摘要：PLA聚乳酸\淀粉基生物降解材料作為一種環(huán)境友好型材料，已在逐漸替代一些石油基塑料，而加工設(shè)備對于拓寬材料的應用具有重要意義。本文對現(xiàn)階段生物降解材料的片材擠出加工特點進行闡述，并介紹新型雙螺桿擠出片材設(shè)備綠色性能及技術(shù)創(chuàng)新，最后對市場未來發(fā)展的方向做出了展望。
一、前言：
PLA聚乳酸\淀粉基生物降解材料是一種新型的生物基及可再生物完全降解材料，使用可再生的植物資源（如玉米等）所提出的淀粉原料制成。淀粉原料經(jīng)由糖化得到葡萄糖，再由葡萄糖及一定的菌種發(fā)酵制成高純度的乳酸，通過化學合成方法合成一定分子量的聚乳酸。其材料具有良好的生物可降解性，使用后能被自然界中微生物在特定條件下完全降解，最終生成二氧化碳和水，對土壤和空氣不造成污染，并可增加土壤肥力，回歸大自然，不污染環(huán)境，這對保護環(huán)境非常有利，是公認的環(huán)境友好材料。
聚乳酸是一種新型聚酯材料，因其性能與現(xiàn)有聚乙烯等塑料相近，但可被自然界中微生物完全降解，且具有優(yōu)良的生物相容性，是解決白色污染問題的重要替代材料，并在快餐盒、快遞袋、餐具、購物袋、保濕地膜、保溫盒等醫(yī)療健康、家紡領(lǐng)域有巨大潛力。其產(chǎn)品具有極大的綠色優(yōu)勢：
1.淀粉——原料天然：以天然玉米淀粉為原料，可持續(xù)供應，使天然資源重復使用，循環(huán)不息。
2.降解——安全生物降解：原料為天然高分子化合物，能在自然環(huán)境下實現(xiàn)降解。
3.環(huán)保——綠色環(huán)保：產(chǎn)品使用后在自然環(huán)境中能快速被微生物降解，成為植物養(yǎng)料，真正做到源于自然，還于自然，有效解決白色污染帶來的環(huán)境破壞。
4.健康——無毒害性：原料天然，生產(chǎn)過程無菌生產(chǎn)，消毒檢驗嚴格，產(chǎn)品降解后不會對土壤及空氣產(chǎn)生毒害，無二次污染的危害。
5.低碳——替代性強：可替代以石油為原料的塑料制品和以木材為原料的紙制品。
二、原料加工特點：
PLA聚乳酸\淀粉基生物降解材料具有較好的加工性能，能適用于傳統(tǒng)的擠出、注塑、吹塑等加工方法。然而，由于聚乳酸獨特的分子結(jié)構(gòu)，它在加工過程中隨著溫度的升高，黏性數(shù)將迅速下降，同時引發(fā)熔體強度下降，熔體破裂、松弛，產(chǎn)量降低等問題。這些問題在一些需要熔體強度的加工過程，如片材擠出、成型加工、發(fā)泡中，顯得尤為突出。因此，如何提高聚乳酸的熔體強度，改善其加工性能以拓展其應用前景，成為擺在業(yè)界前的一個新問題。
針對PLA聚乳酸\淀粉基生物降解獨特的分子結(jié)構(gòu)及加工特點，國內(nèi)外業(yè)界許多研究所、大學、生產(chǎn)企業(yè)紛紛投入大量資金，研究及掌握其熱性能、結(jié)晶性能和熔體流變性能，優(yōu)化其成型工藝，確保制成品質(zhì)量。形成“制品生產(chǎn)商、設(shè)備制造商和原料供應商”三方合作開發(fā)的全套方案解決的新模式。
三、產(chǎn)品加工工藝
PLA聚乳酸\淀粉基的產(chǎn)品加工工藝如上圖，過程如下：將原料共混合后通過雙螺桿擠出，模頭出片，三輥冷卻，定型牽引，成品收卷制成片材，再通過氣壓熱成型設(shè)備或全自動吸塑設(shè)備成型加工后包裝。
ＰＬＡ聚乳酸\淀粉基的產(chǎn)品加工工藝流程圖
由于普通PLA原料在空氣中含水率高的特性，在熔融擠出時，會引起水解作用，使熔體粘度和分子量顯著下降，導致擠出成型片材起泡、變脆，發(fā)黃等異常現(xiàn)象。改善方法通常從下面三方面入手：
1）通過增加加工助劑，能夠在加工中有效地和聚乳酸分子作用，形成均勻的物理網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（避免凝膠的生成），以提高熔體強度。一旦熔體強度得到提高，在加工過程中就能夠有效地阻止熔體破裂，使加工過程更為穩(wěn)定，從而提高產(chǎn)量。同時，也可以在一定程度上提高產(chǎn)品的質(zhì)量。
2）設(shè)備工藝選型上，通常采用雙螺桿排氣擠出設(shè)備，因其工藝具有若干顯著優(yōu)點，包括節(jié)能效果明顯、流程工藝簡單、可以實現(xiàn)在線配混等等.通過雙螺桿專用化改造，可以達到理想的排氣效果和有效控制PLA熔體粘度控制，更能適應目前市場需求的柔性化制造。
3）精密制造設(shè)備對溫度場的調(diào)整工藝要求，由于ＰＬＡ聚乳酸\淀粉基的獨特的分子結(jié)構(gòu)，它在加工過程中對溫度場要求高，故對設(shè)備應采用多點溫度加熱及冷卻，以達到快速調(diào)整，精確控制。
PLA聚乳酸\淀粉基生物降解材料——雙螺桿擠出片材設(shè)備綠色創(chuàng)新
上圖是汕頭市達誠精機科技有限公司制造雙螺桿擠出片材設(shè)備，它是一家國內(nèi)先進的塑料加工裝備供應商，一向致力于可降解材料加工裝備的應用和推廣，早在1999年7月就開發(fā)生產(chǎn)出第一代可降解片材機，2001年1月，改良型第二代PLA聚乳酸環(huán)保可降解片材面世，2005年4月，單螺桿PLA聚乳酸環(huán)保可降解片材研制成功，2007年1月，雙螺桿PLA聚乳酸環(huán)保可降解片材研制成功推向市場，并獲得國家、省、市多項科學技術(shù)獎，受到業(yè)界的好評。產(chǎn)品已銷往國外50多個城市及國內(nèi)30多個省市等，設(shè)備運轉(zhuǎn)性能良好。公司發(fā)揮自身的設(shè)備制造技術(shù)優(yōu)勢，轉(zhuǎn)變發(fā)展理念，積極與客戶和原料生產(chǎn)商溝通，并與之開展深入的緊密合作。通過學習國外尤其是歐洲的設(shè)計理念，融入高校等科研院所的最新成果，結(jié)合自身的定位和特色，多次與國內(nèi)外高等院校、研究所、可降解材料生產(chǎn)商密切的聯(lián)系，共同研究，通過原料添加助劑及工藝溫度調(diào)整優(yōu)化、精密裝備設(shè)計制造協(xié)同等一系列有效解決方案入手。憑借著在塑料加工裝備領(lǐng)域的雄厚技術(shù)基礎(chǔ)與豐富經(jīng)驗，充分運用公司現(xiàn)有進口高精尖設(shè)備，提高零部件加工精度，設(shè)計優(yōu)化各類零件結(jié)構(gòu)、加工工藝，提升設(shè)備整體性能。同時持續(xù)加強產(chǎn)學研工作，努力開發(fā)功能更為完善的產(chǎn)品，以滿足更廣泛的要求，為可降解原料的推廣和應用做出更大的貢獻。
公司設(shè)計制造的PLA聚乳酸\淀粉基全生物降解片材擠出設(shè)備具有下列特點：
?適應于PLA聚乳酸\淀粉基全生物降解的片材生產(chǎn)，具有產(chǎn)量高、能耗低、操作簡單；
?與國內(nèi)同類設(shè)備相比，綜合節(jié)能提高30－40%以上。
?采用三級真空排氣技術(shù)及油氣分離技術(shù)：
?采用雙螺桿優(yōu)化組合技術(shù)，確保產(chǎn)品質(zhì)量及穩(wěn)定性；
?擠出系統(tǒng)采用壓力閉環(huán)反饋控制技術(shù)、加熱冷卻的溫度場采用雙PID控制技術(shù)；
?整機采用PLC控制，實現(xiàn)參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)運算及反饋，實時提供改進措施。
四、加工裝備的設(shè)備綠色創(chuàng)新點
如何開發(fā)PLA聚乳酸\淀粉基高效率擠出片材設(shè)備，通過多方論證認為，從五個環(huán)節(jié)進行技術(shù)創(chuàng)新，結(jié)構(gòu)優(yōu)化，精密制造，實現(xiàn)設(shè)備的高產(chǎn)量低能耗，打造國內(nèi)高效PLA聚乳酸\淀粉基雙螺桿擠出片材高端設(shè)備。
１）雙螺桿組合技術(shù)
多年積累的雙螺桿構(gòu)型研發(fā)設(shè)計經(jīng)驗與先進軟件技術(shù)進行優(yōu)化結(jié)合，特殊的雙頭螺紋元件以及獨特的螺桿組合，實現(xiàn)輸送塑化、混合混煉、剪切分散、均化均質(zhì)、排氣脫揮、建壓擠出等各項功能。特別是在針對PLA材料內(nèi)部結(jié)晶水的脫除方面有極高的效率，特殊設(shè)計的排氣口不冒料，自由通暢，實現(xiàn)低溫擠出，避免PLA的熱降解；
２）真空排氣技術(shù)
多段強制排氣高效、安全的保證PLA物料熔融、塑化過程中不水解、無晶點產(chǎn)生。特殊的三級真空排氣技術(shù)及油氣分離技術(shù)，超大抽氣量，超高真空度，大大減小了PLA的粘度降低。
３）高強度輥筒內(nèi)部螺旋流道技術(shù)
高強度輥筒內(nèi)部螺旋流道結(jié)構(gòu)設(shè)計，配套水溫控制系統(tǒng)，使輥筒有精準溫控和高效傳熱效果；
４）智能化遠程控制技術(shù)
通過本公司服務器IDC中心工業(yè)數(shù)據(jù)中心和工業(yè)數(shù)據(jù)采集與分析軟件、遠程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、標準電機健康檢測分析系統(tǒng)、設(shè)備能源管理優(yōu)化系統(tǒng)等，對在客戶工廠的達誠設(shè)備實現(xiàn)遠程監(jiān)控和對各種工藝數(shù)據(jù)采集和存儲，并進行工藝數(shù)據(jù)分析，優(yōu)化生產(chǎn)工藝配方。
５）設(shè)備制造工藝工匠精神
零部件選材，制造工藝，加工精度，熱處理及表面處理，外觀設(shè)計等工業(yè)設(shè)計進行全面考究，確保設(shè)備穩(wěn)定可靠性，提升擋次。
五、設(shè)備綠色性能如下：
1)多組分喂料裝置技術(shù)，適應于新料、回料、色母等比例的控制；
2)原料干燥技術(shù)，機組綜合能耗低，節(jié)省成本；
3)高扭矩擠出機組，配套扭矩保護器；
4)配超大過濾面積熔體過濾器，節(jié)省大量換網(wǎng)作業(yè)的時間和人工消耗；
5)三輥壓光輥筒壓合采用液壓裝置，結(jié)構(gòu)緊湊，輔助設(shè)施布置方便，操作簡單；水溫系統(tǒng)采用加熱冷卻的溫度雙PID控制技術(shù)等；
6)在線切邊、破碎、輸送回收系統(tǒng)，特殊的收卷結(jié)構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)在線不停機換卷，卸卷裝置，節(jié)省大量的作業(yè)時間和人工消耗；
7)在線涂硅系統(tǒng)，提高片材適應性及保護作用，提高競爭力；
8)高精密雙螺桿擠出系統(tǒng)采用壓力閉環(huán)反饋控制技術(shù)、加熱冷卻的溫度雙PID控制技術(shù)等；
9)整機采用PLC控制，實現(xiàn)參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)運算及反饋、報警等功能的自動化控制；
10)先進雙PID控制算法技術(shù)，對技術(shù)數(shù)據(jù)的實時統(tǒng)計分析，實時提供改進措施，確保生產(chǎn)過程始終處于統(tǒng)計控制狀態(tài)，以提高制品的質(zhì)量、精度、能耗等性能指標。
六、市場應用前景及未來展望
目前由于人們對該新興材料認識不足，市場尚未充分開發(fā)，需求少，大多數(shù)企業(yè)徘徊觀望，企業(yè)規(guī)模小，產(chǎn)能低，生產(chǎn)成本高，在市場競爭中，持續(xù)能力較弱，另一方面，由于產(chǎn)能達不到規(guī)模化，使用的普及率及產(chǎn)品的穩(wěn)定性又無法滿足市場所需，影響產(chǎn)業(yè)發(fā)展。但是，隨著國際原油資源的日趨緊張，石油供給壓力增大以及城市垃圾處理、白色污染等壓力增加，PLA聚乳酸\淀粉基生物材料產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟性和環(huán)保意義日漸凸現(xiàn)，產(chǎn)業(yè)發(fā)展的內(nèi)在動力不斷增強。其次，國內(nèi)外從“限塑令”到 “禁塑令”環(huán)保要求實施，國家相關(guān)政策或立法扶持，加速市場培育，報道稱，近期歐盟建議，在2025年以前回收90%的一次性塑料飲料瓶, 而PLA聚乳酸\淀粉基材料綠色環(huán)保、環(huán)境友好、資源節(jié)約等特點，正逐步成為引領(lǐng)當代世界科技創(chuàng)新和經(jīng)濟發(fā)展的一個新的主導產(chǎn)業(yè)。因此，PLA聚乳酸\淀粉基生物材料產(chǎn)業(yè)有著廣闊市場前景。
在工業(yè)4.0和中國制造2025浪潮持續(xù)涌動的市場環(huán)境中，以新一代信息通信技術(shù)與制造業(yè)融合發(fā)展為主要特征的產(chǎn)業(yè)變革在全球范圍內(nèi)孕育興起，智能制造已成為制造業(yè)發(fā)展的主要方向。互聯(lián)網(wǎng)+工業(yè)化的推廣應用，促進產(chǎn)品的升級換代，產(chǎn)品生產(chǎn)從原料改性、工藝優(yōu)化、設(shè)備精密制造，操作模式等智能應用，突破原來模式，通過加入智能化單元（包括機械、傳感、電氣和智能化軟件，具有記憶、感知、計算和決策功能），使得設(shè)備操作更加便捷，提高產(chǎn)品品質(zhì)和附加值。能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備健康狀態(tài)自動檢測；能夠根據(jù)制品及原料要求自動管理各種工藝參數(shù)，實現(xiàn)動態(tài)設(shè)置和存儲；能夠監(jiān)控生產(chǎn)運行狀態(tài)并自動調(diào)整；能夠智能優(yōu)化處理各種運行參數(shù)。智能化單元內(nèi)置了人工智能算法，具備工藝參數(shù)學習能力，能夠通過有限試驗樣本訓練，找到適合特定產(chǎn)品的設(shè)備最優(yōu)工藝參數(shù)，各功能裝置協(xié)同配合，確保產(chǎn)品的質(zhì)量，降低能耗，突出綠色化、智能化特點。
朝著數(shù)字化、自動化、智能化挺進，力諸打造高效節(jié)能、智能高品質(zhì)片材擠出裝備，同時滿足產(chǎn)品綠色包裝，技術(shù)創(chuàng)新，可持續(xù)發(fā)展方向，不斷拓展設(shè)備應用市場，增加產(chǎn)品附加值，以綜合的性價比優(yōu)勢和過硬的質(zhì)量保障與國外企業(yè)分庭抗禮，達誠公司為中國制造助力升威。（文章來源于網(wǎng)絡(luò)）
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