[01632232]基于混沌混炼的高性能高分子包装材料成型关键装备及技术研发

中国的高分子包装材料挤出复合生产线曾长期被国外公司垄断，这是因为中国这类生产线的关键装备和技术曾一直较落后。该成果在对高分子材料加工中的流场和形态演变进行系统建模、仿真和分析的基础上，对包装材料成型的关键装备及技术进行研发，主要取得了四方面的创新性成果：(1)采用流变学建模的方法，并结合控制高分子材料形态演变的微观流变学模型，对高分子材料挤出加工中的流场以及共混物和纳米复合材料的形态演变进行了建模、仿真和分析，尤其是对挤出机内熔融、混炼和熔体流动等的理论研究揭示了如何提高熔融和混炼性能以及降低能耗的机理。(2)基于上述理论研究，研制的混沌混炼型低能耗挤出机在原理上与国内外普遍采用的挤出机明显不同：后者发生的是经典的Maddock熔融过程和剪切混炼，其熔融和混炼效果较差；前者产生了分散熔融和混沌混炼，物料所产生的剪切热小于其熔融所需的热能，可防止材料在熔融和混炼过程中产生过热而浪费能量，节能效果明显。经广东省技术监督机械产品质量监督检验站现场检验表明，该挤出机的名义比功率(即单耗)为0.17kW/(kg/h)，比国家机械行业标准JB/T8061-96的规定值[0.32kW/(kg/h)]低0.15kW/(kg/h)。与代表国际上挤出复合最高水平的两家国外公司(美国Davis Standard公司和日本住友重机械摩登公司)的挤出机进行比较表明，该成果研制的挤出机挤出产量最高，而配备的电机功率最低。该挤出机还具有挤出熔体温度低(低10-20℃)、物料适应性强等优点。(3)在上述宏观流场模拟和微观形态演变理论研究的基础上，结合研制的混沌混炼型低能耗挤出机，对高分子共混物(尤其是黏度比远大于1)和纳米复合材料(尤其是以聚烯烃这类非极性材料为基体)的形态演变、分散状态和宏观性能进行了系统研究，证实混沌混炼型挤出机可改善加工性能、降低加工能耗，尤其是其提供的拉伸和折叠效应有利于高度分散、薄片状、插层或剥离等形态的形成，在一定程度上解决了纳米粒子在高分子材料加工中易团聚的难题，大幅度提高了包装制品的阻隔性能和力学性能。(4)采用混沌混炼型低能耗挤出机以挤出的方法生产EVA预涂膜，与常规的采用有毒溶剂溶解EVA涂覆在基材上的方法相比，消除了有毒的有机溶剂的排放及其对环境的污染和人体的损害；此外，大幅度提高了挤出膜与复合基材的粘合性能，实现了“无胶粘促进剂的绿色复合工艺”。该研究成果首先丰富了高分子材料加工及流变学的内容，具有重要的科学意义。在国际和国内核心刊物以及国际学术会议上发表了系列论文，其中被国际三大索引(SCI、EI、ISTP)收录39篇次；被国内外同行在公开发表的论文中引用87次，其中被SCI 引用16次。其次，该成果取得了自主知识产权，打破了国外产品在中国市场长期垄断的局面，具有明显的节能、节材和减排的效果，是对民族包装工业发展的很大贡献。2004-2006年共制造、销售82条生产线，新增产值1.03亿元，新增利润311.5万元，新增税收279.0万元，其中出口生产线8条，创收外汇224.7万美元。这三年销售的生产线为用户节省了大量的设备购置成本，节约外汇5700万美元，每年为用户节约电费3172万元、原材料费用8170万元，减少有毒有机溶剂的排放6，480t。使用该成果后通过节电、节材和减排等使企业取得了很好经济效益的同时，还使不少企业可采用国产设备生产优质产品，也使因产品结构不合理而出现连年亏损的一些企业在短期内扭亏为盈，产生了极好的社会效益。