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塑料工业节能技术与可持续发展战略
时间: 2015-10-10 来源: 未知 作者: 北京化工大学教授 王兴天&n 点击:
贯彻“节省能源，节约资源，环境保护，以人为本”的可持续发展战略，是整个工业发展的方向，是产品研发、技术创新的新理念，是科学的发展观。我们必须尽早、尽快地完成从传统观念向科学发展观的这一转变，在塑料工业早日建立起以此为基础的新的发展平台，这将有助于缩小我国与世界塑料工业发达国家的差距。节能技术必将在塑料工业从原料、加工到设备的各领域得到不断的发展。
本文从节省能源、节省资源和环保角度论述了塑料工业所发展的重点领域和主流技术。
1塑料原料产业中的节能技术
1.1 高熔融指数树脂
其节能实质是提高熔融指数，改善材料的流动性，减少加工中的能耗。
嵌段PP：Atofina公司通过转换催化剂获得具有熔体高流动指数、而又保持高冲击强度的嵌段聚丙烯共聚物，熔融指数为20，牌号为PRW265；Eltex公司用成核剂来控制嵌段共聚物的硬度。合成此种节能树脂的难度在于，一种冲击强度高、刚性好的材料，往往与熔体的流动速率之间相互冲突。2001年，荷兰格林DSM化学公司生产出第四代产品，嵌段共聚丙烯，熔体流动指数35，能保持在较低的模腔压力（６0~８0巴）获得薄壁制品，熔融温度从245℃降到225℃，比传统成型循环周期缩短15%，从而有效地降低了加工中的能耗；2000年，丹麦Konggens Lyngby Boreal公司推出嵌段共聚PP，熔融指数为30，吹塑成型可叠放的耐压制品，满足用户期待的这种高流动指数、能缩短成型周期、降低能耗的原料，据称“所减少的壁厚和重量已达到设计的临界参数，流动性和机械性能都得到提高”，生产一个 295g桶的保压压力从原来的630巴降到540巴，生产周期缩短15%，使螺杆长径比缩小到22；2004年，Atofina公司推出PPC10642牌号的共聚PP，熔融指数45，比原熔融指数30、35品牌的成型循环周期缩短10%，更省电能；窒素公司开发的非交联高刚性、高熔体拉伸强度的新型PP，比现有熔体拉伸强度高达10倍，而其机械性能与现有的相当，且可以回收利用。一位巴塞尔公司聚烯烃类开发工程师说，“德国的加工用户期望使用高流动性树脂，是为了缩短循环周期，降低能耗”，又说“我们感兴趣的是设备循环周期，这是我们将流动指数从13、14调换为30的真正诱因。我们期望得到降低容器壁厚而保持冲击强度的材料，大家都在寻找这种高冲击强度与高流动性之间相平衡的材料”。
选择树脂必须考虑加工中的节能，因为现在挤出机、注塑机、吹塑机等的塑化装置大都是螺杆式，其剪切作用是加工的主导机理，大部分的电能、机械能都消耗在高分子塑化与流动时的粘性耗散上，因此提高熔融指数是节能有效措施。否则，再好的材料也难以推广应用。例如，茂金属聚烯烃塑料（MPE、MPP、MPS等），采用茂金属催化剂，使大分子主链上的支链减少，能精确地控制分子量，使分子量分布得很窄，杂质极少，因此，性能优越。但是，由于分子量高，加工难度大，挤出纯的MLLDPE时，背压太大，现有挤出设备难以承受，为适应加工，目前，只能加入40%的LDPE或HDPE进行共挤，因此可以预测茂金属聚烯烃推广应用的关键，仍是加工中的节能问题，是如何提高熔融指数，但又不以降低性能为代价。同样的例子还有，超高分子量聚乙烯（HUMDPE），分子量从200~500万，具有强度高，冲击韧性好，摩擦系数小，防静电性强等十分优越的性能。但同样面临加工上的困难，有的为改善其加工性能加入低分子量聚合物，但对超高性能带来了影响，变成准超高分子量聚乙烯的加工；采用液晶通过原位复合的机理提高强度，用自身的低粘度和热迁移特性改善其加工中的流动性，但用此项技术稳定地生产还尚须时日。
由此不难看出，从加工节能角度研发新材料显得十分重要。
1.2 增强复合塑料
1.2.1增强复合塑料（n-MHT）
其节能实质是充分利用高分子的聚集态结构的特点，填充纳米级粒子使其共混、改性，提高比强度、比刚度，节约纯树脂的消耗量，是极有节省能源和资源潜力的有效途径。１９90s年代?a href='http://www.anystandards.com/special/pump.html' target='_blank'>泵劳瞥鲶PO基纳米复合料，用5% n-MHT增强TPO，使其刚度提高到相当于加入25%~35%滑石粉填充PP的效果；丰田汽车用纳米滑石粉填充PP（60）/ EPP（30）复合塑料，使汽车保险杠的厚度从4mm减至3mm，重量减轻1/3；荷兰TNO公司，用纳米粘土与嵌段共聚物共混改性，使之完全混合，已成功地生产出PA、PE、PP、PS、PMMA、PU等粘土纳米复合料；美国Fordco利用超临界流体技术预热粘土，改善纳米粘土晶片的分散与扩散，在加工中利用超声波能量提高纳米粘土的分散，大大减少了溶剂用量；美国NanomatCO公司将纳米碳酸钙（n-CaCO3，最大平均粒径100nm）用于PC、ABS、PVC、TPE和热固性塑料SMC的改性，效果很好；新加坡Nano Mater公司，开发n-CaCO3（粒径15~40nm，商品名NPCC）加入2%~4%，可使UPVC管材的冲击强度提高6倍，减少增塑剂（CPE）用量50%，据悉，此项目已在我国山西投产，目前产量10t/a；美国俄亥俄州大学用压力使熔融树脂进入纳米微孔SiO2的微粒中，使分子间形成牢固的化学键，将基体材料的强度提高3~4倍，冲击韧性提高4~5倍，这种现象称为“协同增韧”或“跨粒子增韧”，当材料受外界冲击力时，可将其化为几百万次的小冲击，使穿过延伸的裂纹变得越来越细，一直到冲击能量消失为止；新型纳米增塑剂，是一种采用多面体低聚倍半氧硅烷（简称POSS）合成具有纳米结构化学改性的SiO2微粒，能溶于树脂中，使分子分散，保持低粘度，加大充填量，能与树脂融合为一体，而又不降低加工流动性能。当温度降低到POSS熔点以下时，能立即固化，形成纳米结构，起到增强作用。POSS的另一特点，是它的单体或齐聚物都与树脂发生接枝共聚，使玻璃化温度高于树脂本身的分解温度，而接枝的分解温度又比树脂提高40~400℃，从而在高温下能保持良好的加工流动性和节能效果，被称作是50年来研发产品的全新思路；碳纳米管是1991年问世的，是比强度、比刚度极强的复合材料，其技术本质是由石墨中的若干层碳原子卷曲而成的笼状纤维网，内部是空的，直径只有几十纳米，是人发的十万分之一；密度仅为钢的1/6，但机械强度却是它的100倍，导电率为铜的1万倍，有极高的表面活性，表面原子数约占50%，有很高的储氢能力和吸附能力，特别对微波的吸附；并且是迄今为止，唯一一种能从太阳至地球进行悬挂而不被自重所拉断的绳索材料，是理想的远距离输电材料。据悉，我国碳纳米管已居世界前列，日本三井物产公司宣布2002年9月投产运行量120t/a，而清华南风纳米粉体技术产业化工程中心，已批量投产15kg/h，达120t/a；国内安徽国通高新管业有限公司，利用纳米滑石粉，及纳米硅酸盐（脱土）复合母料，应用在生产大口径φ500mm以上HDPE双壁波纹管，既保持了高流动性，解决了加工中的能耗问题，使原加工设备的驱动功率能满足要求，又解决了因管子口径过大使刚度值降低的问题。
纳米设备的关键是填充母料的造粒问题，因为纳米粒子表面上的原子是处于高活化状态，易于团聚，如直接填加到树脂中难以分散均匀，需要研发新型双螺杆挤出机和高速、高效节能配混设备。
1.2.2纤维增强复合塑料
纤维增强复合塑料的节能实质，是将纤维材料如碳纤维、玻璃纤维复合纤维与聚合物共混，提高比强度、比刚度、力学性能，达到节能、节材的效果。在纤维增强复合塑料中，有长纤维和短纤维之分。目前，以长纤维热塑性塑料（LFRT）增长最快，因其质轻、价廉、易回收再利用，节省能源、资源，在汽车、机械、电器、船舶、建筑、航空、航天等工业部门广泛应用，约50%的玻纤增强复合料用于汽车的零部件。
长纤维增强工艺一般是将玻纤与PP掺合生成连续的粗纱，再挤出切成13~25mm长粒。长纤维比一般纤维增强复合料优异：冲击强度高4倍，比强度高17.2%，尺寸精度高，收缩率为0.2%，流动性能好，节能。美国Vetrotex推出一种长纤维，含量高达75%的PP粒料，价格降低20%~30%；LNP公司推出长纤维PA66，代替铸铝材料，机械强度能在-40~140℃承受高载荷，该公司还推出长纤维PBT系列。纤维复合材料的密度1.4~2.1g/cm3，为钢材的1/５~1/４，铝合金的1/2~1/3，其拉伸、压缩、弯曲强度400~600MPa，已超过碳素结构钢。
但是，当前加工长纤维增强复合塑料的关键问题，还是成型设备，因为注塑机、挤出机是螺杆式塑化装置，当长纤维通过输送段、塑化段、均化段之后，已被剪成3~5mm，大大地降低了原有的复合性能；另一个问题是纤维在高分子熔体流动方向的取向，使制品产生各向异性，影响使用性能，这是成型工艺与设备有待解决的课题。
1.2.3木塑复合塑料
木塑复合塑料的节能实质是利用天然木材加工的废料（如木屑、木粉、麻纤维、果壳、稻糠、纸浆、桔杆、竹粉等 ）进行超细化表面处理，与合成树脂共混，充填量可高达50%，成型的制品可锯、刨、钻，且吸水率低，受潮不变形，不含甲醛，符合环保、阻燃等安全要求。过去，木屑、木粉、废料等大都烧掉，既浪费大量资源，又造成环境污染。木塑复合料做为一种节能、节材、环境友好材料引起国际上普遍关注，研究成果也很多。10年来，北美木塑复合料每年以50%的速度递增。发展木塑复合塑料在我国更具意义，因为2000年我国木材需求量高达10190万m3，供应量6390万m3，缺口高达3800万m3。
木塑复合材料主要用在建筑业（建筑铺板）、汽车业（门板、后搁物板、顶蓬、高架箱、防护板等），仓储业（托盘、垫板、包装箱），交通运输业（公路噪音隔板、防护栏、座仓隔板、铁轨枕木），农业（棚架、槽、水桶），设施（地板、露天桌椅、棚栏、梯子等）。以托盘为例，国内市场需求量约1亿，90%以上要改为木塑，需发展产量1000万吨，价值600亿人民币的新兴产业。
但是，生产木塑复合制品有许多关键技术：树脂、木粉的制造技术、木粉的干燥技术，木粉界面的处理技术；在注塑、挤出、吹塑设备中要求单螺杆或双螺杆对木粉有良好的分散性、浸润性、混炼、剪切、排气、脱水、脱挥、排除气泡功能；塑化部件要耐腐蚀、耐磨损；设备应具有对上述工艺条件及物料在各部位停留时间的精确控制的功能。
2 管道化、连续化、节能合成设备
近年，在塑料合成业中，把双螺杆挤出机作为一种反应器，代替传统的间歇性操作的釜式反应器，进行本体聚合、接枝、共聚、交联、偶联，实现管道化、连续化、规模化、高效率地合成，极大地节省能源和资源。双螺杆挤出机作为反应器以其独特的结构型式，在双螺杆的不同部位，通过正反螺纹块的大小螺距的组合、正反向捏合块的不同组合，通过啮合区的纵向和横向开放程度、螺棱所围成的容积和通道来控制物料的交换、混合、输送，聚合引发、增长、终止和脱除残留单体；用螺纹块和捏合的组合长度控制物料在各部位的停留时间和压力分布；通过排气段的组合结构控制脱挥和防止冒料，最后，将合成好的聚合物，通过挤出机的机头、口模直接挤出造粒。
把双螺杆作为反应器应用在树脂合成业上，这是对合成设备的一场革命！受到各国的普遍重视。目前，较多的是做TPU的反应挤出机，用在热塑性聚氨酯的合成上，还有的用己内酰胺和纳米蒙脱土（nMT）、十六烷基三甲基气化铵（C-16）、2,4—二甲苯二异氰酸酯（TD1活化剂）、己内酰胺钠（催化剂）在双螺杆不同部位完成输送、聚合引发、增长、脱挥，挤出聚酰胺6 / 蒙脱土纳米复合塑料。这种设备的技术关键是根据不同组分和单体的聚合反应要求，对双螺杆输送段、反应段、排气段、挤出段等，以及各段螺纹组合块和捏合组合块的结构、组合形式进行实验与设计。在反应挤出机的大型化方面，在工艺制造和动力配置上都具有难度。
3制品成型的节能技术
3.1多层化技术
其技术实质是通过复合技术成型出多层制品，以节能、节材、环保和多功能为目的。通过多层吹塑、多层挤出、多层注射，成型出各类满足节能、节材、环保和多功能要求的多层制品。
3.1.1 多层中空技术
其技术实质是使多组分共挤出的型胚，在模具中用压缩气体吹胀复合成多层中空制品。最典型的例子是多层塑料油箱，由于燃料中的烃分子可以较容易的穿透过聚合物大分子间的间隙而渗漏，并超过大气污染所规定的单位时间渗透量。油箱有6层：主材外层（UHMWPE）占13%——回收层（回收料）占40%——粘结外层（改性PE）占2%——阻隔层（EVOH对CH防透材料）——粘结内层（改性PE）占2%——主材内层（UHMWPE）占40%。EVOH具有吸湿性，但自身缺乏强度呈块状存在，应细化到10?滋m，并使其均匀的分散，因此应设计特殊的螺杆。
3.1.2 多层挤出技术
其技术实质根据不同物料设置多元化挤出机，在一个多流道机头及其口模中实现共挤成型。
（1）多层复合薄膜。目前，热收缩薄膜不仅从单一的PVC扩大到PE、PP、PVDC、PET、PA等多品种，而且从单层向多层方向发展，广泛应用在保鲜、脂肪的包装上，以及在医药、卫生、保健、化妆品、音像等产品的包装上。
多层化的关键技术是机头和口模的设计和制造问题。Cloeren公司设计制造的供料机头，可挤出纳米级别厚的薄膜，可复合成几十到几千层的制品，用来做极微细的层合面的阻隔性薄膜，还可生产50层增压气泡薄膜的缓冲鞋垫。据悉，我国广东金明塑胶设备有限公司生产的M58—1200五层共挤薄膜机组，使用的是波状螺杆。
（2）多层复合型材。包括发泡复合型材、铝塑复合型材、钢塑复合型材，以及双壁中空浇管等。
3.1.3多层注塑技术
其技术实质是采取两个或两个以上的注塑单元将不同品种、不同颜色、不同组分的塑料，先后注入模具成型出多材质、多色、多组分的多层复合制品，此又称共注射、夹芯注射或ICI注射。例如，利用多层注射技术可生产2~2.5mm厚的家电、办公用品、芯层用占30%~50%的再生料，以节能、节材、环保为目的。
3.1.4多层压延技术
其技术是用粘结剂压延复合技术代替传统的湿法或干法用溶剂的复合，具有原料省、能耗低、维修费用低、生产效率高、无污染、环保等优势，可生产多层阻隔型压延包装薄膜，如五层保鲜薄膜：LDPE/粘结剂/阻隔层（EVOH）/粘结剂/LDPE/或用PP代替多层薄膜中的主料LDPE。其关键技术是排除膜层间的气泡工艺与设备。
3.2双向拉伸技术
其技术实质是充分利用高分子的聚集态结构，通过大分子在加工中的流动取向效应，产生各向异性，在取向方向上机械性能明显增加，为此，用取向机理可大大提高材料的比强度、比刚性，达到节省能源、节省资源消耗的目的。
3.2.1薄膜双向拉伸
新开发的双向拉伸聚丙烯，可使拉伸强度提高2~10倍，PA薄膜双向拉伸后，具有出色的拉伸强度、冲击强度、刺穿强度并阻隔气体（氧气、氮气、二氧化碳），耐油脂、耐碳水化合物及化学物品。
3.2.2管材双向拉伸
近年，双向拉伸技术在管材上得到广泛应用，在管材的径向和轴向均有拉伸，使管材的机械强度和耐压强度等综合性能均得到提高，极大地节约了原材料消耗，提高了生产率。
管材双向拉伸方法有压缩空气拉伸、芯棒牵引拉伸、口模吹胀风冷拉伸、径向扩胀轴向差速拉伸、热水高压扩胀拉伸、热真空扩胀拉伸、热管空压扩胀拉伸。德国Hoeehst公司用压缩空气双向拉伸HDPE管材，上限熔点为127~131℃，在熔点以下10℃进行拉伸，使管子疲劳强度提高2倍以上。
3.2.3纤维增强双向拉伸
纤维对聚合物虽然有增强功能，但是在加工时纤维也沿聚合物熔体的流动方向取向，对管的径向强度产生影响，此外，由于结晶型聚合物纯熔体在剪切方向发生线性成核的特性，使大分子伸直而生成原纤，形成沿剪切方向的球晶，并且在一定条件下可在垂直于剪切方向生长成扁平状晶体，可使在两个方向上的机械性能均得到改善，例如，根据这个原理，可在剪切与拉伸双向应力场的作用下挤出短纤维含量小于3%增强的HDPE / PP的双向拉伸制品；根据此原理，可在管子拉伸时，设计带有连续旋转能同时产生横向剪切力的、转速可调的芯棒式拉伸装置。
3.2.4中空制品双向拉伸
其技术实质是用挤出机、注塑机的挤压系统及塑化装置，使模具在型坯工位上，成型出一次型坯，再转至拉伸工位上，在低于熔点的物态下，用芯棒插入型坯将其双向拉伸出二次型坯，最后转至吹胀工位上，吹入压缩空气，实现最终的双向拉伸，经冷却定型，便得到壁厚双向拉伸的中空制品。
3.2.5固态挤出双向拉伸
其技术实质是对具有结晶转变温度的材料，如HDPE、PP、POM、PA等，使之在低于熔点、高于结晶转变温度的区域内，实施强迫挤出，并利用牵引方向上所设计的锥形收缩口模装置，实现双向压缩拉伸成型出制品。此种技术大多采用柱塞式挤出机。
3.3制品多孔技术
制品多孔技术，其技术实质是通过工艺及设备条件，利用化学发泡剂或物理发泡剂产生的气泡均匀地分布到聚合物中，得到密度低、质轻、满足综合性能要求的多孔制品。多孔制品的节能形式体现在三个方面：由于质轻，减少在运输中的消耗；由于多孔保温，用于防止热量传导、对流、辐射，当聚合物熔体含有微孔时其粘度大为降低，减少了加工中的能耗；由于密度低，又具有发泡结构的机械性能，使聚合物用量大为降低，在节省资源方面十分突出，因此制品多孔技术做为节能措施具有非常广阔的前景，受到各国的重视。但应该指出的是，那些使用CFC-11作为发泡剂生产PU制品，破坏臭氧层的发泡技术不在此列。
在制品多孔技术中以结构发泡和微孔发泡技术为主。
3.3.1结构发泡技术
该技术是生产发泡芯层和实体表层结构制品的成型方法，主要有挤出结构发泡和注射结构发泡。“Daris-Standard Corp.Paw-Cotuck,Conn”公司开发了一种新的异向双螺杆挤出机（螺杆直径φ94~175），挤出HDPE、PP等聚烯烃的结构发泡型材。该公司两年前，用液态和气态的CO2和氮气直接注入串联单螺杆挤出机中生产多孔结构挤出制品；美国Reedy国际公司推出发泡剂Safter WSD，用在聚烯烃、聚氯乙烯与木纤维等高充填的挤出中。此种发泡剂的存在极大地改善了复合料的流动性，不会发生烧焦或褪色现象；Safter WLB Edg100发泡剂能改善木纤维在高聚物熔体中的浸润状况，降低材料粘度，提高了纤维与高聚物的混合均匀性，实现低温挤出，有利于制品脱模，并使之在高充填时，制品边缘撕裂最少。带木粉的发泡技术可使制品密度降至20%~45%，更接近于木材，树脂含量只占40%~50%，使树脂的用量较一般的木塑制品又减少了一半。树脂成本一般均占材料成本的80%~90%，这样，差不多节省了两倍的材料成本。
3.3.2微孔发泡技术
微孔发泡技术的实质是利用惰性气体（CO2、N2），在高压和玻璃化温度以下饱和聚合物，然后再利用温度升高，压力减小等措施，生成不稳定泡孔诱发出无数泡孔成核，并均匀分布，最后，泡核增长至所需要尺寸的微孔。微孔直径0.1~10?滋m，微孔密度101５~101９个/cm3，成型出密度减少20%~40%的微孔制品，冲击强度高出6~7倍以上，比刚性3~5倍，疲劳寿命5倍以上；并具有高的热稳定性，低的介电常数和导热率。可制成壁厚0.1~1mm的薄壁件；制品的性能价格比很高，对环境无污染且易于回收利用。
微孔发泡技术的关键是把CO2、N2制成超临界流体。超临界CO2是指温度高于31.1℃，压力大于7.38MPa的CO2。由于它在聚合物中溶解的能力强、粘度低、扩散系数大、无毒、不燃、化学惰性大、无溶剂残留、价廉易得、使用安全、不污染环境、与聚合物不发生反应、能降低玻璃化温度、能大幅度地提高其它气体及小分子化合物在聚合物中的扩散速度和溶解吸附程度，所以是挤出PVC微孔制品的理想物理发泡剂；微孔发泡注塑成型可使循环周期减少50%，能在小的模腔压力下成型薄壁制品。采取微发泡技术可用功率较小的机器。微孔发泡技术在成型加工中的应用具有极其广阔的前景和深远节能的意义。
微发泡的关键技术在于对微气泡形成三个阶段的控制，即微泡核的形成、微泡核的胀大和微泡的稳定固化过程，这个过程将决定微孔的数量、分布、微孔的大小，既要形成大量的微泡又不能使微泡超过尺寸极限，这是解决的难点。指导微孔发泡的理论基础是高聚物自由空间成核理论和热定成核理论。
微发泡制品由于微孔的存在，在减小密度的情况下，不仅不会降低材料强度，反而会使原有裂纹尖峰钝化，阻止应力沿裂纹继续扩胀，吸收冲击能量可增加5~7倍，从而提高了冲击强度、韧性、耐疲劳寿命、还有隔热、隔音、吸震等能力，是节能、环保优选材料。在汽车、飞机、运输等领域有特殊的用途，例如，用注塑成型生产的进气歧管、保险盒、发动机罩、电器模块、薄壁制件、内部装饰；用于挤出成型生产的微孔薄膜、PVC微孔发泡共挤型材，木塑微孔发泡共挤型材，以及锂离子电池微孔发泡聚丙烯薄膜等。
近年，发泡设备发展速度很快，以德国为例，2002年生产的发泡设备已占塑料机械生产总值的3.4%，而且还在发展。
3.4介质辅助技术
介质辅助技术目前多用在注塑成型中，其技术实质是将介质（氮气或水）快速注入带有缺料注射高聚物熔体的模腔中，利用介质压力打通介质通道，推动熔体前沿充满型腔，与此同时，介质由通道内部向四周均衡传递压力，使熔体充实到型腔各壁面，并进行压力保持，冷却定型，最终形成带有部分中空的制品。介质的存在有效地防止了制件的收缩，减少应力变形，提高了制品的外部质量，可成型有特殊形状的制品。
介质辅助技术的节能实质在于两个方面，一是，在加工中，用介质推动前沿熔体流动，极大地减小高聚物传递中的能量耗散，缩短了熔体传递时间及其成型周期并降低了模腔压力及其锁模力，从而减少加工中的能量消耗；另一方面是缺料定型并保持气道的存在，形成中空制品，节约原料，使成本降低20%~40%，由于上述原因，介质辅助成型技术广泛用于注塑汽车、家电用大型制品，例如，汽车仪表板、方向盘、电视机洗衣机外壳，以及大型家具等。
水辅注塑技术是较晚发展起来的，与“气辅”相比明显有优势：由于注塑时，水能与模腔中的高聚物熔体直接接触，水的导热率高（气体的40倍），热容大（气体的4倍），使冷却循环快，能固化较厚的塑料层。在推动着熔体充模时，不像气体那样有渗入熔体穿透的危险。气辅压力2~17.2MPa，而水辅可达到30MPa，传递压力损失小，比气体容易控制。气辅时，当制品厚度增加时，其内部产生气泡可能性增加，为避免这一点可延长保压时间，即气体压力释放的时间被延长，增加了循环时间。当壁厚大于40mm时，熔体沿气道壁有流下的可能，因此，难以成型厚度大的制品。用气体难以控制制品的厚度，而水辅却没有上述问题。但是水辅存在腐蚀、泄漏、重复性使用和成本等方面的问题。
3.5振动技术
振动成型技术的实质是利用聚合物吸收振动能量，具有提高加工性能和制品质量、缩短成型周期、节能和节约原料消耗等效果，据此，可研发带有振动功能的塑化装置及设备。振动对高聚物性质所产生的效应，日益被人们所重视。聚合物性质在振动场的作用下所产生的效应，主要是流变的非线型性、壁滑移效应、振动触变效应和振动分解效应。
上面的机理有利于提高聚合物的塑化质量和熔体平均流动速率，降低能耗，提高产量。
近年来，把振动技术引入注塑和挤出成型国外已有不少例子，国内最着明的例子是电磁动态挤出机，其本质是高聚物振动机理在挤出成型中的运用，螺杆的振动源就是电磁振动。Buss挤出机也有类似的低频振动效应。
4节能成型设备
4.1节能成型设备的研发方向
节能成型设备的改造、创新、研发，可从两个方面进行。
一方面，针对某种节能树脂或节能复合材料的加工特性，并结合节能加工技术，诸如多层、双向拉伸、发泡、介质辅助、振动等成型机理制定合理的工艺路线，把主机与机头口模、冷却定型、拉伸、牵引等各种装置相结合起来进行研发，例如多层复合机组，双向拉伸机组或微发泡机组，振动成型机组或者上列的组合机组；研发多层复合、双向拉伸、中空、结构发泡、微孔发泡、振动成型注塑机和中空吹塑机等。
另一方面，是解决塑料成型设备自身的节能、节材和环保问题，要执行以科学发展观为指导的开发理念。从广义上来说，塑料机械加工的是节能产品，在节能领域里充分地发挥著作用，但是其自身却又是钢铁、电能、机械能的消耗大户。因此，必须要改造，要创新，要减小自身重量，减少钢铁及的用量，必须建立节能的动力传递系统和稳定可靠的自动化控制与调节系统；要建立以人为本的安全保护系统和人性化的智能系统。这就是我们为什么要推崇开发大型两板式注塑机的原因，因为首先省去一块笨重的后模板，包括拉杆、机架在内的所有在横截面上与拉杆平行的管道线路等，使其纵向尺寸大为缩短，有效地降低了钢铁等资源的消耗；这就是为什么推崇在塑料机械上，多使用伺服电机、变频电机的原因。因为它们节能并适合对塑料机械中压力、速度、转速的多级变换，多级控制；与微机相结合，能更方便地实现数字控制和反馈的闭环控制，极大地提高对温度、压力、速度、位移等控制精度。可以预见，伺服电机将在塑料机械上得到更加迅速的推广应用。应该指出的是，伺服电机在塑料机械上的应用，绝不是简单的置换问题，而必须结合有关机器设计的软件系统，进行合理的、经济的匹配，否则反而会增加成本，造成浪费。
4.2科学的方法论
研发节能成型设备，必须遵循科学的研发方法，要以满足制品的质量、产量和精度要求为目标，适用各部相关联的系统研究方法，而不是孤立的拼凑。譬如，欲开发一条PPR板材挤出机组，绝不是取用KRAUSSMAFFEL公司制造的最好机头与BATTENFELD公司制造的最好主机进行拼凑所能得到的，反而可能是耗能大的，成本高的机组。只有用科学的方法论才能研发出好的节能设备，这是因为近代塑料加工业，由于原料的个性化，制品的个性化，导致成型工艺的专业化和成型设备的专门化。主机和机头，以及辅机各相关装置必须合理匹配，而这个匹配是符合成型机理上的匹配，是符合工艺内部规律的匹配，而不是简单拼凑式的组合。
5 重要结论
撰写本文，笔者的初衷并不仅仅在于介绍塑料加工中几个节能技术方面的问题，而是意在以抛砖引玉的方式，把这些节能型加工技术作为事例，来论证我国的塑料加工业及设备制造业正面临着产品结构重要战略调整的机遇期，产品何时调整到位，调整到何种程度，将由现代塑料工业发展的经济、技术基础、创新能力、创新理念和创新的指导思想是否符合客观规律所决定。
这次产品结构调整的理念和指导思想，就是要具体落实和体现科学发展观的规律，就是要抓住节省能源、节省资源、环境保护、以人为本的创新理念和创新思想。
如果把改革开放以来的80年代至90年代，视为我国塑料加工业及其设备制造业的第一个产品结构调整期，那么从现在开始的今后若干年间，就是产品结构战略调整的第二个机遇期。由于经济、信息的全球化、一体化，这个机遇期不仅属于中国而且属于世界。我们必须预见到这个机遇，珍惜这个机遇，抓住这机遇，要大有所为，为我国的塑料加工业及其装备制造业呈跨越式前进，大大缩短与塑料工业发达国的差距作出贡献。(end)
本文从节省能源、节省资源和环保角度论述了塑料工业所发展的重点领域和主流技术。
1塑料原料产业中的节能技术
1.1 高熔融指数树脂
其节能实质是提高熔融指数，改善材料的流动性，减少加工中的能耗。
嵌段PP：Atofina公司通过转换催化剂获得具有熔体高流动指数、而又保持高冲击强度的嵌段聚丙烯共聚物，熔融指数为20，牌号为PRW265；Eltex公司用成核剂来控制嵌段共聚物的硬度。合成此种节能树脂的难度在于，一种冲击强度高、刚性好的材料，往往与熔体的流动速率之间相互冲突。2001年，荷兰格林DSM化学公司生产出第四代产品，嵌段共聚丙烯，熔体流动指数35，能保持在较低的模腔压力（６0~８0巴）获得薄壁制品，熔融温度从245℃降到225℃，比传统成型循环周期缩短15%，从而有效地降低了加工中的能耗；2000年，丹麦Konggens Lyngby Boreal公司推出嵌段共聚PP，熔融指数为30，吹塑成型可叠放的耐压制品，满足用户期待的这种高流动指数、能缩短成型周期、降低能耗的原料，据称“所减少的壁厚和重量已达到设计的临界参数，流动性和机械性能都得到提高”，生产一个 295g桶的保压压力从原来的630巴降到540巴，生产周期缩短15%，使螺杆长径比缩小到22；2004年，Atofina公司推出PPC10642牌号的共聚PP，熔融指数45，比原熔融指数30、35品牌的成型循环周期缩短10%，更省电能；窒素公司开发的非交联高刚性、高熔体拉伸强度的新型PP，比现有熔体拉伸强度高达10倍，而其机械性能与现有的相当，且可以回收利用。一位巴塞尔公司聚烯烃类开发工程师说，“德国的加工用户期望使用高流动性树脂，是为了缩短循环周期，降低能耗”，又说“我们感兴趣的是设备循环周期，这是我们将流动指数从13、14调换为30的真正诱因。我们期望得到降低容器壁厚而保持冲击强度的材料，大家都在寻找这种高冲击强度与高流动性之间相平衡的材料”。
选择树脂必须考虑加工中的节能，因为现在挤出机、注塑机、吹塑机等的塑化装置大都是螺杆式，其剪切作用是加工的主导机理，大部分的电能、机械能都消耗在高分子塑化与流动时的粘性耗散上，因此提高熔融指数是节能有效措施。否则，再好的材料也难以推广应用。例如，茂金属聚烯烃塑料（MPE、MPP、MPS等），采用茂金属催化剂，使大分子主链上的支链减少，能精确地控制分子量，使分子量分布得很窄，杂质极少，因此，性能优越。但是，由于分子量高，加工难度大，挤出纯的MLLDPE时，背压太大，现有挤出设备难以承受，为适应加工，目前，只能加入40%的LDPE或HDPE进行共挤，因此可以预测茂金属聚烯烃推广应用的关键，仍是加工中的节能问题，是如何提高熔融指数，但又不以降低性能为代价。同样的例子还有，超高分子量聚乙烯（HUMDPE），分子量从200~500万，具有强度高，冲击韧性好，摩擦系数小，防静电性强等十分优越的性能。但同样面临加工上的困难，有的为改善其加工性能加入低分子量聚合物，但对超高性能带来了影响，变成准超高分子量聚乙烯的加工；采用液晶通过原位复合的机理提高强度，用自身的低粘度和热迁移特性改善其加工中的流动性，但用此项技术稳定地生产还尚须时日。
由此不难看出，从加工节能角度研发新材料显得十分重要。
1.2 增强复合塑料
1.2.1增强复合塑料（n-MHT）
其节能实质是充分利用高分子的聚集态结构的特点，填充纳米级粒子使其共混、改性，提高比强度、比刚度，节约纯树脂的消耗量，是极有节省能源和资源潜力的有效途径。１９90s年代?a href='http://www.anystandards.com/special/pump.html' target='_blank'>泵劳瞥鲶PO基纳米复合料，用5% n-MHT增强TPO，使其刚度提高到相当于加入25%~35%滑石粉填充PP的效果；丰田汽车用纳米滑石粉填充PP（60）/ EPP（30）复合塑料，使汽车保险杠的厚度从4mm减至3mm，重量减轻1/3；荷兰TNO公司，用纳米粘土与嵌段共聚物共混改性，使之完全混合，已成功地生产出PA、PE、PP、PS、PMMA、PU等粘土纳米复合料；美国Fordco利用超临界流体技术预热粘土，改善纳米粘土晶片的分散与扩散，在加工中利用超声波能量提高纳米粘土的分散，大大减少了溶剂用量；美国NanomatCO公司将纳米碳酸钙（n-CaCO3，最大平均粒径100nm）用于PC、ABS、PVC、TPE和热固性塑料SMC的改性，效果很好；新加坡Nano Mater公司，开发n-CaCO3（粒径15~40nm，商品名NPCC）加入2%~4%，可使UPVC管材的冲击强度提高6倍，减少增塑剂（CPE）用量50%，据悉，此项目已在我国山西投产，目前产量10t/a；美国俄亥俄州大学用压力使熔融树脂进入纳米微孔SiO2的微粒中，使分子间形成牢固的化学键，将基体材料的强度提高3~4倍，冲击韧性提高4~5倍，这种现象称为“协同增韧”或“跨粒子增韧”，当材料受外界冲击力时，可将其化为几百万次的小冲击，使穿过延伸的裂纹变得越来越细，一直到冲击能量消失为止；新型纳米增塑剂，是一种采用多面体低聚倍半氧硅烷（简称POSS）合成具有纳米结构化学改性的SiO2微粒，能溶于树脂中，使分子分散，保持低粘度，加大充填量，能与树脂融合为一体，而又不降低加工流动性能。当温度降低到POSS熔点以下时，能立即固化，形成纳米结构，起到增强作用。POSS的另一特点，是它的单体或齐聚物都与树脂发生接枝共聚，使玻璃化温度高于树脂本身的分解温度，而接枝的分解温度又比树脂提高40~400℃，从而在高温下能保持良好的加工流动性和节能效果，被称作是50年来研发产品的全新思路；碳纳米管是1991年问世的，是比强度、比刚度极强的复合材料，其技术本质是由石墨中的若干层碳原子卷曲而成的笼状纤维网，内部是空的，直径只有几十纳米，是人发的十万分之一；密度仅为钢的1/6，但机械强度却是它的100倍，导电率为铜的1万倍，有极高的表面活性，表面原子数约占50%，有很高的储氢能力和吸附能力，特别对微波的吸附；并且是迄今为止，唯一一种能从太阳至地球进行悬挂而不被自重所拉断的绳索材料，是理想的远距离输电材料。据悉，我国碳纳米管已居世界前列，日本三井物产公司宣布2002年9月投产运行量120t/a，而清华南风纳米粉体技术产业化工程中心，已批量投产15kg/h，达120t/a；国内安徽国通高新管业有限公司，利用纳米滑石粉，及纳米硅酸盐（脱土）复合母料，应用在生产大口径φ500mm以上HDPE双壁波纹管，既保持了高流动性，解决了加工中的能耗问题，使原加工设备的驱动功率能满足要求，又解决了因管子口径过大使刚度值降低的问题。
纳米设备的关键是填充母料的造粒问题，因为纳米粒子表面上的原子是处于高活化状态，易于团聚，如直接填加到树脂中难以分散均匀，需要研发新型双螺杆挤出机和高速、高效节能配混设备。
1.2.2纤维增强复合塑料
纤维增强复合塑料的节能实质，是将纤维材料如碳纤维、玻璃纤维复合纤维与聚合物共混，提高比强度、比刚度、力学性能，达到节能、节材的效果。在纤维增强复合塑料中，有长纤维和短纤维之分。目前，以长纤维热塑性塑料（LFRT）增长最快，因其质轻、价廉、易回收再利用，节省能源、资源，在汽车、机械、电器、船舶、建筑、航空、航天等工业部门广泛应用，约50%的玻纤增强复合料用于汽车的零部件。
长纤维增强工艺一般是将玻纤与PP掺合生成连续的粗纱，再挤出切成13~25mm长粒。长纤维比一般纤维增强复合料优异：冲击强度高4倍，比强度高17.2%，尺寸精度高，收缩率为0.2%，流动性能好，节能。美国Vetrotex推出一种长纤维，含量高达75%的PP粒料，价格降低20%~30%；LNP公司推出长纤维PA66，代替铸铝材料，机械强度能在-40~140℃承受高载荷，该公司还推出长纤维PBT系列。纤维复合材料的密度1.4~2.1g/cm3，为钢材的1/５~1/４，铝合金的1/2~1/3，其拉伸、压缩、弯曲强度400~600MPa，已超过碳素结构钢。
但是，当前加工长纤维增强复合塑料的关键问题，还是成型设备，因为注塑机、挤出机是螺杆式塑化装置，当长纤维通过输送段、塑化段、均化段之后，已被剪成3~5mm，大大地降低了原有的复合性能；另一个问题是纤维在高分子熔体流动方向的取向，使制品产生各向异性，影响使用性能，这是成型工艺与设备有待解决的课题。
1.2.3木塑复合塑料
木塑复合塑料的节能实质是利用天然木材加工的废料（如木屑、木粉、麻纤维、果壳、稻糠、纸浆、桔杆、竹粉等 ）进行超细化表面处理，与合成树脂共混，充填量可高达50%，成型的制品可锯、刨、钻，且吸水率低，受潮不变形，不含甲醛，符合环保、阻燃等安全要求。过去，木屑、木粉、废料等大都烧掉，既浪费大量资源，又造成环境污染。木塑复合料做为一种节能、节材、环境友好材料引起国际上普遍关注，研究成果也很多。10年来，北美木塑复合料每年以50%的速度递增。发展木塑复合塑料在我国更具意义，因为2000年我国木材需求量高达10190万m3，供应量6390万m3，缺口高达3800万m3。
木塑复合材料主要用在建筑业（建筑铺板）、汽车业（门板、后搁物板、顶蓬、高架箱、防护板等），仓储业（托盘、垫板、包装箱），交通运输业（公路噪音隔板、防护栏、座仓隔板、铁轨枕木），农业（棚架、槽、水桶），设施（地板、露天桌椅、棚栏、梯子等）。以托盘为例，国内市场需求量约1亿，90%以上要改为木塑，需发展产量1000万吨，价值600亿人民币的新兴产业。
但是，生产木塑复合制品有许多关键技术：树脂、木粉的制造技术、木粉的干燥技术，木粉界面的处理技术；在注塑、挤出、吹塑设备中要求单螺杆或双螺杆对木粉有良好的分散性、浸润性、混炼、剪切、排气、脱水、脱挥、排除气泡功能；塑化部件要耐腐蚀、耐磨损；设备应具有对上述工艺条件及物料在各部位停留时间的精确控制的功能。
2 管道化、连续化、节能合成设备
近年，在塑料合成业中，把双螺杆挤出机作为一种反应器，代替传统的间歇性操作的釜式反应器，进行本体聚合、接枝、共聚、交联、偶联，实现管道化、连续化、规模化、高效率地合成，极大地节省能源和资源。双螺杆挤出机作为反应器以其独特的结构型式，在双螺杆的不同部位，通过正反螺纹块的大小螺距的组合、正反向捏合块的不同组合，通过啮合区的纵向和横向开放程度、螺棱所围成的容积和通道来控制物料的交换、混合、输送，聚合引发、增长、终止和脱除残留单体；用螺纹块和捏合的组合长度控制物料在各部位的停留时间和压力分布；通过排气段的组合结构控制脱挥和防止冒料，最后，将合成好的聚合物，通过挤出机的机头、口模直接挤出造粒。
把双螺杆作为反应器应用在树脂合成业上，这是对合成设备的一场革命！受到各国的普遍重视。目前，较多的是做TPU的反应挤出机，用在热塑性聚氨酯的合成上，还有的用己内酰胺和纳米蒙脱土（nMT）、十六烷基三甲基气化铵（C-16）、2,4—二甲苯二异氰酸酯（TD1活化剂）、己内酰胺钠（催化剂）在双螺杆不同部位完成输送、聚合引发、增长、脱挥，挤出聚酰胺6 / 蒙脱土纳米复合塑料。这种设备的技术关键是根据不同组分和单体的聚合反应要求，对双螺杆输送段、反应段、排气段、挤出段等，以及各段螺纹组合块和捏合组合块的结构、组合形式进行实验与设计。在反应挤出机的大型化方面，在工艺制造和动力配置上都具有难度。
3制品成型的节能技术
3.1多层化技术
其技术实质是通过复合技术成型出多层制品，以节能、节材、环保和多功能为目的。通过多层吹塑、多层挤出、多层注射，成型出各类满足节能、节材、环保和多功能要求的多层制品。
3.1.1 多层中空技术
其技术实质是使多组分共挤出的型胚，在模具中用压缩气体吹胀复合成多层中空制品。最典型的例子是多层塑料油箱，由于燃料中的烃分子可以较容易的穿透过聚合物大分子间的间隙而渗漏，并超过大气污染所规定的单位时间渗透量。油箱有6层：主材外层（UHMWPE）占13%——回收层（回收料）占40%——粘结外层（改性PE）占2%——阻隔层（EVOH对CH防透材料）——粘结内层（改性PE）占2%——主材内层（UHMWPE）占40%。EVOH具有吸湿性，但自身缺乏强度呈块状存在，应细化到10?滋m，并使其均匀的分散，因此应设计特殊的螺杆。
3.1.2 多层挤出技术
其技术实质根据不同物料设置多元化挤出机，在一个多流道机头及其口模中实现共挤成型。
（1）多层复合薄膜。目前，热收缩薄膜不仅从单一的PVC扩大到PE、PP、PVDC、PET、PA等多品种，而且从单层向多层方向发展，广泛应用在保鲜、脂肪的包装上，以及在医药、卫生、保健、化妆品、音像等产品的包装上。
多层化的关键技术是机头和口模的设计和制造问题。Cloeren公司设计制造的供料机头，可挤出纳米级别厚的薄膜，可复合成几十到几千层的制品，用来做极微细的层合面的阻隔性薄膜，还可生产50层增压气泡薄膜的缓冲鞋垫。据悉，我国广东金明塑胶设备有限公司生产的M58—1200五层共挤薄膜机组，使用的是波状螺杆。
（2）多层复合型材。包括发泡复合型材、铝塑复合型材、钢塑复合型材，以及双壁中空浇管等。
3.1.3多层注塑技术
其技术实质是采取两个或两个以上的注塑单元将不同品种、不同颜色、不同组分的塑料，先后注入模具成型出多材质、多色、多组分的多层复合制品，此又称共注射、夹芯注射或ICI注射。例如，利用多层注射技术可生产2~2.5mm厚的家电、办公用品、芯层用占30%~50%的再生料，以节能、节材、环保为目的。
3.1.4多层压延技术
其技术是用粘结剂压延复合技术代替传统的湿法或干法用溶剂的复合，具有原料省、能耗低、维修费用低、生产效率高、无污染、环保等优势，可生产多层阻隔型压延包装薄膜，如五层保鲜薄膜：LDPE/粘结剂/阻隔层（EVOH）/粘结剂/LDPE/或用PP代替多层薄膜中的主料LDPE。其关键技术是排除膜层间的气泡工艺与设备。
3.2双向拉伸技术
其技术实质是充分利用高分子的聚集态结构，通过大分子在加工中的流动取向效应，产生各向异性，在取向方向上机械性能明显增加，为此，用取向机理可大大提高材料的比强度、比刚性，达到节省能源、节省资源消耗的目的。
3.2.1薄膜双向拉伸
新开发的双向拉伸聚丙烯，可使拉伸强度提高2~10倍，PA薄膜双向拉伸后，具有出色的拉伸强度、冲击强度、刺穿强度并阻隔气体（氧气、氮气、二氧化碳），耐油脂、耐碳水化合物及化学物品。
3.2.2管材双向拉伸
近年，双向拉伸技术在管材上得到广泛应用，在管材的径向和轴向均有拉伸，使管材的机械强度和耐压强度等综合性能均得到提高，极大地节约了原材料消耗，提高了生产率。
管材双向拉伸方法有压缩空气拉伸、芯棒牵引拉伸、口模吹胀风冷拉伸、径向扩胀轴向差速拉伸、热水高压扩胀拉伸、热真空扩胀拉伸、热管空压扩胀拉伸。德国Hoeehst公司用压缩空气双向拉伸HDPE管材，上限熔点为127~131℃，在熔点以下10℃进行拉伸，使管子疲劳强度提高2倍以上。
3.2.3纤维增强双向拉伸
纤维对聚合物虽然有增强功能，但是在加工时纤维也沿聚合物熔体的流动方向取向，对管的径向强度产生影响，此外，由于结晶型聚合物纯熔体在剪切方向发生线性成核的特性，使大分子伸直而生成原纤，形成沿剪切方向的球晶，并且在一定条件下可在垂直于剪切方向生长成扁平状晶体，可使在两个方向上的机械性能均得到改善，例如，根据这个原理，可在剪切与拉伸双向应力场的作用下挤出短纤维含量小于3%增强的HDPE / PP的双向拉伸制品；根据此原理，可在管子拉伸时，设计带有连续旋转能同时产生横向剪切力的、转速可调的芯棒式拉伸装置。
3.2.4中空制品双向拉伸
其技术实质是用挤出机、注塑机的挤压系统及塑化装置，使模具在型坯工位上，成型出一次型坯，再转至拉伸工位上，在低于熔点的物态下，用芯棒插入型坯将其双向拉伸出二次型坯，最后转至吹胀工位上，吹入压缩空气，实现最终的双向拉伸，经冷却定型，便得到壁厚双向拉伸的中空制品。
3.2.5固态挤出双向拉伸
其技术实质是对具有结晶转变温度的材料，如HDPE、PP、POM、PA等，使之在低于熔点、高于结晶转变温度的区域内，实施强迫挤出，并利用牵引方向上所设计的锥形收缩口模装置，实现双向压缩拉伸成型出制品。此种技术大多采用柱塞式挤出机。
3.3制品多孔技术
制品多孔技术，其技术实质是通过工艺及设备条件，利用化学发泡剂或物理发泡剂产生的气泡均匀地分布到聚合物中，得到密度低、质轻、满足综合性能要求的多孔制品。多孔制品的节能形式体现在三个方面：由于质轻，减少在运输中的消耗；由于多孔保温，用于防止热量传导、对流、辐射，当聚合物熔体含有微孔时其粘度大为降低，减少了加工中的能耗；由于密度低，又具有发泡结构的机械性能，使聚合物用量大为降低，在节省资源方面十分突出，因此制品多孔技术做为节能措施具有非常广阔的前景，受到各国的重视。但应该指出的是，那些使用CFC-11作为发泡剂生产PU制品，破坏臭氧层的发泡技术不在此列。
在制品多孔技术中以结构发泡和微孔发泡技术为主。
3.3.1结构发泡技术
该技术是生产发泡芯层和实体表层结构制品的成型方法，主要有挤出结构发泡和注射结构发泡。“Daris-Standard Corp.Paw-Cotuck,Conn”公司开发了一种新的异向双螺杆挤出机（螺杆直径φ94~175），挤出HDPE、PP等聚烯烃的结构发泡型材。该公司两年前，用液态和气态的CO2和氮气直接注入串联单螺杆挤出机中生产多孔结构挤出制品；美国Reedy国际公司推出发泡剂Safter WSD，用在聚烯烃、聚氯乙烯与木纤维等高充填的挤出中。此种发泡剂的存在极大地改善了复合料的流动性，不会发生烧焦或褪色现象；Safter WLB Edg100发泡剂能改善木纤维在高聚物熔体中的浸润状况，降低材料粘度，提高了纤维与高聚物的混合均匀性，实现低温挤出，有利于制品脱模，并使之在高充填时，制品边缘撕裂最少。带木粉的发泡技术可使制品密度降至20%~45%，更接近于木材，树脂含量只占40%~50%，使树脂的用量较一般的木塑制品又减少了一半。树脂成本一般均占材料成本的80%~90%，这样，差不多节省了两倍的材料成本。
3.3.2微孔发泡技术
微孔发泡技术的实质是利用惰性气体（CO2、N2），在高压和玻璃化温度以下饱和聚合物，然后再利用温度升高，压力减小等措施，生成不稳定泡孔诱发出无数泡孔成核，并均匀分布，最后，泡核增长至所需要尺寸的微孔。微孔直径0.1~10?滋m，微孔密度101５~101９个/cm3，成型出密度减少20%~40%的微孔制品，冲击强度高出6~7倍以上，比刚性3~5倍，疲劳寿命5倍以上；并具有高的热稳定性，低的介电常数和导热率。可制成壁厚0.1~1mm的薄壁件；制品的性能价格比很高，对环境无污染且易于回收利用。
微孔发泡技术的关键是把CO2、N2制成超临界流体。超临界CO2是指温度高于31.1℃，压力大于7.38MPa的CO2。由于它在聚合物中溶解的能力强、粘度低、扩散系数大、无毒、不燃、化学惰性大、无溶剂残留、价廉易得、使用安全、不污染环境、与聚合物不发生反应、能降低玻璃化温度、能大幅度地提高其它气体及小分子化合物在聚合物中的扩散速度和溶解吸附程度，所以是挤出PVC微孔制品的理想物理发泡剂；微孔发泡注塑成型可使循环周期减少50%，能在小的模腔压力下成型薄壁制品。采取微发泡技术可用功率较小的机器。微孔发泡技术在成型加工中的应用具有极其广阔的前景和深远节能的意义。
微发泡的关键技术在于对微气泡形成三个阶段的控制，即微泡核的形成、微泡核的胀大和微泡的稳定固化过程，这个过程将决定微孔的数量、分布、微孔的大小，既要形成大量的微泡又不能使微泡超过尺寸极限，这是解决的难点。指导微孔发泡的理论基础是高聚物自由空间成核理论和热定成核理论。
微发泡制品由于微孔的存在，在减小密度的情况下，不仅不会降低材料强度，反而会使原有裂纹尖峰钝化，阻止应力沿裂纹继续扩胀，吸收冲击能量可增加5~7倍，从而提高了冲击强度、韧性、耐疲劳寿命、还有隔热、隔音、吸震等能力，是节能、环保优选材料。在汽车、飞机、运输等领域有特殊的用途，例如，用注塑成型生产的进气歧管、保险盒、发动机罩、电器模块、薄壁制件、内部装饰；用于挤出成型生产的微孔薄膜、PVC微孔发泡共挤型材，木塑微孔发泡共挤型材，以及锂离子电池微孔发泡聚丙烯薄膜等。
近年，发泡设备发展速度很快，以德国为例，2002年生产的发泡设备已占塑料机械生产总值的3.4%，而且还在发展。
3.4介质辅助技术
介质辅助技术目前多用在注塑成型中，其技术实质是将介质（氮气或水）快速注入带有缺料注射高聚物熔体的模腔中，利用介质压力打通介质通道，推动熔体前沿充满型腔，与此同时，介质由通道内部向四周均衡传递压力，使熔体充实到型腔各壁面，并进行压力保持，冷却定型，最终形成带有部分中空的制品。介质的存在有效地防止了制件的收缩，减少应力变形，提高了制品的外部质量，可成型有特殊形状的制品。
介质辅助技术的节能实质在于两个方面，一是，在加工中，用介质推动前沿熔体流动，极大地减小高聚物传递中的能量耗散，缩短了熔体传递时间及其成型周期并降低了模腔压力及其锁模力，从而减少加工中的能量消耗；另一方面是缺料定型并保持气道的存在，形成中空制品，节约原料，使成本降低20%~40%，由于上述原因，介质辅助成型技术广泛用于注塑汽车、家电用大型制品，例如，汽车仪表板、方向盘、电视机洗衣机外壳，以及大型家具等。
水辅注塑技术是较晚发展起来的，与“气辅”相比明显有优势：由于注塑时，水能与模腔中的高聚物熔体直接接触，水的导热率高（气体的40倍），热容大（气体的4倍），使冷却循环快，能固化较厚的塑料层。在推动着熔体充模时，不像气体那样有渗入熔体穿透的危险。气辅压力2~17.2MPa，而水辅可达到30MPa，传递压力损失小，比气体容易控制。气辅时，当制品厚度增加时，其内部产生气泡可能性增加，为避免这一点可延长保压时间，即气体压力释放的时间被延长，增加了循环时间。当壁厚大于40mm时，熔体沿气道壁有流下的可能，因此，难以成型厚度大的制品。用气体难以控制制品的厚度，而水辅却没有上述问题。但是水辅存在腐蚀、泄漏、重复性使用和成本等方面的问题。
3.5振动技术
振动成型技术的实质是利用聚合物吸收振动能量，具有提高加工性能和制品质量、缩短成型周期、节能和节约原料消耗等效果，据此，可研发带有振动功能的塑化装置及设备。振动对高聚物性质所产生的效应，日益被人们所重视。聚合物性质在振动场的作用下所产生的效应，主要是流变的非线型性、壁滑移效应、振动触变效应和振动分解效应。
上面的机理有利于提高聚合物的塑化质量和熔体平均流动速率，降低能耗，提高产量。
近年来，把振动技术引入注塑和挤出成型国外已有不少例子，国内最着明的例子是电磁动态挤出机，其本质是高聚物振动机理在挤出成型中的运用，螺杆的振动源就是电磁振动。Buss挤出机也有类似的低频振动效应。
4节能成型设备
4.1节能成型设备的研发方向
节能成型设备的改造、创新、研发，可从两个方面进行。
一方面，针对某种节能树脂或节能复合材料的加工特性，并结合节能加工技术，诸如多层、双向拉伸、发泡、介质辅助、振动等成型机理制定合理的工艺路线，把主机与机头口模、冷却定型、拉伸、牵引等各种装置相结合起来进行研发，例如多层复合机组，双向拉伸机组或微发泡机组，振动成型机组或者上列的组合机组；研发多层复合、双向拉伸、中空、结构发泡、微孔发泡、振动成型注塑机和中空吹塑机等。
另一方面，是解决塑料成型设备自身的节能、节材和环保问题，要执行以科学发展观为指导的开发理念。从广义上来说，塑料机械加工的是节能产品，在节能领域里充分地发挥著作用，但是其自身却又是钢铁、电能、机械能的消耗大户。因此，必须要改造，要创新，要减小自身重量，减少钢铁及的用量，必须建立节能的动力传递系统和稳定可靠的自动化控制与调节系统；要建立以人为本的安全保护系统和人性化的智能系统。这就是我们为什么要推崇开发大型两板式注塑机的原因，因为首先省去一块笨重的后模板，包括拉杆、机架在内的所有在横截面上与拉杆平行的管道线路等，使其纵向尺寸大为缩短，有效地降低了钢铁等资源的消耗；这就是为什么推崇在塑料机械上，多使用伺服电机、变频电机的原因。因为它们节能并适合对塑料机械中压力、速度、转速的多级变换，多级控制；与微机相结合，能更方便地实现数字控制和反馈的闭环控制，极大地提高对温度、压力、速度、位移等控制精度。可以预见，伺服电机将在塑料机械上得到更加迅速的推广应用。应该指出的是，伺服电机在塑料机械上的应用，绝不是简单的置换问题，而必须结合有关机器设计的软件系统，进行合理的、经济的匹配，否则反而会增加成本，造成浪费。
4.2科学的方法论
研发节能成型设备，必须遵循科学的研发方法，要以满足制品的质量、产量和精度要求为目标，适用各部相关联的系统研究方法，而不是孤立的拼凑。譬如，欲开发一条PPR板材挤出机组，绝不是取用KRAUSSMAFFEL公司制造的最好机头与BATTENFELD公司制造的最好主机进行拼凑所能得到的，反而可能是耗能大的，成本高的机组。只有用科学的方法论才能研发出好的节能设备，这是因为近代塑料加工业，由于原料的个性化，制品的个性化，导致成型工艺的专业化和成型设备的专门化。主机和机头，以及辅机各相关装置必须合理匹配，而这个匹配是符合成型机理上的匹配，是符合工艺内部规律的匹配，而不是简单拼凑式的组合。
5 重要结论
撰写本文，笔者的初衷并不仅仅在于介绍塑料加工中几个节能技术方面的问题，而是意在以抛砖引玉的方式，把这些节能型加工技术作为事例，来论证我国的塑料加工业及设备制造业正面临着产品结构重要战略调整的机遇期，产品何时调整到位，调整到何种程度，将由现代塑料工业发展的经济、技术基础、创新能力、创新理念和创新的指导思想是否符合客观规律所决定。
这次产品结构调整的理念和指导思想，就是要具体落实和体现科学发展观的规律，就是要抓住节省能源、节省资源、环境保护、以人为本的创新理念和创新思想。
如果把改革开放以来的80年代至90年代，视为我国塑料加工业及其设备制造业的第一个产品结构调整期，那么从现在开始的今后若干年间，就是产品结构战略调整的第二个机遇期。由于经济、信息的全球化、一体化，这个机遇期不仅属于中国而且属于世界。我们必须预见到这个机遇，珍惜这个机遇，抓住这机遇，要大有所为，为我国的塑料加工业及其装备制造业呈跨越式前进，大大缩短与塑料工业发达国的差距作出贡献。(end)
