一、前言 　　對于任何設(shè)計(jì)者來說最大的夢想就是生產(chǎn)一種能從原料到產(chǎn)品以及產(chǎn)品的包裝整個過程只需要一個連續(xù)的加工工藝的設(shè)備。塑料加工工藝和機(jī)器人技術(shù)的創(chuàng)新是不可避免的創(chuàng)新之路。從而使得從原料到產(chǎn)品的包裝能實(shí)現(xiàn)一步連續(xù)生產(chǎn)的過程。 　圖1：在線加工方法（一步法）實(shí)例 這方面的工藝創(chuàng)新及機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展是很迅速的，不僅僅是為了體現(xiàn)出智慧，也不是為了時尚，而是為了在加工的過程中能達(dá)到更高地自由度，并能達(dá)到省時間、省費(fèi)用和省能量等效果。所有的領(lǐng)域都將或多或少地從中得到收益，如：汽車行業(yè)、包裝、電子電器、日用品、醫(yī)療、工業(yè)、商業(yè)、鐵路等等。零部件的應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)椋喊踩珰饽疑w、甲板、亭、瓶子、計(jì)算機(jī)配件、管道、蓋子、門、膜、管材等等。所有的聚合物都將與這種新的生產(chǎn)工藝相關(guān)，從普通的塑料到高性能的塑料如：PEEK及橡膠和熱塑性彈性體等等。 　　二、為什么要采用這種工藝? 　　直接在加工的過程中進(jìn)行物料的混合（見圖2）具有如下的優(yōu)點(diǎn)： 　　1、中間的存儲過程和一些常見的混料后的后處理過程都可以省略。 　　2、可以減少廠房的空間。 　　3、不需要進(jìn)行二次加工，從而降低物料在加工過程中的熱降解。 　　4、加工過程中的二次剪切也沒必要進(jìn)行，這樣就能減少物料的熱、機(jī)械降解。 　　5、可以減少易水解聚合物的水解，在線混合是很均勻，也適合PET和低硬度熱塑性聚氨酯的混合。 　　6、可以根據(jù)生產(chǎn)量的變化隨時調(diào)整產(chǎn)品的配方。 　　7、物料的流變性能也能在真實(shí)的時間，真實(shí)的溫度和壓力條件下進(jìn)行控制。 　　很多時候，這種工藝的首批投資是比一般的多步加工工藝要高得多，但是總而言之，這種工藝具有如下的特點(diǎn)： 　　1、如果加工工程與真實(shí)的產(chǎn)量相匹配的話就能降低產(chǎn)品的相對成本 　　2、能夠節(jié)約時間和勞動力 　　3、能提高終端產(chǎn)品的性能 圖 2：一步式和兩步式加工工藝的動態(tài)對比 　三、值得深思的一些數(shù)據(jù) 　　如果生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)量比較匹配的話，節(jié)約成本就不是一個理論的問題而是一件很重要的事情。例如：對于高產(chǎn)出量的汽車配件而言，采用熱塑性玻璃長纖進(jìn)行連續(xù)的在線混合生產(chǎn)的話，每公斤物料將節(jié)約成本約0.25到0.35美元。 而相反的是，對于低產(chǎn)量的產(chǎn)品來進(jìn)行在線的配色的話就能最大程度地節(jié)約成本。因?yàn)槿绻ベ徺I預(yù)先處理好的母粒的話，需要更多的成本。 　　Composite Products Inc. (CPI) 公司獲得了“直接喂料熱塑性塑料”(DFT)加工工藝的許可，在整個加工過程中，混合速率和注模速率是完全一致的。對于小質(zhì)量的制件，CPI公司聲稱，相對與普通的加工工藝而言成本大約能節(jié)約30％左右，而相對于LFT預(yù)混合的產(chǎn)品加工來說成本能節(jié)約50％左右。 　　對聚合物來說，甚至對于低熔點(diǎn)的聚合物而言，加工過程中的熱及剪切速率以及伴隨的熱降解等都是不可忽略的。舉例說，X. ALMERAS和Al.(Progress in Rubber, Plastics and Recycling Technology, 20, 1, 2004, p.25)研究了聚丙烯和聚酰胺合金的循環(huán)加工過程，其中的一些性能的改變數(shù)據(jù)如下： 　表 1：通過一個加工循環(huán)以后的產(chǎn)品性能的變化 成功的關(guān)鍵點(diǎn): 根據(jù)聚合物加工過程中采用的助劑種類、產(chǎn)品的生產(chǎn)量以及性能的需求做策略性的一些加工過程的改變，助劑和相應(yīng)設(shè)備的選擇必須以常用的助劑為基礎(chǔ)進(jìn)行考慮，如需要考慮如下幾個因素： 　　1、常用助劑的正規(guī)尺寸 　　2、很高的各向異性現(xiàn)象，如纖維 　　3、直接進(jìn)行吹膜的氣體 　　4、影響聚合物結(jié)構(gòu)和流變性能的反應(yīng)型助劑 　　接下來的這些陳述在有些情況下是不適用的。但是，不管怎么樣，必須對實(shí)際的助劑、設(shè)備、加工工藝進(jìn)行研究才能做出最后的決定。在通常的情況，常用助劑是不需要進(jìn)行太多的考慮，比如說這些助劑在加工條件下的熱性能，增強(qiáng)性能等等。 　　四、通用助劑的使用策略 　　對于粒子較小，尺寸比較規(guī)整而且沒有化學(xué)活性的助劑而言，在線或直接添加到物料的加工過程中是一件相對來說較簡單的事情。但是，這也要求我們必須考慮到助劑的存在形態(tài)。目前用的三種比較有競爭力的助劑形態(tài)為： 　　1、粉末狀, 如果粉末與聚合物具有很好的相容性的話，這是一種公認(rèn)的助劑存在形態(tài)以適合于一步法加工 　　2、濃縮產(chǎn)品或母粒，如果他們的聚合物載體于所添加到的聚合物具有很號的相容性的話，這也是一種不錯的方法 　　3、如果助劑于聚合物具有很好的相容性的話，助劑可以是液體的，也可以是糊狀的 　　也許關(guān)于這方面的研究做的最早的實(shí)驗(yàn)就是聚合物的著色一步法加工工藝，但是，時至今天，這種一步法的加工工藝以及適用于所有的助劑。例如： 　　1、加工改性劑和潤滑劑 　　2、穩(wěn)定劑： 　　　①抗氧劑 　　　②UV和光穩(wěn)定劑、引發(fā)劑、吸收劑 　　3、填料，如木質(zhì)纖維 　　4、有機(jī)或無機(jī)的阻燃劑 　　5、抗沖擊改性劑 　　6、交聯(lián)劑 　　7、抗靜電劑 　　8、抗菌劑 　　9、吹塑劑 　　10、澄清劑 　　11、成核劑 　　12、熒光增白劑 　　13、防滑劑，防團(tuán)劑 等等 　　粉末狀的著色劑和塑料助劑直接和粒狀的塑料進(jìn)行混合的話，使得聚合物配方即使是很小量的生產(chǎn)，也具有相對較低的成本。當(dāng)然，在塑料的加工過程中，需要根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的需求來進(jìn)行相應(yīng)的一些助劑選擇的試驗(yàn)。 顏料或助劑母粒或濃縮產(chǎn)品分散到聚合物載體樹脂里在現(xiàn)在的成型中是一種很普遍的加工方法。在注塑或擠出的喂料過程中，預(yù)先按比例制成的母?？梢苑稚⒌酱庸さ木酆衔镏幸垣@得預(yù)期的顏色或效果。然后再熔融、混合、在螺桿、熱和剪切的作用下進(jìn)行塑化。一般的，濃縮的產(chǎn)品都需要進(jìn)行很大量的定購，相對于小批量的購買來說，其價格遠(yuǎn)遠(yuǎn)要高得多。因此，濃縮產(chǎn)品或母粒對于大部分小批量生產(chǎn)來說是不經(jīng)濟(jì)的，但是這種方法卻適用于中等批量或大批量產(chǎn)品的生產(chǎn)。 　　液體的或糊狀的顏料相對于母?；驖饪s的產(chǎn)品應(yīng)用到塑料樹脂或聚合物的加工過程中而言具有更高的經(jīng)濟(jì)價值。采用液體顏料的優(yōu)點(diǎn)是：可以節(jié)約成本，同時可以很容易地在聚合物中進(jìn)行分散。如果有配套的簡單設(shè)備，如“Pump in a Drum”，液體顏料是很有經(jīng)濟(jì)效益而且很容易使用的。 　　關(guān)于在線混合生產(chǎn)方法在工業(yè)上的應(yīng)用目前已經(jīng)有很多，下面我們舉幾個例子： 　　1、一條完整的醫(yī)療試管生產(chǎn)線以生產(chǎn)具有組織紫外線進(jìn)入的試管 　　ORGANDO (Plastics Technology: May, 1994 issue)描敘了一種完整的預(yù)料試管生產(chǎn)線以生產(chǎn)具有防止紫外線輻射的石蠟醫(yī)療導(dǎo)管。HDPE, LDPE和鋇或者鉍的混合物一起進(jìn)行混合，然后在由18mm的異向雙螺桿以一定的角度將料輸送到12mm、長徑比為10:1的單螺桿段進(jìn)行擠出（Randcastle Extrusion）。然后由Versa Machinery 提供的牽引機(jī)和切割機(jī)對擠出的產(chǎn)品進(jìn)行處理，最后得到醫(yī)用導(dǎo)管的生產(chǎn)效率為1-3 kg/小時。 　　2、用“長纖”對熱塑性塑料的增強(qiáng) 　　玻璃長纖增強(qiáng)熱塑性塑料（LFT或LFRT）因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)性能與易加工之間的獨(dú)特的平衡而成為現(xiàn)在的熱點(diǎn)。熱塑性塑料生產(chǎn)商采用在線加工成型方法（一步法）推出的玻纖增強(qiáng)熱塑性塑料給汽車配件帶來了革命性的變化，從而導(dǎo)致了消耗量的大大增加。 　　對于長纖增強(qiáng)熱塑性產(chǎn)品惹眼，最主要的問題是如何控制長纖在終端產(chǎn)品里的預(yù)期的長度。產(chǎn)品的機(jī)械性能與玻纖的長度具有很直接的關(guān)系。從下圖中可以看出，玻纖長度與玻纖增強(qiáng)熱塑性塑料機(jī)械性能之間的關(guān)系。 圖 3：玻纖長度與產(chǎn)品機(jī)械性能的對比 為了解決這個問題，必須對產(chǎn)品的混合（compounding）和增強(qiáng)（reinforcement）進(jìn)行剝離，從下圖4可以看出，LFT的在線生產(chǎn)工藝（一步法）。 圖4：LFT在線（一步法）生產(chǎn)的原理圖 五、發(fā)泡成型 　　1、氣體直接擠出或注塑加工工藝 　　與其他傳統(tǒng)的發(fā)泡成型工藝不同的是，熱塑性發(fā)泡材料可以直接通過高壓氣體的作用將熔融狀態(tài)的物料進(jìn)行注塑而加工成型而成。 　　在這個加工過程中，不含有發(fā)泡劑的熱塑性塑料喂料到擠出機(jī)中，在經(jīng)過物料的熔融段之間就直接輸送到含有高壓氣體的擠出機(jī)段。 　　當(dāng)物料輸送到模具中，而模具中的壓力就是外界大氣壓，這時熔融的物料就會在模具中進(jìn)行發(fā)泡，然后冷卻定型。 最終產(chǎn)品的性能將受到氣體的量、泡孔的尺寸和泡孔分布的影響。例如，MuCell加工工藝中采用的氣體時CO2，在CO2的超臨界狀態(tài)，可以使熱塑性泡沫塑料性能微孔，而且這些孔分布得很均勻，微孔得尺寸也比較均勻，尺寸得大小微5-50微米。 　圖5：MuCell注塑加工工藝原理 當(dāng)然，氣體注塑成型許亞起哦配有氣體測量裝置，同時還需要注意如下事項(xiàng)： 　　1、擠出或注塑機(jī)必須具有很特殊的螺桿和裝有注射器的桶，以允許氣體的注射，并且得保證氣體的分散均勻性 　　2