業(yè)向節(jié)能低碳綠色方向發(fā)展的趨勢(shì)，推廣免烘干注塑勢(shì)在必行。

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