我國PET瓶坯注塑設備的現狀及發展方向
2018-05-14 人閱讀
我國PET瓶坯注塑設備隨著碳酸飲料的灌裝而發展的，隨著PET瓶應用范圍的擴大，對PET瓶坯注塑設備提出了更高的性能要求。國際上性能優良的PET瓶坯注塑設備不斷進入我國，推動了我國PET瓶的發展，推動了我國PET瓶坯注塑設備的科技進步。但是我們應當清醒地看到，國產的PET瓶坯塑料成型設備進不了大企業，好似散兵游勇在市場上零七八碎地敲打，成不了氣候。本文，作者根據自己所了解的情況，針對以上一些問題，提出一些見解，供參考。
PET瓶坯注塑設備主要關系到兩個方面：瓶坯注塑機，瓶坯模具。
1 PET瓶坯注塑機科技進步中幾個值得重視的問題
國內PET瓶坯注塑機主要研發單層PET瓶坯的注射成型設備。國內雖研發了有一定量的PET注射成型設備，但其質量及技術水平與國際先進水平相比，至少相差二十年。國內PET瓶生產的老大單位，沒有一臺PET瓶坯的注射成形設備是國產的，就說明了這一問題。作者認為，PET瓶坯注射成形設備是高端設備，開發的思路不同于研發普通的注射成形設備。國內一些單位把研發PET瓶坯注塑機，作為普通的中、低端產品來研發，改變一下螺桿機筒就作為PET注塑機，這樣，開發一開始就走上了一條錯誤的路線，所以搞來搞去總是在低端水平上徘徊。首先要糾正開發思路，把開發PET瓶坯注塑機作為高端產品來研發，才能開發出高性能的適應市場的ＰET瓶坯注塑機。
1.1 PET瓶坯注塑機主要性能的進展
PET注塑機的主要性能隨著科技進步而不斷提出新的要求。上世紀八十年代中期，PET瓶的應用處于起步階段，熱流道技術還處于開發階段，特別是熱流道技術運用于PET瓶坯模具還不夠成熟，群腔PET瓶坯模具還處于研發階段，所以，對PET瓶坯注塑機的性能要求還沒有特別高的要求，例如，意大利新得多塑料機械有限公司1987年在上海介紹該公司的PET瓶坯注塑機的主要特征，主要介紹了螺桿和噴嘴方面為適應PET瓶坯注射成型所作的研發，對其它方面還未觸及。隨著熱流道技術的發展，群腔模具發展，特別是PET瓶的應用成幾何級數的增長，對PET瓶坯注塑機的性能要求提出越來越高的要求，PET瓶坯注塑機為適應市場的發展，其機構及結構控制等方面更進一步體現出專用注塑機的性能特征，主要表現在高速、高效、精密等方面。
1.2 PET瓶坯注塑機主要機構及結構的進展
1.2.1 合模機構
在PET瓶坯的群腔模具未得到應用之前,對PET瓶坯注塑機的合模機構性能的研究未得到足夠的重視,例如,
意大利新得多塑料機械有限公司1987年在上海介紹該公司的PET瓶坯注塑機的合模機構是普通的肘桿合模機構。隨著PET瓶坯群腔模具的應用，對PET瓶坯注塑機的合模機構提出了新的要求，即合模機構必須能長期保持模板間平行度及合模力（鎖模力）的精度的穩定性。
PET瓶坯群腔模具相對于普通塑料制品的成形模具，具有精度高及剛性小的固有特征。一套PET瓶坯群腔模具的價格甚至超過主機的價格。所以合模機構必須能起到良好保護模具的作用。要達到這一功能，合模機構必須具備足夠的剛度、優量的鎖模及啟模的速度特性、模板變形均勻及變形重復精度良好。
合模機構要達到上述要求，采用哪一種合模機構合適呢？這在開發中必須明確的要點。合模機構主要有肘桿合模機構和液壓合模機構，肘桿合模機構又分為單支點、四支點、五支點合模機構，液壓合模機構又有單缸及四缸同步合模機構。肘桿合模機構由其本身固有的特點決定了其鎖模力的分布均勻性、機構精度的長期保持穩定性不能達到較高的要求，這對保護高精度的群腔模具是不利的，合模機構精度失衡會破壞模具的精度及使用壽命，雖然提高加工精度能提高合模機構的精度，彌補肘桿合模機購性能的欠缺，但不能從根本上克服其固有的缺點。四缸同步液壓合模機構，由于液壓剛性軟，在高壓合模時合模力的分布均勻性有所改善，對模具性能的保護有了提高，但由于四缸不可能做到理想的同步高壓合緊模具。單缸液壓合模機構其本身固有的特點對模具的精度的保護能達到理想的狀態，在合模力分布的均勻性、模具低壓保護、合模力穩定性等方面具有優良的性能，是精密注塑機首選的合模機構。根據上述簡要的分析，可以看出，為對PET瓶坯群腔模具起到良好的性能保護，PET瓶坯注塑機的合模機構應首選單缸液壓合模機構。
目前，國內大多數注塑機制造公司采用肘桿式合模機構作為成型PET瓶坯注塑機的合模機構。用戶對PET瓶坯的注射成型設備也有了充分的了解，所以，決不會把一套進口的價格昂貴的PET瓶坯群腔模具放到普通的肘桿式合模機構注塑機上去使用。肘桿式合模機構的PET瓶坯注塑機，合模機構形式決定了只能進入低端PET瓶坯注塑機市場，無法進入PET瓶坯注塑機的高端市場。
1.2.1 注射塑化機構的進展
PET瓶坯注塑機的注射塑化機構處于不斷發展過程中,向高速高效方向科技進步。在PET瓶坯注塑機的起步階段，主要研究注射塑化如何減少在塑化注射過程的乙醛的產生，提高透明度。PET瓶坯的群腔模具的應用，降低PET瓶坯的制造成本，著重于高速高效的研發,高速高效是指高質量高速度成型,而不是指高的注射速度,PET的本身特性不容許高的注射速度，PET射出成型時若料溫太高、螺桿剪切力太大或轉速太快時均容易產生乙醛而導致酸化，通常成型后的PET瓶乙醛含量必須小于3ppm。對PET瓶坯的質量偏差提出了更高的要求，例如，質量在50克內的管坯最大負偏差為0.5克，質量在50克止70的管坯最大負偏差為1.5克、質量在70克止100的管坯最大負偏差為2.5克，所以精確計量也是研究開發的課題。
高速注射塑化是PET瓶坯注塑機科技進步的重要特點。高速、高產化，可使投資者以較低的投入獲得較大的產出和高額的回報。要實現高速注射塑化，從機構、結構、控制方面上進行開拓創新。
普通的同軸一線式注射塑化機構由欲本身結構特點限制了生產率和質量的提高。要提高塑化能力只有兩條途徑，即提高塑化轉速或加大螺桿直徑；要提高PET的塑化質量基本上也有兩條途徑，即降低塑化溫度或延長熔料在機筒中滯留時間。提高塑化轉速，由于提高了剪切率會加速乙醛的產生率，不可采取，所以只能通過加大螺桿直徑來提高塑化能力。降低塑化溫度或延長熔料在機筒中滯留時間達到提高塑化質量，但同時降低了塑化能力。所以，要達到同時提高塑化能力和塑化質量，必須研發新的注射塑化機構，以滿足高速高效的要求。根據注射塑化的特點，把注射和塑化的功能，從常規的一線式分為二線式，即把塑化與注射兩種功能由常規的一個部件分為兩個部件，塑化為螺桿獨立運動，柱塞獨立注射，注射與塑化兩者之間互不干涉，塑化不占用成形周期，達到既提高塑化質量又提高塑化能力。通過加大塑化螺桿直徑，達到提高塑化能力，同時，由于塑化獨立于周期之外，可延長熔料在機筒中滯留時間，提高物料混煉塑化的均勻性；同時，由于塑化時間可適當延長，可提供實現低溫塑化的足夠時間，減少了因物料經受過度剪切可能造成物料急驟升溫和熱分解的機率。
塑化螺桿設計對PET的熔融、混煉均勻性與熔體溫度有較大影響。PET瓶胚的注塑要采用低剪切、低壓縮比（約2∶1）的螺桿，進料段應取得長些，過渡段與計量段則要取得短些。
高速注射塑化是PET瓶坯注塑機的重要特點。高速注射塑化并不是高速注射和高速塑化，而是把注射和塑化有機的結合起來，從機構、結構、控制方面上進行開拓創新，達到注射和塑化的總時間最小。國內多數單位的所謂PET瓶坯注塑機基本上只是把螺桿的長徑比加大及在其它的螺桿參數方面作一些改動，根本達不到高速的性能要求。[3]加拿大HUSKY公司在2006上海國際橡塑展上展出的注射PET瓶坯的PET瓶坯專用注塑機，結合該公司的國際領先的熱流道模具，成形一模96個瓶坯，周期不到7.5秒，合格率基本上達到100%。整機結構高速的主要的特點是塑化效率高，塑化注射機構把塑化與注射兩種功能由常規的一個部件分為兩個部件，塑化為螺桿獨立運動，柱塞獨立注射，螺桿塑化完成，熔料流道打開，將熔融料注入柱塞儲料腔，計量到，融料流道關閉，然后，柱塞注料入模腔，這樣，塑化不占用成形周期，提高了生產率。值得一提的是螺桿注料動作，該機在將熔融料注射動作是螺桿的注射不是單純直線向前運動而是旋轉的向前運動，旋轉的方向同塑化旋轉方向。作者認為，為適應PET的塑化，減少在加料過程中空氣的進入，使加料過程中固體料填滿螺槽，在將熔融料擠入至注射腔過程中，塑化螺桿旋轉擠出，有利于排出進入機筒中固體料中的空氣，同時，減少了塑化時間，縮短了生產周期。為減小熔融料的軸向溫差，提高瓶坯質量，采用大直徑螺桿塑化，縮短塑化行程，塑化行程在1D左右。這種設計思路值得我們參考。
2 開發多層共注射瓶坯設備
多層復合瓶是發展的方向,發展多層瓶坯設備是前提。我們在這方面基本上還是空白，國際上發展很快。Kortec公司在2003年NPE展覽會上展示了一種144腔的“Ultra”共注射模具，和加拿大Husky公司的注塑機相配合，生產碳酸飲料瓶用的多層型坯，產量為35000支/h，走在世界前列，值的我們學習研究。多層共注射瓶的吹塑成型與單層PET瓶的吹塑成型基本差不多，可用單層拉吹中空設備進行。多層共注射瓶是專為啤酒包裝而開發的，有三層的，也有五層的。國內珠海中富引進設備生產三層PET啤酒瓶。每年，我國的啤酒產量約2400萬噸/年，需要啤酒瓶約44億只/年，這是一個很大的市場，所以，對多層共注射瓶坯設備應加緊研制。
3 PET瓶坯模具的群腔化
PET瓶坯模具的群腔化是PET瓶坯模具的發展方向，是提高生產效率及降低生產成本的最主要的途徑。制約單層瓶坯的生產效率的主要因素是模具，我國瓶坯模具的研究開發及制造大大落后于國際水平，熱流道技術及運用過不了關，先進的瓶坯模具都為進口設備。國際上，單層瓶坯的注塑模具的模腔數在四年前已達到了144腔，美國芝加哥舉行的NPE2006瑞士的耐馳特公司(Netstal-Maschinen
AG)在展會上推出了一臺192腔PET瓶坯預成型機，已在位于美國賓夕法尼亞州Reading的Berkshire Bottling
Works公司應用。加拿大的赫斯基公司(Husky Injection Molding Systems
Ltd.)也在NPE2006展示一款專為鎖模力約650噸的Husky
HyPET注塑機而設計的216腔PET瓶坯預成型模具，應用于美國的Amcor PET
Packaging公司。而我們還只能達到48腔,其技術及質量水平遠遠低于國際先進水平,進不了國內知名PET瓶坯生產公司。群腔PET瓶坯模具是PET瓶成型設備的主功方向。為適合群腔PET瓶坯模具的成形，PET注塑機的機構、結構、控制系統等也要作相應的創新開發。
我國許多模具研發單位在PET瓶坯模具研發方面也做出了大量成績，有一定數量的PET瓶坯模具已出口，也有一些已取代了進口PET瓶坯模具。廣州華研精密機械有限公司采用CAD/CAM電腦輔助設計/制造，潛心研制PET瓶坯系列模具，設計的熱流道，吸收了國外的先進技術，采用免剪澆口設計，熱流道噴咀單獨控溫。在目前還數國內首創。模具在全自動條件下生產，無需員工的頻繁操作，以減少工人的勞動力。模具的關鍵零件（型芯，型腔，口模）采用德國鏡面防銹鋼并經熱處理（HRC45），保證了模具的使用壽命與瓶質量（正常使用150萬次免維修，最大最小壁厚差小于0.1mm）。浙江黃巖裕盛聚酯模具廠制造有一出十二腔、一出十六腔、一出四十八腔PET瓶坯注塑模系列，吸收德國、日本、加拿大等國的先進技術，經過多年的精心研究，研制成功新一代YS2一出十六腔瓶坯等注塑模系列，能用國產注塑機生產出進口品質的PET瓶坯。
4 PET瓶坯成型周期高速化
高速成型周期是PET瓶坯性能的綜合體現。總的說，成型周期越來越短，生產率越來越高。發達國家的擠出機已普遍采用現代電子和計算機控制技術，對整個成行過程的工藝參數如熔體壓力及溫度、各段機身溫度、主螺桿和喂料螺桿轉速、喂料量，各種原料的配比、電機的電流電壓等參數進行在線檢測，并采用微機閉環控制。有的公司己采用網上遠程監測、診斷和控制，對擠出成型生產線進行網絡控制。這對保證工藝條件的穩定，提高產品的精度和提升生產效率都極為有利。Netstal公司的PET-Line機型在NPE2006展廳引起了轟動，這種機器的鎖模力約為600噸的192腔預成型機，每小時可鑄造9萬多個瓶坯，該機的預成型件循環時間僅為7.4秒。加拿大HUSKY公司在2006上海國際橡塑展上展出的注射PET瓶坯的Hy400瓶坯專用注塑機，結合該公司的國際領先的熱流道模具，成形一模96個瓶坯，周期不到7.5秒，合格率基本上達到100%。整機結構高速的主要的特點是塑化效率高，塑化注射機構把塑化與注射兩種功能由常規的一個部件分為兩個部件，塑化為螺桿獨立運動，柱塞獨立注射，螺桿塑化完成，熔料流道打開，將熔融料注入柱塞儲料腔，計量到，融料流道關閉，然后，柱塞注料入模腔，這樣，塑化不占用成形周期，提高了生產率。值得一提的是螺桿注料動作，該機在將熔融料注射動作是螺桿的注射不是單純直線向前運動而是旋轉的向前運動，旋轉的方向同塑化旋轉方向。作者認為，為適應PET的塑化，減少在加料過程中空氣的進入，使加料過程中固體料填滿螺槽，在將熔融料擠入至注射腔過程中，塑化螺桿旋轉擠出，有利于排出進入機筒中固體料中的空氣，同時，減少了塑化時間，縮短了生產周期。為減小熔融料的軸向溫差，提高瓶坯質量，采用大直徑螺桿塑化，縮短塑化行程，塑化行程在1D左右。
5 研發體系一體化
PET瓶坯注塑設備的研發，不同于注塑機的研發。通用注塑機的研發，基本上是純粹是注塑機的研發，對研發人員掌握模具、注射工藝、塑料原料等的知識的要求不高，目前不小比例的注塑機研發人員對這些根本不了解。PET瓶坯的注塑成形已由多腔發展到群腔，所以，PET瓶坯注塑設備是注塑機、模具、注射工藝，以及原料的四者成為一個體系的組合，特別是前三者必須成為一體化的緊密組合，缺一不可。根據PET瓶坯注塑設備的發展要求，只有對四方面的知識充分了解和掌握，才能開發出高端的PET瓶坯注塑設備。國際上PET瓶坯注塑設備的領頭羊，把研發PET瓶坯注塑機和PET瓶坯模具作為一個體系來進行，特別對熱流道的技術及運用于PET瓶坯模具，在國際上占領先地位，使主機與模具兩者的互相匹配達到最佳狀態，發揮最大的生產能力，使PET瓶坯注塑設備達到最佳的性能。國內PET瓶坯注塑設備的研發體系，四者之間嚴重脫節，不成一個緊密的研發產業鏈，研發主機的不了解主機如何與模具匹配，研發模具的不了解模具如何與主機匹配。研發主機的單位單純認為PET瓶坯注塑設備的研發就是PET注塑機的研發，把PET注塑機的研發單純認為是注射塑化裝置的研發，把PET注射塑化裝置的研發單純認為是螺桿的研發，所以國內研發的所謂PET注塑機只是把螺桿改進一下，停留在國際上世紀八十年代水平。研發主機的單位缺乏對PET瓶坯模具的了解，更不用說對PET瓶坯模具的研發。在這樣的認識水平及研發體系下，根本不可能研發出高端的PET瓶坯注塑設備。
6 結語
本文對我國PET瓶坯注塑設備的現狀和發展方向作了論述，充分說明了我國PET瓶塑料成型設備大有發展前景，同時，我們應當看到PET瓶塑料成型設備與工業發達國家的差距較大。國際上典型的PET瓶坯注塑機生產設備為加拿大的HUSKEY
PET注塑機，是國際上公認的領頭羊，所以，我們應當認真研究其性能特點、機構特點、性能特點，開發出更具有性能優勢的PET瓶坯注塑機。在市場國際化的今天，國產的PET瓶注塑坯設備，如果在性能上沒有技術優勢，那研制出來的設備只能當展品，不能當商品。