曹亮

（寧波市海達塑料機械有限公司）

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用領域，創(chuàng)新驅動了注射技術的發(fā)展和應用，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+”的復合成型裝備的理念[1]。往復式螺桿注射塑化革新了注射成型加工技術，注射成型原料必須具有符合注射要求的粒料，成型工藝對原料的流動性能、形式等受到一定的限制。本文介紹了作者開發(fā)的一種適應于單純再生塑料直接用于夾心雙層塑料制品注射的“單階注射+雙階擠注”組合的三階單點注射機構及應用實例，為廢舊塑料的綠色循環(huán)利用提供了一種創(chuàng)新的注射技術與裝備。

2.單純再生塑料三階單點注射技術與裝備的創(chuàng)新要點

注射領域的單純再生塑料指注射制品切割下來的飛邊、澆口、廢品經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）適宜用新料或復合再生達到新料性能的塑料原料，在整體性能機械達到指標情況下，夾心內層可用單純再生塑料，以實現(xiàn)資源節(jié)約型的塑料循環(huán)利用，所以單純再生塑料用于注塑制品的內層材料作為注射技術的研究方向。

2.1 單純再生塑料擠注雙階注射混煉技術的創(chuàng)新驅動[2]

常規(guī)的由往復式螺桿注射塑化和柱塞注射兩類機構組成的雙階單點注射機難以適應單純再生塑料的注射。往復式螺桿注射塑化裝置由于螺桿混煉性能的局限，達不到單純再生塑料實現(xiàn)注射混煉質量的要求。

單純再生塑料擠出混煉在擠出復合多層板材領域已成為廣泛應用的成熟技術。根據注射成型的特點，把單純再生塑料擠出混煉技術創(chuàng)新應用到注射領域，實現(xiàn)單純再生塑料注射成型。

單純再生塑料擠注雙階注射混煉系統(tǒng)由擠出塑化混煉、柱塞注射等雙階機構組成，結構形式為上擠出塑化、下柱塞注射，兩者之間通過機械開關式流道相連接。

2.2 三階單點注射系統(tǒng)的創(chuàng)新驅動

由2.1分析，雙階機構實現(xiàn)夾心雙層制品的內層單純再生塑料的注射。往復式螺桿注射塑化實現(xiàn)夾心雙層制品的外層塑料新料的注射。

由上面對夾心雙層制品的注射工藝分析，把由三階組成的兩個系統(tǒng)組合為一個三階系統(tǒng)，即實現(xiàn)夾心雙層制品的注射。擠注雙階機構和往復式螺桿注射塑化機構兩者之間成角尺排列，通過夾層換向機構實現(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)被稱謂三階單點注射系統(tǒng)。圖1為三階單點注射系統(tǒng)簡圖。

2.3 三階單點注射的各階機構/結構的創(chuàng)新驅動

往復式螺桿注射塑化系統(tǒng)為雙缸平衡注射機構，低速大扭矩液壓馬達直接驅動螺桿塑化。低速大扭矩液壓馬達驅動擠出混煉塑化。單缸液壓動力驅動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)移動由同一整體移動油缸實現(xiàn)。夾層換向機構由主副料筒連接法蘭、夾層換向閥芯、前機筒、噴嘴等組成。

高效單螺桿擠出系統(tǒng)。適應單純再生塑料松密度較小、物料組成形狀不均勻、以及在線填充混合等特點，強化擠出螺桿的混煉塑化和縮容壓縮兩項性能，結構設計上采取高剪切低融塑化溫度的綜合混煉型、適當增加加料段槽深，增強混煉效果，保證了最佳的分散性混合和分布性混合，實現(xiàn)高速高質量穩(wěn)定擠出。

擠出上料及加料系統(tǒng)，根據實際需要，可配置失重加料、自動比例混合、脈沖式上料機等加料系統(tǒng)，實現(xiàn)精確、穩(wěn)定的計量加料，實現(xiàn)單純再生料資源應用的最大價值。

圖1 三階單點注射系統(tǒng)簡圖

2.4 三階單點單純再生塑料雙層夾心注射的工作原理

夾層表皮材料A在主預塑機構8的預塑馬達旋轉帶動下經過主預塑螺桿機筒6，完成夾層表皮材料A的熔融塑化計量；夾層芯材料B（粉碎的廢舊塑料與填充物）在擠出塑化機構4的預塑馬達旋轉帶動下經過擠出塑化螺桿機筒2，完成夾層芯材料B的熔融塑化計量；塑化完成的材料A儲存在主螺桿料筒前端與塑化完成的材料B儲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注射，將夾層換向機構中的主閥芯推向柱塞注射機構，使柱塞注射機構封閉，主注射機構與模腔聯(lián)通，將熔融材料A注入模具型腔內1/3-1/2。接著柱塞在液壓缸5的驅動下，以較快的速度前進，將夾層換向機構中的主閥芯推向主注射機構，使主注射機構封閉，柱塞注射料筒機構與模腔聯(lián)通，快速將熔融材料B注入模具型腔內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，同時將材料A向前及模具表面推進，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注射，將夾層換向機構中的主閥芯推向副注射機構，使柱塞注射流道封閉，主注射機構與模腔聯(lián)通，將熔融材料A注入模具型腔內的剩余空間。完成保壓冷卻，取出制品后進入下一個循環(huán)。

2.5 三階單點注射單純再生塑料的綠色循環(huán)利用的綠色特點

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應力，提高了注射制品的應力壽命周期。

廢舊塑料循環(huán)利用資源節(jié)約化。雙階擠出塑化功能實現(xiàn)單純再生塑料的直接注塑；實現(xiàn)單純再生塑料與填充物（碳酸鈣）充分混煉塑化、擠出、注射，實現(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)利用的應用領域。

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程實現(xiàn)節(jié)能降耗。單純再生塑料直接注塑，省掉普通包裝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，同時防范了粉碎料造粒過程可能產生的二次污染風險。

適用原料范圍廣。擠出塑化過程中，廢舊塑料塑化經歷的螺桿長徑比不變，塑化質量前后一致，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，降低了對塑料原料干燥度的要求，提高了對廢舊塑料擠出塑化的適應能力。

注塑制品調節(jié)范圍大。主副注射塑化機構的使用，使注塑制品的材料組份調節(jié)范圍擴大，成型制品重量可調性更優(yōu)。柱塞注射容量可根據客戶的實際需要實現(xiàn)模塊化配置，拓展了注射容量的適應能力。

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，同時不影響成型制品外表面的性能及美觀質量。

提高制品精準度。單純再生塑料三階單點雙層夾心注射，心層為單純回收料柱塞低壓注射，外層為薄膜級包覆注射成型，降低了制品應力，顯著降低了厚壁類注射制品的收縮量對制品表面缺陷的影響，從而提升成品的成型精準度、耐環(huán)境壽命持續(xù)能。

2.6 三階單點注射單純再生塑料雙層夾心制品成型工藝技術的研究

三階單點注射機構是實現(xiàn)單純再生塑料雙層夾心制品的基礎，成型工藝技術是實現(xiàn)單純再生塑料雙層夾心制品質量的保證。

2.6.1 三階單點注射單純再生塑料雙層夾心制品內外層兩類塑料物性特性的研究

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

內外層兩類相同塑料組合的塑料相容特性。內外層同類材料為達到結合面之間的良好物理粘合性奠定了基礎。塑料在不同熔融溫度下呈現(xiàn)不同的熔體粘度，影響到結合面的相容性，所以即使為同類塑料也要控制好實現(xiàn)良好相容性的加工溫度。內層無機填充復合塑料的熔體粘度發(fā)生變化，無機填充劑過量必然使復合材料的熔體粘度下降過大，即與外層塑料之間在同等加工溫度下熔體粘度差過大，相容性能下降，界面的粘結效果差，導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，達到內外層之間實現(xiàn)良好的相容性。

內外層兩類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構，還可以根據不同的需要選擇內、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法得到的特殊制品。但當內外層材料不同時，通常選擇兩種通過化學鍵能夠結合在一起的材料，同時制定相容良好的兩類塑料及合適的加工溫度，達到兩者之間良好的相容性，否則內外層材料之間會發(fā)生剝離現(xiàn)象。假如由于某些原因選擇了兩種無法粘合在一起的材料，就必須設計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。

內外層兩類塑料收縮量匹配特性。內外層各自的收縮量差異不能過大，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合，否則制品冷卻后外形變形、結合面可能產生微氣孔。注塑成型工藝實施過程中，通過對加工過程的控制，可以減少不同的收縮率和CLTE的不匹配對制品的影響。

2.6.2 三階單點注射單純再生塑料雙層夾心制品成型工藝技術參數(shù)的研究

夾心雙層制品的成型技術，對于制品各層厚分布的選擇，加工參數(shù)及其控制技術極其重要，即便采用相同的塑料，因內層為單純再生塑料，如成型工藝技術不當，制品不能達到預期的質量。熔融溫度和注射壓力是成型工藝的兩個主要技術參數(shù)。舉例來說，當進行夾心注入時，如用過高溫度和壓力把熔融料注射進外層塑料的內腔，會產生對外層塑料過高壓力，從而成型制品冷卻后，夾心會呈現(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 雙層夾心制品結構技術設計的研究

雙層夾心制品變形可以通過以下幾種結構設計方法來實現(xiàn)最小化：

1） 將制件設計成對稱外形，這樣可以平衡應力，減少或消除變形。

2） 將材料實際接觸面的跨距或對其它部分的牽扯減至最小。

3） 增強相關部位，通過對受不同收縮率和不匹配影響最多的部位進行增強，可以將變形最小化。

3.三階單點注射單純再生塑料夾層注射實物成型試驗

夾層注塑的兩類塑料必須為相容，以達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制品實物及斷面。

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

圖2 夾層雙階注射制品模型

圖3 夾層雙階注射制品實物及斷面

4.持續(xù)拓展三階單點注射的應用領域[4]

把擠出持續(xù)創(chuàng)新的新技術運用到雙階擠注系統(tǒng)，結合多層模具和多層注塑技術，持續(xù)拓展持續(xù)拓展三階單點注射的應用領域。

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，開發(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+增強纖維”復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用領域

結合雙層模具技術，夾心雙層注塑實現(xiàn)高分子材料應用價值最大化。功能化的外層（表觀）優(yōu)質材料應用最小化，內層單純再生材料利用率最大化。

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

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

表面為裝飾性功能化新料，內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，內部用廢舊塑料，不降低把手的性能和功能，同時又實現(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用領域

可實現(xiàn)內部為發(fā)泡材料、外部為硬質材料完全包覆的特殊結構的雙組分輕量化塑料制品注射成型，實現(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夾心發(fā)泡制品時，先由往復式螺桿注射（圖1中序號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)）將內層材料(含發(fā)泡劑的B材料)經同一澆口的另一流道與還在注射的A材料同時注入模具，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)泡的輕質制品。

5.結論

實際注塑成型試驗制品表明，所開發(fā)單純再生塑料三階單點雙層夾心注射機構，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備，為注塑雙層夾心制品創(chuàng)造了成型加工條件，但要實現(xiàn)優(yōu)質的雙層夾心注塑制品及其應用技術和領域，還有大量的理論研究及實踐需持續(xù)創(chuàng)新。

單純再生塑料三階單點雙層夾心注射機構的開發(fā)說明注塑機由單一注塑功能向復合注塑功能創(chuàng)新驅動，革新長期來開發(fā)注射機存在的“就注射機而注射機”的開發(fā)理念，樹立“注射+”復合成型裝備的創(chuàng)新開發(fā)理念，發(fā)明創(chuàng)造新穎注射裝備，為“現(xiàn)實”、“潛在”科技貢獻更大成績。實現(xiàn)廢舊塑料的循環(huán)利用的可持續(xù)發(fā)展。