4.2 基于生態環境保護原則的注射機構/結構的新常態創新驅動

注射機構的主要功能是實現對塑料原料熔融的塑化及射出，以綠色成型技術為出發點進行注塑機構的綠色設計。

基于生態環境保護原則的綠色注射機構的設計的科學發展的研發重點：

1）VOC排放控制。螺桿塑化剪切性能是VOC排放控制的重點。塑料原料是一種高分子化合物，不同的塑料原料由固體受熱為熔融體的過程中，除了發生物理變化，還發生化學變化，特別是一些受熱易分解的塑料，如PVC、PC、PET等，如熔融熱的不到有效的控制，VOC易分解污染環境、有害人體健康的氣體。

2)熱污染控制。機筒加熱的熱污染是整機熱污染控制的重點。

3）塑料資源節約型成型。提高回料/廢料的直接回收塑化、注塑能力，提高塑料資源的利用率。高分子材料在線復合的塑化注射，節約塑料資源。

4）提高能效，降低能耗。提高塑化、注射的動力傳動/驅動效率，提高能效。采用高熱效率的加熱系統，節約能耗。

4.2.1 清潔高效交流伺服電機直接驅動塑化注射機構

清潔高效交流伺服電機驅動塑化注射機構起源于日本。低速大轉矩交流力矩伺服電機直接驅動螺桿塑化，省去同步帶等減速機構，提高傳動效率。全電動注塑機的注射裝置所采用的伺服電機有兩種結構，一種用同步帶帶動，一種用電機直接轉動。不用皮帶，結構較簡單，但要求電機轉速較低、轉動力矩大，而且超載保護作用較弱。不過總的來說，采用伺服電機控制螺桿的塑化計量精度較高，轉速也較穩定，還可以多級調節。采用伺服電機帶動滾珠絲桿驅動螺桿進行注射，由于此時滾珠絲桿負載大，高速旋轉磨損也比較嚴重。

住友(SHI)德馬格全電動注塑機驅動理念是基于創新的直接驅動技術。采用直接驅動技術的注塑機和非直接驅動技術的注塑機相比，前者不僅提供了更高的節能效率，而且由于其具有更靈敏的響應速度從而確保了更高的精確度，重復性以及更短的運行時間。直接驅動技術 更好地滿足了生產廠商對于大批量生產的精密注塑件的質量要求，提高能源利用率，伺服電機驅動所產生的熱量小。

Krauss Maffei公司EX 系列全電動注塑成型機，塑化和注射的兩個裝置安裝在不帶同步帶傳動裝置的同一軸上的兩臺相聯直接驅動器驅動，每根軸分別由單獨的電機驅動，保證了運行方向直接將力傳遞給螺桿，減少了運動鏈和橫向力，伺服電機直接驅動滾珠絲桿，提高了傳動精度及傳動效率。威猛巴頓菲爾EcoPower新型全電動注塑機系列，結構緊湊的無同步帶機構的伺服電機驅動注射系統，配有伺服電機直接驅動式合模裝置。EcoPower配有專業設計的驅動系統，從而避免通常產生的制動能量消耗，也不需要配備昂貴的專用系統進行制動能量回收。

4.2.2  低分解低能耗的塑化螺桿

綠色塑化螺桿的主要特點是實現低溫的勻質熔融，螺桿剪切熱被原料塑化全部吸收，減少對機筒加熱量的需求。低溫塑化性能意味著低分解，低分解意味著低污染。

塑料注塑制品加工過程中及成型制品中VOC超標，并不是塑料原料所含的有害物質超標，而往往是塑料原料成型加工為塑料材料或制品的熔融塑化工程中，由于設備熔融塑化性能不佳，剪切熱過高，造成塑料原料內含某些物質過度分解而超過衛生標準。內部的一些有害物質在常溫下不對人體健康產生影響，而在超過分解溫度下易分解對人體健康產生影響；一些填充劑，在適宜的塑化剪切熱下，不會分解為有毒物質。綠色化塑化技術使塑料原料在塑化熔融過程中，有效控制剪切熱，達到低溫塑化，不產生對人體有害物質的分解，或將有害物質的分解控制在標準之內，達到成型后塑料制品符合安全健康標準。

性能差的螺桿，不但塑化動力驅動能耗高，而且剪切產生的過多的無效熱能不但降低塑化質量，而且不得不采取人為的散熱裝置。對此重要的塑化件，國內注塑機制造商知道其重要性但沒有放在重要的設計研究上，而一些螺桿制造商即使有所研究但因不涉及自己的切身利益也是膚淺的。

EVOH的成型溫度相對容許范圍較窄，一般高乙烯含量牌號為190°C~220°C，低乙烯含量牌號為210°C~230°C。成型溫度過高的話，伴隨分解反應時，會發生架橋反應，由此而產生晶點，進一步分解會產生發泡。螺桿的設計理念是盡量不帶給EVOH不必要的熱量，推薦L/D=24-30、全螺線型、壓縮比為3.0~3.5的螺桿。

4.2.2.1 專用化低溫熔融性能的綠色塑化螺桿

熱敏性塑料低溫熔融性能的塑化螺桿。熱敏性塑料在螺桿剪切熱突變工況下，極易分解而污染環境。國內對易分解塑料的塑化螺桿的結構設計普遍不合理，不能有效控制塑化剪切熱。PC塑化螺桿，不能有效控制塑化剪切熱，成型加工制品表面發黃的現象屢見不鮮，同時增大雙酚A的析出率。PVC塑化螺桿，套用PVC塑化擠出螺桿的型式，采用強烈剪切實行塑化，氯乙烯單體分解率得不到控制而析出機筒，不但嚴重污染環境，而且與空氣中水分結合成鹽酸而腐蝕設備和周邊金屬件，加速了資源損耗；為了對不合理的塑化螺桿產生的過量剪切熱降溫，塑化機筒上又設置冷卻風扇，進行降溫，這種設計既增加了能量的消耗，又達不到有效的質量控制。國內一些單位缺乏獨立綠色設計創新能力，抄襲照搬，繆誤變為真理，嚴重阻礙了塑化螺桿的綠色設計的發展。作者開發的不需格外風扇冷卻、有效控制氯乙烯單體分解率的PVC塑化螺桿，二十多年來生產正常，說明易分解塑料的塑化螺桿的降低環境污染的綠色設計大有可為。

PC低溫熔融性能的綠色塑化螺桿設計。功能化的螺桿在提高塑化質量的前提下，實現節能化。作者在7800kN合模力的注塑機上研發的加工PC的專用螺桿，在溫度240度條件下，達到良好的塑化注射性能。另一臺7800kN合模力的注塑機上使用其它公司研發的同直徑的PC專用螺桿，在溫度240度條件下，根本不能塑化，溫度達到275度才能塑化，而且注射出的熔料發黃變質，達不到塑化質量要求，從能耗方面來說，前者比后者節能近13％，而且塑化性能良。這說明了螺桿的塑化節能性能大有研究可為。

4.2.2.2 生物基塑料低溫熔融性能的塑化螺桿

生物基塑料加工窗口很窄，如PHBV，熔點 154.44℃，但其降解溫度為182.22℃，加工窗口就非常窄。一旦過熱，就會造成凝膠、黑斑或者黃變。注射量達到機筒容積的30%~80%。每一次注射都要把所有的樹脂都注射出去。加工螺桿為漸變型、單螺紋螺桿，熔體不會受到過度的剪切。PLA、PHA生物聚合物，推薦使用壓縮比為2.5:1、長徑比為22:1的螺桿，淀粉基生物聚合物注射成型，壓縮比2.2:1、長徑比25:1的螺桿。塑化速度50~150r/min。注射壓力120MPa。熔融溫度180℃左右。

半結晶塑料，結晶速度較慢。熱敏性。干燥至0.1%含水量。對模具填充不平衡的敏感性。一個很小的流動不平衡度會導致嚴重的缺料和溢料，從而顯著增加廢品率。成型周期短。在機筒中保持較短的停留時間。高溫下停留時間過久，會使分子量由較大的損失，最終導致流血性能下降，機筒容量和注塑量之比為2:1~4:1. 結晶速度較慢，允許較長的注射時間。模溫60⁰C。最快結晶率發生在60⁰C。在60⁰C以下，不會加快結晶速度，而冷卻時間大幅增加。耗電量較ABS或PC降低約20%。機筒加熱溫度反向分布，控制聚合物的熔融和限制分子量的損失。

4.2.2.3  低溫熔融性能的分離型螺桿

分離型螺桿的塑化性能與壓縮比無關，有利于低溫塑化，提高能效。分離型螺桿在擠出塑化上已得到廣泛應用。分離型螺桿在注塑機上應用，雖然以已有二十多年了，但仍未得到推廣，主要原因是制造成本高，設計方面未掌握扎實的理論基礎及工業設計理論，也是一個重要的原因。

節能性能。分離型螺桿提高了塑化均質，同比于普通螺桿相比，塑化背壓可下降30~50%。

4.2.2.4 高速節能薄壁注射螺桿

高速薄壁注射螺桿，首先要了解高速薄壁注射成形的主要特點。高速注射一般指注射速度大于300mm/s，有的已達到1000mm/s的注射速度。薄壁件是指制品壁厚小于1.5mm的制品。注射壓力200MPa以上，有的仍至達到350MPa。適合于制作薄壁塑料件的塑料品種主要有ABS、PC、PMMA、PC/ABS、MPPO等工程塑料。為達到高速注射，液壓系統都配蓄能器作為高速注射的動力。高速注射的時間很短，一般不超過1秒。高速注射的高分子材料為工程塑料，制品一般為小型的精密制品，所以計量行程短，注射量小。為符合精密制品的要求，要求熔融料塑化均一，計量精確。根據以上要求，設計高速薄壁注射螺桿。注射行程最小不能小于0.12D，最大不能超過2D，控制在1D之內。蓄能器發揮高速動能作用的時間僅為5ms，這樣，注射時間一般控制在0.5秒～1秒。為使加料時，空氣不進入固體料，要求加料行程短，即注射行程短。注射行程短，有利于減少高速注射時熔體對固體床破壞的影響。注射行程短即塑化量小，這意味著材料在機筒內滯留的時間更短，從而會導致制品性能下降。根據這一特點，高速薄壁注射螺桿均化段的螺槽深度應小于普通螺桿，螺槽容積應與注射塑化量匹配。螺桿直徑應與塑化量匹配。

    止回環的導向精度和關閉靈敏度，必需給予考慮。從螺桿設計角度來說，要解決高速注射所產生的一系列問題。

    注射行程短和注射時間短是高速薄壁注射的注要特點。注射行程短即塑化行程短有利于達到熔融料的軸向溫差。

4.2.3 澆口回料直接回收塑化

澆口回料在線直接粉碎后塑化，省卻澆口料清洗、粉碎及擠出造粒的能耗，以及杜絕在此造粒過程中污染的渠道。根據不同的塑料采用不同的直接回收塑化的綠色設計。常規螺桿上增加混煉的設計，實現非結晶型澆口料直接回收塑化。結晶型澆口料直接回收塑化，單一的改變螺桿設計不能解決問題，應從整個塑化部件進行整體的綠色設計。

赫斯基HyPET再生粉碎料（RF）系統，采用食用級再生PET粉碎料生產瓶坯的注塑系統。HyPET^TMRF食品級再生粉碎瓶坯注射系統，經過不斷改進，由使用50%比例的再生粉碎料提高到100%比例的再生粉碎料，節約了回料的接觸造粒能耗，大幅降低了生產成本。作為一套經過專門優化的注塑系統，增加了新的功能，如：在線溶料過濾可防止出現可能影響瓶體質量的黑斑和其他污染物；全新的擠出塑化設計能夠更好地處理顆粒與粉碎料的混合物，從而解決了使用再生PET粉碎料生產PET瓶特定的技術難題。

4.2.4 本色粒料直接染色塑化

本色粒料直接用染料伴混染色，省卻價格昂貴的色母料，節約了伴混染色的設備運行的能耗，降低制品成本。國內PP有色日用制品的注塑，都采用本色粒料直接用染料伴混染色塑化，但普遍存在的問題是成品內部的顏色分布不均，說明螺桿的混煉性能差，往往在螺桿設計上增加混煉段，但未能取得實質性的改進。PP為半結晶高分子材料，混煉的作用主要增加剪切能力,對剪切不敏感PP的塑化基本不產生作用，唯有增加螺桿的長徑比，從常規的20增加到23~25，達到增加PP塑化的逗留的時間，使PP料塑化質量均一，染料也達到均勻分布。

4.2.5 引領塑化加熱低碳排放的加熱系統

塑料制品成型是固態塑料原料-加熱成熔體-冷卻為固態的過程，加熱是不可缺少的環節。傳統加熱系統設計，往往僅從加熱性能、成本上考慮，例如，為降低成本采用不銹鋼皮電阻絲加熱圈，為提高熱容量采用陶瓷電阻絲加熱圈，為提高使用壽命采用鑄鋁電阻絲加熱圈。電阻絲類加熱圈，加熱件本體發熱將熱量傳導給被加熱件，由于被加熱件與加熱圈不可能做到無間隙配合，中間有一層空氣隔熱層，降低了熱效率，同時加熱件本體向周圍環境散發熱量，能耗損失大，加熱效率僅為40%～60%，加熱圈外表面的熱能散耗大，熱傳導損失達30~40%，熱慣性大，外表面溫度高，往往達到100⁰C以上，不但浪費能量，造成環境污染，而且惡化周圍工作環境，極易對操作工人再次燙傷。

長期應用表明，傳統的電阻絲加熱裝置和系統在能耗和性能兩方面存在明顯的缺陷。

加熱系統的綠色設計的研發重點：加熱系統實現節能、環保，提高電能利用率，實現清潔化塑化加熱生產；應用現代節能綠色化技術的加熱系統；創新加熱控制理論；開發實時性控制軟件和系統。

4.2.5.1 清潔低能耗的機筒加熱裝置

注塑機筒加熱裝置積極應用社會上開發的機筒加熱綠色裝置及熱能回收利用技術，實現節能、低污染的塑化加熱。

4.2.5.1.1 電磁感應加熱裝置

電磁感應加熱是我國的特色。電磁感應加熱的工作原理是高頻電磁感應原理，交變磁場的磁力線通過金屬材料時產生強大的渦流，導致金屬材料自行快速發熱，具有優異的節能、環保、實時的綠色化性能。

實時性。被加熱的金屬是通過自身發熱，熱能是由料筒、模頭的金屬整體產生，熱量幾乎瞬時達到最大值，當動力被控制器切斷時，熱量輸入很快降至零；溫度控制實時準確，內外溫度一致，明顯改善了產品的質量和提高了生產效率。模頭采用電磁感應加熱裝置，加熱速度快，可以縮短60%以上初始加熱時間，提高生產效率；各層分溫區溫度控制精確、穩定，日常的拆卸和維護工作量小。

環保性。使用電磁感應加熱系統后、表面的溫度在人體完全可以安全觸摸50⁰C以下，如工作環境溫度10⁰C，鑄鋁加熱圈表面溫140⁰C，感應加熱表面溫度50⁰C。避免傳統電阻發熱圈加熱方式輻射到空氣中的能量，可顯著降低環境溫度。完全避免傳統加熱方式帶來的因表面高溫而造成的燒傷、燙傷事故發生；更杜絕了因表面高溫引燃附作物發生不安全事故。由于表面溫度低，它不會燒焦吸附在它表面的異物：如塑料顆粒、油污、灰塵等，不會產生有害氣體，改善了車間的空氣環境，保證了設備及員工的安全。

節能性。高頻電磁感應加熱使機筒自行高速發熱，能量轉換效率（電能轉換成熱能）在98%以上，遠高于一般加熱產品。溫度控制實時準確，塑化節電率可達40~70%。

經濟性。降低裝載的加熱功率約40%，如4500kN注塑機的機筒加熱裝載的鑄鋁加熱圈功率為23.4kW，改用電磁感應加熱僅需12kW。機筒電磁感應加熱初裝費用較高，連續運行一年可收回。第二年開始產生節能帶來的經濟效益。電磁感應加熱使用壽命大大高于電阻絲加熱，明顯降低維修費用。上海物豪塑料有限公司各種規格的15臺注塑機，改造為電磁加熱后，供電變壓器功率縮減一半，產量提高10%~15%。

功能性。用絕緣層把模頭與外界隔開，不受外界影響，不存在溫差，整體受熱均勻。消除加熱裝置熱慣性，達到快速降溫，恒定塑化溫度，有效降低氯乙烯單體的分解率。電磁感應加熱系統，基本消除加熱的慣性現象，升溫降溫迅速高效，有利于塑化溫度整定，溫差可控制在1%以內。為有效控制PVC的塑化溫度，減少氯乙烯單體的分解，一般都采用機筒加熱+鼓風機冷卻的組合溫控系統，彌補塑化螺桿性能上的缺陷，雖用鼓風機進行強制冷卻進行調溫，達不到理想的控溫效果，氯乙烯單體的分解率達不到理想的水平，環境污染仍然存在，鼓風機冷卻又消耗了能源。電磁感應加熱完全能達到PVC的塑化溫度精度，而且可去除鼓風機強制冷卻裝置，節能可達30~50%。

創新創造性。電磁感應加熱為塑化加熱科學發展提供了更廣的發展空間。中國科學院自動化所研發的具有自主知識產權的三博電磁加熱節能系統，提供加熱改造、溫度控制的完整解決方案，自帶溫度控制器和相關的控制算法，實現溫度的精確控制，避免加熱、冷卻等設備之間的內耗，節能效果更優，且不改變原控制系統的聯鎖關系和操作模式；采用全工業級設計，包括合理熱設計和電磁兼容設計，支持多機并聯運行：支持多機同時加熱一個對象；對要求可靠性特別高的場合，可選用具有冗余功能控制器實現雙機無擾動切換。

neXtheat采用電磁感應加熱技術，將加熱部分的裝機功率降低50%左右，通過對現有設備進行改造，升溫時間縮短為原來一半，溫度控制精確到±1°，產能提高至少5%，廢品率降低至少在10%以上，對注塑工藝（降低注塑壓力，提高速度，提高熔體質量）有很大提升，從而促進產業升級。

4.2.5.1.2 石英加熱裝置

石英加熱器是根據熱能輻射高于傳導的能量利用率原理，提高電能效率。電阻絲穿入石英玻璃管中，制成與普通鑄鋁加熱圈類似的兩個半圓的哈夫型式，徑向外表面用保溫材料制成保溫層，保溫層內表面為光反射面。石英管電阻絲產生的熱光能量，直接輻射給被加熱體外表面，并通過反射作用，再輻射給被加熱體的外表面，最大限度地減少熱量損耗。體積小，重量輕，裝卸方便，節能明顯，成本低。與鑄鋁加熱圈相比，成本相當，更加輕便，節省電能30~50%。

4.2.5.1.3 納米紅外加熱裝置

納米紅外節能加熱圈采用高分子納米發熱合金，加熱圈表面經高分子遠紅外材料做特殊處理后，能夠產生特定波長紅外線，傳熱過程熱損耗小，傳熱效率在99%以上，并有效提升加熱速度；加熱圈的表面溫度僅為50-70℃，對環境溫度影響小，且能有效的降低工作車間的室溫5-10℃。節能率高達40%-70%。

納米紅外節能電熱圈無任何外接設備，可做到傳統加熱型式一樣、寬度一致、段數一致、功率一致，直接用于取代傳統的電阻絲加熱型式。

4.2.5.1.4 超聲波加熱裝置

頻率高于20000Hｚ的聲波叫超聲波。

超聲波加熱主要原理：

1）共振原理。當超聲波的頻率與組成物質的分子固有頻率相同時會引起分子的共振，使分子的振動幅度大大增加，分子振動的幅度的增加又碰撞到與它相近的其它分子，從而使整個物質體內的大量分子無規則運動的劇烈程度增加，溫度快速升高。

2）熱力學原理。溫度的本質就是恒量物質內的大量分子的無規則運動的劇烈程度的物理量，只是在表面現象上顯現為冷熱程度。當然分子運動越劇烈溫度越高了。

物質的分子由振動而獲得了能量，其能量除了與分子的質量有關外，還與分子的振動速度的平方成正比，而振動速度又與分子振動的頻率有關，所以聲波的頻率越高，也就是物質分子得到的能量越高。

    超聲波加熱塑化的綠色化性能：

    1）提高塑化質量，降低塑化劑注射能耗。超聲波和振動波在一定的條件下對高聚物的塑化可以起積極的作用，一定頻率的超聲波對聚烯烴的結晶起著積極的作用，能減小聚合物熔體的分子量，使結晶溫度升高，也能降低熔體表觀粘度，導致拉伸強度下降，使聚合物的塑化起到良好的效果。微磨的高剪切作用可以使高聚物原料中難以熔融的“疵點”能很好地塑化，必將使超聲塑化微注射成型技術成為微注射成型的重要發展方向。在共混物塑化過程中，超聲波能使混合粒子尺寸減小，分布更為均勻，改善共混物的機械性能，也能影響晶核生長行為，增加結晶溫度和結晶度，同時還能明顯降低共混物的射出壓力和熔體表觀粘度，改善流動性能，降低射出壓力。

    2）改進分子排列，提高制品力學性能。 超聲振動有利于晶片增厚，改變了晶片的扭曲、堆砌方式，改善聚合物的結晶形態，結晶形態隨超聲頻率的變化呈現出一定的規律性變化；振動剪切取向和振動誘導結晶能使制品的宏觀力學性能更好。振動及超聲波在聚合物的結晶過程中可能使其結晶形態改變從而提高制品的物理性能。

4.2.5.2  機筒自適應補償加熱節能系統

    圖7為機筒自適應加熱補償節能系統。機筒加熱圈仍采用常規的電阻絲加熱圈，加熱圈外側包覆智能補償加熱節能罩。自適應加熱補償裝置的節能罩由高溫絕緣罩、散熱罩、中空纖維儲能隔熱棉、鈦合金編織層、熱激發自生熱層等組成?？刂蒲b置由熱激發定時器、熱激發附件、熱激發轉換器等組成。

熱激發自生熱層采用航天熱激發材料。航天熱激發材料由四十多種稀有金屬和稀土組成，在高負壓狀態、超高溫、超音頻磁力線穿透等條件同時具備的條件下可改變自身特性，可使混合物在自然環境下當溫度超過121⁰ C時在超音頻磁場作用下自身發熱，其自身溫度和環境溫度的差保持在10⁰C~30⁰C之間。

當機筒加熱圈工作溫度超過121⁰ C時，在超音頻磁場的作用下，熱激發材料自身發熱，其自身溫度隨料筒設定溫度的高低而變化。當產生多余熱量時會被鈦合金中空纖維儲能隔熱棉吸收，當環境溫度低于鈦合金中空纖維儲能隔熱棉時，它會釋放多余的熱量，從而達到為加熱圈補熱的功效。實踐證明：采用本技術，發熱效率高，節能40%-80%；降低環境溫度；少用降溫設備，二次節電；熱能得到充分利用，減少預熱時間，提高工作效率；可使加熱圈工作時間減少一半，明顯延長加熱圈的使用壽命，減少維修費用，降低產品成本。

4.2.5.3 高能效的機筒熱能回收利用系統^[4]

深圳市百年業工貿有限公司開發的注塑機熱能回收利用的干燥系統，凸顯了節電和環保的綠色技術，為注塑機進一步節能開辟了一條新的途徑。

把塑化機筒的電阻絲加熱圈輻射散發的熱量收集起來，送入干燥加料斗，轉為烘料熱量使用，節省干燥料斗原需電加熱供給的烘料熱能。整個系統為氣體循環的封閉系統，采用獨立式的雙重過濾進氣系統，機筒風罩具有空氣過濾功能，保證了能量交換媒體的熱風空氣的清潔度。系統根據設定的干燥溫度及收集的散發熱量進行分析對比，智能控制冷、熱氣體量的混合比，以及原料的干燥度。機筒和干燥機的總體節電40~70%，相對干燥機本身節電80%以上。圖8為注塑機節電干燥裝置由熱能回收系統原理圖。廣東某塑料廠安裝了深圳市百年業工貿有限公司開發的注塑機熱能回收利用的干燥裝置系統^[8]，節能效果顯著。該企業有30多臺注塑機，機筒加熱功率5kW，耗電5kW•h/h，每天工作16小時，每月26工作日，月耗電：30臺×5×16×26=62400 kW·h；減去恒溫消耗功率，以負載功率75%計，月耗電46800 kW·h(其實恒溫工作時也耗電)，每度電0.80元，年電費45萬元。

節能環保。由于阻止了加熱圈熱能外傳，達到降低生產車間溫度、改善周邊環境的效果；在收集熱能的同時也可以對剛開啟的機筒達到保溫的作用，縮短注塑機的開機的機筒預熱時間；減少企業內部電力系統的負載容量，減少電損，緩解變壓器的負荷。