4.2 基于生态环境保护原则的注射机构/结构的新常态创新驱动

注射机构的主要功能是实现对塑料原料熔融的塑化及射出，以绿色成型技术为出发点进行注塑机构的绿色设计。

基于生态环境保护原则的绿色注射机构的设计的科学发展的研发重点：

1）VOC排放控制。螺杆塑化剪切性能是VOC排放控制的重点。塑料原料是一种高分子化合物，不同的塑料原料由固体受热为熔融体的过程中，除了发生物理变化，还发生化学变化，特别是一些受热易分解的塑料，如PVC、PC、PET等，如熔融热的不到有效的控制，VOC易分解污染环境、有害人体健康的气体。

2)热污染控制。机筒加热的热污染是整机热污染控制的重点。

3）塑料资源节约型成型。提高回料/废料的直接回收塑化、注塑能力，提高塑料资源的利用率。高分子材料在线复合的塑化注射，节约塑料资源。

4）提高能效，降低能耗。提高塑化、注射的动力传动/驱动效率，提高能效。采用高热效率的加热系统，节约能耗。

4.2.1 清洁高效交流伺服电机直接驱动塑化注射机构

清洁高效交流伺服电机驱动塑化注射机构起源于日本。低速大转矩交流力矩伺服电机直接驱动螺杆塑化，省去同步带等减速机构，提高传动效率。全电动注塑机的注射装置所采用的伺服电机有两种结构，一种用同步带带动，一种用电机直接转动。不用皮带，结构较简单，但要求电机转速较低、转动力矩大，而且超载保护作用较弱。不过总的来说，采用伺服电机控制螺杆的塑化计量精度较高，转速也较稳定，还可以多级调节。采用伺服电机带动滚珠丝杆驱动螺杆进行注射，由于此时滚珠丝杆负载大，高速旋转磨损也比较严重。

住友(SHI)德马格全电动注塑机驱动理念是基于创新的直接驱动技术。采用直接驱动技术的注塑机和非直接驱动技术的注塑机相比，前者不仅提供了更高的节能效率，而且由于其具有更灵敏的响应速度从而确保了更高的精确度，重复性以及更短的运行时间。直接驱动技术 更好地满足了生产厂商对于大批量生产的精密注塑件的质量要求，提高能源利用率，伺服电机驱动所产生的热量小。

Krauss Maffei公司EX 系列全电动注塑成型机，塑化和注射的两个装置安装在不带同步带传动装置的同一轴上的两台相联直接驱动器驱动，每根轴分别由单独的电机驱动，保证了运行方向直接将力传递给螺杆，减少了运动链和横向力，伺服电机直接驱动滚珠丝杆，提高了传动精度及传动效率。威猛巴顿菲尔EcoPower新型全电动注塑机系列，结构紧凑的无同步带机构的伺服电机驱动注射系统，配有伺服电机直接驱动式合模装置。EcoPower配有专业设计的驱动系统，从而避免通常产生的制动能量消耗，也不需要配备昂贵的专用系统进行制动能量回收。

4.2.2  低分解低能耗的塑化螺杆

绿色塑化螺杆的主要特点是实现低温的匀质熔融，螺杆剪切热被原料塑化全部吸收，减少对机筒加热量的需求。低温塑化性能意味着低分解，低分解意味着低污染。

塑料注塑制品加工过程中及成型制品中VOC超标，并不是塑料原料所含的有害物质超标，而往往是塑料原料成型加工为塑料材料或制品的熔融塑化工程中，由于设备熔融塑化性能不佳，剪切热过高，造成塑料原料内含某些物质过度分解而超过卫生标准。内部的一些有害物质在常温下不对人体健康产生影响，而在超过分解温度下易分解对人体健康产生影响；一些填充剂，在适宜的塑化剪切热下，不会分解为有毒物质。绿色化塑化技术使塑料原料在塑化熔融过程中，有效控制剪切热，达到低温塑化，不产生对人体有害物质的分解，或将有害物质的分解控制在标准之内，达到成型后塑料制品符合安全健康标准。

性能差的螺杆，不但塑化动力驱动能耗高，而且剪切产生的过多的无效热能不但降低塑化质量，而且不得不采取人为的散热装置。对此重要的塑化件，国内注塑机制造商知道其重要性但没有放在重要的设计研究上，而一些螺杆制造商即使有所研究但因不涉及自己的切身利益也是肤浅的。

EVOH的成型温度相对容许范围较窄，一般高乙烯含量牌号为190°C~220°C，低乙烯含量牌号为210°C~230°C。成型温度过高的话，伴随分解反应时，会发生架桥反应，由此而产生晶点，进一步分解会产生发泡。螺杆的设计理念是尽量不带给EVOH不必要的热量，推荐L/D=24-30、全螺线型、压缩比为3.0~3.5的螺杆。

4.2.2.1 专用化低温熔融性能的绿色塑化螺杆

热敏性塑料低温熔融性能的塑化螺杆。热敏性塑料在螺杆剪切热突变工况下，极易分解而污染环境。国内对易分解塑料的塑化螺杆的结构设计普遍不合理，不能有效控制塑化剪切热。PC塑化螺杆，不能有效控制塑化剪切热，成型加工制品表面发黄的现象屡见不鲜，同时增大双酚A的析出率。PVC塑化螺杆，套用PVC塑化挤出螺杆的型式，采用强烈剪切实行塑化，氯乙烯单体分解率得不到控制而析出机筒，不但严重污染环境，而且与空气中水分结合成盐酸而腐蚀设备和周边金属件，加速了资源损耗；为了对不合理的塑化螺杆产生的过量剪切热降温，塑化机筒上又设置冷却风扇，进行降温，这种设计既增加了能量的消耗，又达不到有效的质量控制。国内一些单位缺乏独立绿色设计创新能力，抄袭照搬，缪误变为真理，严重阻碍了塑化螺杆的绿色设计的发展。作者开发的不需格外风扇冷却、有效控制氯乙烯单体分解率的PVC塑化螺杆，二十多年来生产正常，说明易分解塑料的塑化螺杆的降低环境污染的绿色设计大有可为。

PC低温熔融性能的绿色塑化螺杆设计。功能化的螺杆在提高塑化质量的前提下，实现节能化。作者在7800kN合模力的注塑机上研发的加工PC的专用螺杆，在温度240度条件下，达到良好的塑化注射性能。另一台7800kN合模力的注塑机上使用其它公司研发的同直径的PC专用螺杆，在温度240度条件下，根本不能塑化，温度达到275度才能塑化，而且注射出的熔料发黄变质，达不到塑化质量要求，从能耗方面来说，前者比后者节能近13％，而且塑化性能良。这说明了螺杆的塑化节能性能大有研究可为。

4.2.2.2 生物基塑料低温熔融性能的塑化螺杆

生物基塑料加工窗口很窄，如PHBV，熔点 154.44℃，但其降解温度为182.22℃，加工窗口就非常窄。一旦过热，就会造成凝胶、黑斑或者黄变。注射量达到机筒容积的30%~80%。每一次注射都要把所有的树脂都注射出去。加工螺杆为渐变型、单螺纹螺杆，熔体不会受到过度的剪切。PLA、PHA生物聚合物，推荐使用压缩比为2.5:1、长径比为22:1的螺杆，淀粉基生物聚合物注射成型，压缩比2.2:1、长径比25:1的螺杆。塑化速度50~150r/min。注射压力120MPa。熔融温度180℃左右。

半结晶塑料，结晶速度较慢。热敏性。干燥至0.1%含水量。对模具填充不平衡的敏感性。一个很小的流动不平衡度会导致严重的缺料和溢料，从而显著增加废品率。成型周期短。在机筒中保持较短的停留时间。高温下停留时间过久，会使分子量由较大的损失，最终导致流血性能下降，机筒容量和注塑量之比为2:1~4:1. 结晶速度较慢，允许较长的注射时间。模温60⁰C。最快结晶率发生在60⁰C。在60⁰C以下，不会加快结晶速度，而冷却时间大幅增加。耗电量较ABS或PC降低约20%。机筒加热温度反向分布，控制聚合物的熔融和限制分子量的损失。

4.2.2.3  低温熔融性能的分离型螺杆

分离型螺杆的塑化性能与压缩比无关，有利于低温塑化，提高能效。分离型螺杆在挤出塑化上已得到广泛应用。分离型螺杆在注塑机上应用，虽然以已有二十多年了，但仍未得到推广，主要原因是制造成本高，设计方面未掌握扎实的理论基础及工业设计理论，也是一个重要的原因。

节能性能。分离型螺杆提高了塑化均质，同比于普通螺杆相比，塑化背压可下降30~50%。

4.2.2.4 高速节能薄壁注射螺杆

高速薄壁注射螺杆，首先要了解高速薄壁注射成形的主要特点。高速注射一般指注射速度大于300mm/s，有的已达到1000mm/s的注射速度。薄壁件是指制品壁厚小于1.5mm的制品。注射压力200MPa以上，有的仍至达到350MPa。适合于制作薄壁塑料件的塑料品种主要有ABS、PC、PMMA、PC/ABS、MPPO等工程塑料。为达到高速注射，液压系统都配蓄能器作为高速注射的动力。高速注射的时间很短，一般不超过1秒。高速注射的高分子材料为工程塑料，制品一般为小型的精密制品，所以计量行程短，注射量小。为符合精密制品的要求，要求熔融料塑化均一，计量精确。根据以上要求，设计高速薄壁注射螺杆。注射行程最小不能小于0.12D，最大不能超过2D，控制在1D之内。蓄能器发挥高速动能作用的时间仅为5ms，这样，注射时间一般控制在0.5秒～1秒。为使加料时，空气不进入固体料，要求加料行程短，即注射行程短。注射行程短，有利于减少高速注射时熔体对固体床破坏的影响。注射行程短即塑化量小，这意味着材料在机筒内滞留的时间更短，从而会导致制品性能下降。根据这一特点，高速薄壁注射螺杆均化段的螺槽深度应小于普通螺杆，螺槽容积应与注射塑化量匹配。螺杆直径应与塑化量匹配。

    止回环的导向精度和关闭灵敏度，必需给予考虑。从螺杆设计角度来说，要解决高速注射所产生的一系列问题。

    注射行程短和注射时间短是高速薄壁注射的注要特点。注射行程短即塑化行程短有利于达到熔融料的轴向温差。

4.2.3 浇口回料直接回收塑化

浇口回料在线直接粉碎后塑化，省却浇口料清洗、粉碎及挤出造粒的能耗，以及杜绝在此造粒过程中污染的渠道。根据不同的塑料采用不同的直接回收塑化的绿色设计。常规螺杆上增加混炼的设计，实现非结晶型浇口料直接回收塑化。结晶型浇口料直接回收塑化，单一的改变螺杆设计不能解决问题，应从整个塑化部件进行整体的绿色设计。

赫斯基HyPET再生粉碎料（RF）系统，采用食用级再生PET粉碎料生产瓶坯的注塑系统。HyPET^TMRF食品级再生粉碎瓶坯注射系统，经过不断改进，由使用50%比例的再生粉碎料提高到100%比例的再生粉碎料，节约了回料的接触造粒能耗，大幅降低了生产成本。作为一套经过专门优化的注塑系统，增加了新的功能，如：在线溶料过滤可防止出现可能影响瓶体质量的黑斑和其他污染物；全新的挤出塑化设计能够更好地处理颗粒与粉碎料的混合物，从而解决了使用再生PET粉碎料生产PET瓶特定的技术难题。

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，省却价格昂贵的色母料，节约了伴混染色的设备运行的能耗，降低制品成本。国内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，但普遍存在的问题是成品内部的颜色分布不均，说明螺杆的混炼性能差，往往在螺杆设计上增加混炼段，但未能取得实质性的改进。PP为半结晶高分子材料，混炼的作用主要增加剪切能力,对剪切不敏感PP的塑化基本不产生作用，唯有增加螺杆的长径比，从常规的20增加到23~25，达到增加PP塑化的逗留的时间，使PP料塑化质量均一，染料也达到均匀分布。

4.2.5 引领塑化加热低碳排放的加热系统

塑料制品成型是固态塑料原料-加热成熔体-冷却为固态的过程，加热是不可缺少的环节。传统加热系统设计，往往仅从加热性能、成本上考虑，例如，为降低成本采用不锈钢皮电阻丝加热圈，为提高热容量采用陶瓷电阻丝加热圈，为提高使用寿命采用铸铝电阻丝加热圈。电阻丝类加热圈，加热件本体发热将热量传导给被加热件，由于被加热件与加热圈不可能做到无间隙配合，中间有一层空气隔热层，降低了热效率，同时加热件本体向周围环境散发热量，能耗损失大，加热效率仅为40%～60%，加热圈外表面的热能散耗大，热传导损失达30~40%，热惯性大，外表面温度高，往往达到100⁰C以上，不但浪费能量，造成环境污染，而且恶化周围工作环境，极易对操作工人再次烫伤。

长期应用表明，传统的电阻丝加热装置和系统在能耗和性能两方面存在明显的缺陷。

加热系统的绿色设计的研发重点：加热系统实现节能、环保，提高电能利用率，实现清洁化塑化加热生产；应用现代节能绿色化技术的加热系统；创新加热控制理论；开发实时性控制软件和系统。

4.2.5.1 清洁低能耗的机筒加热装置

注塑机筒加热装置积极应用社会上开发的机筒加热绿色装置及热能回收利用技术，实现节能、低污染的塑化加热。

4.2.5.1.1 电磁感应加热装置

电磁感应加热是我国的特色。电磁感应加热的工作原理是高频电磁感应原理，交变磁场的磁力线通过金属材料时产生强大的涡流，导致金属材料自行快速发热，具有优异的节能、环保、实时的绿色化性能。

实时性。被加热的金属是通过自身发热，热能是由料筒、模头的金属整体产生，热量几乎瞬时达到最大值，当动力被控制器切断时，热量输入很快降至零；温度控制实时准确，内外温度一致，明显改善了产品的质量和提高了生产效率。模头采用电磁感应加热装置，加热速度快，可以缩短60%以上初始加热时间，提高生产效率；各层分温区温度控制精确、稳定，日常的拆卸和维护工作量小。

环保性。使用电磁感应加热系统后、表面的温度在人体完全可以安全触摸50⁰C以下，如工作环境温度10⁰C，铸铝加热圈表面温140⁰C，感应加热表面温度50⁰C。避免传统电阻发热圈加热方式辐射到空气中的能量，可显著降低环境温度。完全避免传统加热方式带来的因表面高温而造成的烧伤、烫伤事故发生；更杜绝了因表面高温引燃附作物发生不安全事故。由于表面温度低，它不会烧焦吸附在它表面的异物：如塑料颗粒、油污、灰尘等，不会产生有害气体，改善了车间的空气环境，保证了设备及员工的安全。

节能性。高频电磁感应加热使机筒自行高速发热，能量转换效率（电能转换成热能）在98%以上，远高于一般加热产品。温度控制实时准确，塑化节电率可达40~70%。

经济性。降低装载的加热功率约40%，如4500kN注塑机的机筒加热装载的铸铝加热圈功率为23.4kW，改用电磁感应加热仅需12kW。机筒电磁感应加热初装费用较高，连续运行一年可收回。第二年开始产生节能带来的经济效益。电磁感应加热使用寿命大大高于电阻丝加热，明显降低维修费用。上海物豪塑料有限公司各种规格的15台注塑机，改造为电磁加热后，供电变压器功率缩减一半，产量提高10%~15%。

功能性。用绝缘层把模头与外界隔开，不受外界影响，不存在温差，整体受热均匀。消除加热装置热惯性，达到快速降温，恒定塑化温度，有效降低氯乙烯单体的分解率。电磁感应加热系统，基本消除加热的惯性现象，升温降温迅速高效，有利于塑化温度整定，温差可控制在1%以内。为有效控制PVC的塑化温度，减少氯乙烯单体的分解，一般都采用机筒加热+鼓风机冷却的组合温控系统，弥补塑化螺杆性能上的缺陷，虽用鼓风机进行强制冷却进行调温，达不到理想的控温效果，氯乙烯单体的分解率达不到理想的水平，环境污染仍然存在，鼓风机冷却又消耗了能源。电磁感应加热完全能达到PVC的塑化温度精度，而且可去除鼓风机强制冷却装置，节能可达30~50%。

创新创造性。电磁感应加热为塑化加热科学发展提供了更广的发展空间。中国科学院自动化所研发的具有自主知识产权的三博电磁加热节能系统，提供加热改造、温度控制的完整解决方案，自带温度控制器和相关的控制算法，实现温度的精确控制，避免加热、冷却等设备之间的内耗，节能效果更优，且不改变原控制系统的联锁关系和操作模式；采用全工业级设计，包括合理热设计和电磁兼容设计，支持多机并联运行：支持多机同时加热一个对象；对要求可靠性特别高的场合，可选用具有冗余功能控制器实现双机无扰动切换。

neXtheat采用电磁感应加热技术，将加热部分的装机功率降低50%左右，通过对现有设备进行改造，升温时间缩短为原来一半，温度控制精确到±1°，产能提高至少5%，废品率降低至少在10%以上，对注塑工艺（降低注塑压力，提高速度，提高熔体质量）有很大提升，从而促进产业升级。

4.2.5.1.2 石英加热装置

石英加热器是根据热能辐射高于传导的能量利用率原理，提高电能效率。电阻丝穿入石英玻璃管中，制成与普通铸铝加热圈类似的两个半圆的哈夫型式，径向外表面用保温材料制成保温层，保温层内表面为光反射面。石英管电阻丝产生的热光能量，直接辐射给被加热体外表面，并通过反射作用，再辐射给被加热体的外表面，最大限度地减少热量损耗。体积小，重量轻，装卸方便，节能明显，成本低。与铸铝加热圈相比，成本相当，更加轻便，节省电能30~50%。

4.2.5.1.3 纳米红外加热装置

纳米红外节能加热圈采用高分子纳米发热合金，加热圈表面经高分子远红外材料做特殊处理后，能够产生特定波长红外线，传热过程热损耗小，传热效率在99%以上，并有效提升加热速度；加热圈的表面温度仅为50-70℃，对环境温度影响小，且能有效的降低工作车间的室温5-10℃。节能率高达40%-70%。

纳米红外节能电热圈无任何外接设备，可做到传统加热型式一样、宽度一致、段数一致、功率一致，直接用于取代传统的电阻丝加热型式。

4.2.5.1.4 超声波加热装置

频率高于20000Hｚ的声波叫超声波。

超声波加热主要原理：

1）共振原理。当超声波的频率与组成物质的分子固有频率相同时会引起分子的共振，使分子的振动幅度大大增加，分子振动的幅度的增加又碰撞到与它相近的其它分子，从而使整个物质体内的大量分子无规则运动的剧烈程度增加，温度快速升高。

2）热力学原理。温度的本质就是恒量物质内的大量分子的无规则运动的剧烈程度的物理量，只是在表面现象上显现为冷热程度。当然分子运动越剧烈温度越高了。

物质的分子由振动而获得了能量，其能量除了与分子的质量有关外，还与分子的振动速度的平方成正比，而振动速度又与分子振动的频率有关，所以声波的频率越高，也就是物质分子得到的能量越高。

    超声波加热塑化的绿色化性能：

    1）提高塑化质量，降低塑化剂注射能耗。超声波和振动波在一定的条件下对高聚物的塑化可以起积极的作用，一定频率的超声波对聚烯烃的结晶起着积极的作用，能减小聚合物熔体的分子量，使结晶温度升高，也能降低熔体表观粘度，导致拉伸强度下降，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难以熔融的“疵点”能很好地塑化，必将使超声塑化微注射成型技术成为微注射成型的重要发展方向。在共混物塑化过程中，超声波能使混合粒子尺寸减小，分布更为均匀，改善共混物的机械性能，也能影响晶核生长行为，增加结晶温度和结晶度，同时还能明显降低共混物的射出压力和熔体表观粘度，改善流动性能，降低射出压力。

    2）改进分子排列，提高制品力学性能。 超声振动有利于晶片增厚，改变了晶片的扭曲、堆砌方式，改善聚合物的结晶形态，结晶形态随超声频率的变化呈现出一定的规律性变化；振动剪切取向和振动诱导结晶能使制品的宏观力学性能更好。振动及超声波在聚合物的结晶过程中可能使其结晶形态改变从而提高制品的物理性能。

4.2.5.2  机筒自适应补偿加热节能系统

    图7为机筒自适应加热补偿节能系统。机筒加热圈仍采用常规的电阻丝加热圈，加热圈外侧包覆智能补偿加热节能罩。自适应加热补偿装置的节能罩由高温绝缘罩、散热罩、中空纤维储能隔热棉、钛合金编织层、热激发自生热层等组成。控制装置由热激发定时器、热激发附件、热激发转换器等组成。

热激发自生热层采用航天热激发材料。航天热激发材料由四十多种稀有金属和稀土组成，在高负压状态、超高温、超音频磁力线穿透等条件同时具备的条件下可改变自身特性，可使混合物在自然环境下当温度超过121⁰ C时在超音频磁场作用下自身发热，其自身温度和环境温度的差保持在10⁰C~30⁰C之间。

当机筒加热圈工作温度超过121⁰ C时，在超音频磁场的作用下，热激发材料自身发热，其自身温度随料筒设定温度的高低而变化。当产生多余热量时会被钛合金中空纤维储能隔热棉吸收，当环境温度低于钛合金中空纤维储能隔热棉时，它会释放多余的热量，从而达到为加热圈补热的功效。实践证明：采用本技术，发热效率高，节能40%-80%；降低环境温度；少用降温设备，二次节电；热能得到充分利用，减少预热时间，提高工作效率；可使加热圈工作时间减少一半，明显延长加热圈的使用寿命，减少维修费用，降低产品成本。

4.2.5.3 高能效的机筒热能回收利用系统^[4]

深圳市百年业工贸有限公司开发的注塑机热能回收利用的干燥系统，凸显了节电和环保的绿色技术，为注塑机进一步节能开辟了一条新的途径。

把塑化机筒的电阻丝加热圈辐射散发的热量收集起来，送入干燥加料斗，转为烘料热量使用，节省干燥料斗原需电加热供给的烘料热能。整个系统为气体循环的封闭系统，采用独立式的双重过滤进气系统，机筒风罩具有空气过滤功能，保证了能量交换媒体的热风空气的清洁度。系统根据设定的干燥温度及收集的散发热量进行分析对比，智能控制冷、热气体量的混合比，以及原料的干燥度。机筒和干燥机的总体节电40~70%，相对干燥机本身节电80%以上。图8为注塑机节电干燥装置由热能回收系统原理图。广东某塑料厂安装了深圳市百年业工贸有限公司开发的注塑机热能回收利用的干燥装置系统^[8]，节能效果显著。该企业有30多台注塑机，机筒加热功率5kW，耗电5kW•h/h，每天工作16小时，每月26工作日，月耗电：30台×5×16×26=62400 kW·h；减去恒温消耗功率，以负载功率75%计，月耗电46800 kW·h(其实恒温工作时也耗电)，每度电0.80元，年电费45万元。

节能环保。由于阻止了加热圈热能外传，达到降低生产车间温度、改善周边环境的效果；在收集热能的同时也可以对刚开启的机筒达到保温的作用，缩短注塑机的开机的机筒预热时间；减少企业内部电力系统的负载容量，减少电损，缓解变压器的负荷。