塑料在當(dāng)今世界具有極為重要的作用，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。塑料加工工業(yè)是我國(guó)制造業(yè)發(fā)展最快的行業(yè)之一。然而，在塑料產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展的同時(shí)，資源、環(huán)境、能源三大問(wèn)題凸現(xiàn)，制約了塑料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，成為了人們關(guān)注的熱點(diǎn)。在資源方面，傳統(tǒng)的塑料材料源于不可再生的石油資源，隨著石油資源的逐漸枯竭，傳統(tǒng)石油基高分子材料發(fā)展受到遏制。在環(huán)境方面，傳統(tǒng)石油基塑料穩(wěn)定性好，在自然界中降解緩慢，加之廢舊塑料回收、再利用技術(shù)沒(méi)有得到充分的重視和發(fā)展，造成環(huán)境污染問(wèn)題。在能源方面，塑料加工成型屬于高能耗過(guò)程作業(yè)裝備，單位產(chǎn)值能耗比較高，俗稱“電老虎”。
華南理工大學(xué)聚合物新型成型裝備國(guó)家工程研究中心(以下簡(jiǎn)稱研究中心)重點(diǎn)論述了我國(guó)塑料機(jī)械技術(shù)研究的最新進(jìn)展，指出塑料可再生資源替代、廢舊塑料循環(huán)利用、加工過(guò)程節(jié)能降耗是支撐塑料加工行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵任務(wù)，也是生產(chǎn)方式向“綠色”轉(zhuǎn)變的重要標(biāo)志。同時(shí)，低能耗、高效率、環(huán)保型的綠色加工成型技術(shù)與裝備是塑料機(jī)械行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，也是國(guó)家的重大需求。
塑料原料及其輔料都要通過(guò)加工成型設(shè)備形成所需形狀、結(jié)構(gòu)與性能，成為有實(shí)用價(jià)值的材料與制品，這種加工成型設(shè)備統(tǒng)稱為塑料機(jī)械。一般塑料機(jī)械都由擠壓系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)系統(tǒng)、過(guò)程控制系統(tǒng)以及制品成型系統(tǒng)等部分組成。目前，國(guó)內(nèi)外塑料機(jī)械的發(fā)展主要集中在這幾個(gè)部分的技術(shù)創(chuàng)新，以實(shí)現(xiàn)塑料機(jī)械具有節(jié)能降耗、無(wú)分揀廢舊塑料合金化加工和生物質(zhì)復(fù)合材料共混加工的功能和特征。例如，塑化輸運(yùn)方法從純剪切形變加工到振動(dòng)剪切形變加工再到體積拉伸形變加工演變、驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)方式從間接驅(qū)動(dòng)到直接驅(qū)動(dòng)再到負(fù)載敏感驅(qū)動(dòng)、控制系統(tǒng)從電氣控制到數(shù)字化控制再到智能化控制，每一次技術(shù)創(chuàng)新性研究都會(huì)推動(dòng)行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。
塑化輸運(yùn)方法
擠壓系統(tǒng)是塑料機(jī)械的核心部分，其主要完成塑料的塑化、熔融和輸運(yùn)過(guò)程，為塑料制品成型定量提供熔體，而且對(duì)塑料制品質(zhì)量起決定性的作用，也是塑料加工成型消耗能量最多的過(guò)程。
振動(dòng)剪切形變加工
以螺桿作為結(jié)構(gòu)標(biāo)志和原理特征的擠壓系統(tǒng)消耗的能量遠(yuǎn)高于塑料塑化輸運(yùn)所需要的能量，能量利用率較低。因此，降低擠壓系統(tǒng)的能耗是塑料機(jī)械的重大技術(shù)難題。
通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)螺桿擠壓系統(tǒng)的研究可以發(fā)現(xiàn)普通螺桿不能強(qiáng)化塑料加工的傳質(zhì)傳熱過(guò)程。新型成型裝備國(guó)家工程研究中心(以下簡(jiǎn)稱“研究中心”)使螺桿擠壓系統(tǒng)的螺桿在轉(zhuǎn)動(dòng)同時(shí)還做軸向周期性振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了塑料加工過(guò)程由振動(dòng)剪切形變支配，提高了塑料加工過(guò)程中傳質(zhì)傳熱效率。其為純剪切和振動(dòng)剪切流場(chǎng)的結(jié)構(gòu)示意圖。在純剪切流場(chǎng)中，物料運(yùn)動(dòng)為單純的層流，其層與層幾乎沒(méi)有傳質(zhì)，傳熱過(guò)程一般只是靠熱傳導(dǎo)和粘性耗散產(chǎn)生熱，在振動(dòng)剪切流場(chǎng)中，物料運(yùn)動(dòng)速度V 是周期性變化的，流動(dòng)方向上層與層之間會(huì)產(chǎn)生物質(zhì)交換，在振動(dòng)剪切流場(chǎng)中產(chǎn)生的傳質(zhì)過(guò)程，有利于物料塑化和多相多組分體系共混，同時(shí)傳質(zhì)過(guò)程強(qiáng)化了熱交換，提高了傳熱效率，可使螺桿長(zhǎng)徑比減小，因而擠壓系統(tǒng)消耗的能量也隨之減少。
振動(dòng)力場(chǎng)的引入在擠壓系統(tǒng)中出現(xiàn)了之前所沒(méi)有的許多現(xiàn)象和特征，如物料塑化輸運(yùn)歷程縮短、熔融速率提高、熔體粘度減小等。振動(dòng)力場(chǎng)能量的引入并不是能量的簡(jiǎn)單疊加，而是利用高分子材料塑化輸運(yùn)過(guò)程在振動(dòng)力場(chǎng)作用下表現(xiàn)出來(lái)的非線性特征降低能耗，提高制品質(zhì)量。同時(shí)振動(dòng)力場(chǎng)的引入具有比較強(qiáng)的分子鏈解纏結(jié)作用效果，使得聚合物熔體粘度下降，并且存在最佳形變振幅和頻率使得熔體表觀粘度下降幅度最大。熔體表觀粘度的下降使得相同產(chǎn)量時(shí)，擠出阻力減少，擠出壓力降低，同時(shí)也反映在能量消耗的減少。
相對(duì)于塑料純剪切形變加工成型，塑料振動(dòng)剪切形變加工成型技術(shù)縮短了加工過(guò)程中的熱機(jī)械歷程，能耗明顯降低，多相多組分體系混合效果變好，制品質(zhì)量提高。
體積拉伸形變加工
由于多組份不相容塑料一般不能直接共混加工，螺桿加工設(shè)備很難實(shí)現(xiàn)通用塑料功能化改性加工和無(wú)分揀廢舊塑料的回收處理。因此，多組份體系共混增容是塑料改性加工的技術(shù)瓶頸......
