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塑料零件是电器及电子(E&
E)产品的主要部分,8.5﹪塑料产量用于该市场[1],这个数字虽然看似轻微,但它却比用于汽车工业的塑料总量(8﹪)[1]要大。
在电器及电子产品中塑料可以提供从占总重量3﹪的医疗设备到占33﹪的家用小电器及42﹪的玩具[1]。
在电器及电子产品中应用的塑料大部分是注塑成型,这样可以达到特定的几何要求。
注塑成型包括将树脂与添加剂熔融,然后注射熔体进入模具,等到树脂凝固,打开模具,取出塑件。
乍一看,注塑成型似乎是一个对环境相对良性的过程,由于其低直接排放水平,明显降低了能耗.然而,在计算注塑环境成本时,还必须考虑到该过程中配套工艺及原料的使用情况。
除了原料生产阶段产生大量的排放物外,在整个注塑过程中,主要的度量依据是能源消耗。
大型注塑产业的这个过程对环境的影响尤其重要。
换句话说,在这个过程中微小的效率提高可以对环境产生大量的节约。
本文从环保的角度探讨注塑,形成该过程一种系统级别的环境分析方法。
它提供了一个透明的过程模型,包括注塑制品生产的所有主要步骤,并显示注塑最重要工艺参数之间的相互关系。
本文介绍我们对四个主要问题详情调查结果的摘要信息:
1.能量消耗与生产能力的关系。
2.液压式与全电式注塑机在环境绩效上的不同点。
3.二级/辅助工艺在能量核算中的作用。
4.注塑成型的环境规模。
II.背景
出于对注塑成型生命周期清单(LCI)的考虑,已经投入许多精力研究原料(聚合物)生产,以及产品寿命周期方面,如拆解分离和回收再利用。
在这个领域的研究,值得一提的伊恩·
宝德(IanBoustead),他为塑料工业中使用最多的聚合物制定了一套“环境概况”,或者叫生命周期清单。
他为聚氯乙烯和聚丙烯注塑件成型编制了生命周期清单,前一个LCI研究了法国两台生产管道排水系统用聚氯乙烯配件的注塑设备[2],后一个LCI研究了英国一台生产12~76g聚丙烯零件的设备[3]。
这些研究针对小范围内一个应用或一套工艺参数的细节,以期望获得一系列注塑成型的典型值。
在广泛的数据基础上,这项研究将整合不同产品和原料的机械产过程的测量值。
它将为所有子过程提供一个透明的轮廓,把注塑过程连同其环境表现有机结合起来。
其它在这个注塑领域做出贡献的还有1996年马蒂斯(Mattis)等人和2002年布斯罗伊德(Boothroyd)等人通过三维实体建模用环境和数值模拟分析,探讨模具设计、零件设计和一些工艺参数对注塑过程效率的影响[4]。
布斯罗伊德(Boothroyd)等人的目标是开发出设计制造指南,制定一套可以预测注塑周期中机器大小和处理时间的公式[5]。
如果读者不熟悉注塑工艺,可参阅[6]。
III.机械能耗
不同类型注塑机的区分是依据它们如何驱动。
最早和最常见的是液压驱动注塑机,这种机器使用的一个或多个液压泵驱动所有机构的运动,可以每个传动装置由一个泵驱动,也可以由一个总泵驱动或者两者兼而有之。
在液压机中有两个明显的低效率。
首先,对大多数机器,即使在机器闲置时液压泵仍继续运行,消耗的能量并没有用于生产而是浪费掉了;
其次,体系结构中存在内在的低效,由电泵将功转换到液压管路中,再依次传递到各机械元件,每次传递都带来低效和损耗,为什么不消除这多出的“电-液”转换损耗呢?
这样,出现了全电动注塑机,正如其名称所示,这种机器利用伺服马达驱动每个机构工作。
大体上,一个伺服电机驱动螺杆旋转,另一个沿注射轴移动螺杆,而第三个动作触发夹具关闭模具。
除了上述主要伺服电机外,还可能存在其他电机运行次要功能。
这些机器平均具有超高效率,但由于夹具机构的不稳定,不适用于高夹紧力应用。
在这种情况下,出现了混合动力注塑机。
混合式注塑机既采用伺服电机又采用液压泵,最常见的配置是利用液压泵进行夹紧,用伺服马达驱动螺杆运动。
这种机器为了液动夹板的精度牺牲了全电式的部分高效率。
图1描绘了混合和全电注塑机运行相同的14秒注塑周期对能源的需求。
通过简单的对比可发现,应用全电注塑机比混合式节约大量的能源。
读者同时必须意识到,液压式注塑机的曲线将会比混合式注塑机的高。
因此,注塑机的选择对比能耗1(SEC),即每公斤聚合物加工能耗,有着重大影响。
三种类型注塑机超过100多种能量测量和计算已经被调查,分析表明液压、混合和全电注塑机的比能耗分别是3.39,1.67和1.46MJ/kg(不计电网效率)。
1这里我们使用一个通俗的说法,而实际上能量没有被消耗,只是使转换了。
比能耗更严格但不易理解的定义是“被消耗掉的比能”
液压式和混合式注塑机的比能耗似乎随着生产能力的增加而呈现下降的趋势,如图2所示。
这是由于固定的能量扩散消耗比因生产能力增加而多出的几公斤聚合物能量消耗要多。
液压和混合的功率可表述为:
(1)
其中,
(液压泵,计算机,等…)
处理聚合物的额外比能耗
这里,P0是必须的固定功率(机器开着但不加工聚合物时需要的功率),
生产能力或者加工速率,
是加工常数。
用比能耗表示的话,公式可表述为:
(2)
从图2中可以看出,随着生产能力的增加比能耗逼近常数
。
另一方面,全电式的固定能量消耗很低(不包括计算机运行),它们的比能耗随生产能力增加维持在一个常数,如图3所示。
IV.生命周期清单概要
为了成功编制生命周期清单(LCI),首先必须建立分析的系统边界。
就注射成型而言,整个过程开始于聚合物生产阶段,该阶段从地球获取原料,施加能量使其转变成聚合物。
然后将聚合物生料散装运到混炼机混炼,加入添加剂,使聚合物获得未来应用的性能要求。
再将聚合物运到注塑机,生产出聚合物成品.。
注塑过程中注塑机还可以添加一些添加剂,如色彩。
经过注塑成型,包装,产品随时都可以被消费者使用(最终的处置)。
这个分析的范围从“发源地到工厂大门”但排除包装过程,因此它包含从聚合物生料产品的生产到产品注塑成型全过程的一切。
图4精确地描绘了系统边界。
为了研发LCI,参考接近100篇原始资料。
大部分这些原始资料没有在参考文献部分列出,但可从[10]处获得。
LCI的结果被概括成如图5所示的图解。
读者必须注意的是,除了聚合物生产阶段,聚合物数据展示的随聚合物种类不同而变化是平均跟据美国注射模相对总量。
值得注意的是虽然注塑机械能耗似乎很低,图形中包含的工艺过程其他阶段是固定的。
考虑从混炼机到注塑机所有阶段的能耗,液压、混合和全电机器产生的比能耗分别是19.0,13.2和12.6MJ/kg。
这些值考虑了电流产生与驱动制造过程之间联所负担的能量2。
当聚合物生产阶段包含在LCI范围中,能耗值将上升到100MJ/kg。
在整个LCI中,聚合物的生产对环境有较大影响,在聚合物生产后面,注射机械和挤出过程的影响最大。
______________________________________
2美国电网的效率是30﹪.更多细节参见[10].
至于排放,大部分排放物来聚合物生产阶段。
如对这些排放感兴趣请参阅[11]。
其余的LCI中,排放物可分为:
与能量有关的排放和加工排放。
与能量有关的排放是指那些源自运行工艺所必须的电力生产过程中的排放。
表1显示了混炼机和注塑机的与能量有关排放。
加工排放出现在聚合物加工场所,这些类型的排放量比较于能源相关很小。
比如挤压聚丙烯,每公斤聚合物产生0.185g挥发性有机化合物(VOC’s)。
0.030g颗粒物,0.0099g酮,0.0022g醛类和0.0018g有机酸[12]。
V.环境意义
相比于其他传统的制造工序,注塑似乎在能源消耗需求方面与它们在同一量级。
例如,像砂型、金属型铸造这样的工序有相似的能源需求(11~15MJ/kg)[13,14]。
不过,相对于半导体产业过程中使用的能源,如化学气相沉积技术与原子层沉积,注塑成型的影响似乎微不足道。
虽然这与事实相去甚远。
为了真正了解制造系统的影响,人们必须去了解它在经济方面的广泛应用。
注射成型技术是其中的主要生产工序,而其使用在增长中的经济体中每天都在增加,像中国和印度。
表2列出目前美国和世界注塑聚合物的估计量。
根据这些值和不同机种的分布,可估计注塑成型总能量消耗。
据斯奈德研究,在2002年,美国出售的机器有29%是基于电力驱动而不是液压[15]。
据此,我们假设70%的注塑机是液压式,15%是混合式,15%是全电式。
表3显示的结果是美国和全球能源的估计。
可以看出,美国全部注塑能耗每年最低达2.06×
108GJ。
此值包括了LCI中除了聚合物生产外所有步骤。
此值(2.06×
108GJ)与全美国沙型铸造能耗(1.62×
108-2.28×
108GJ,[14])大小相当。
为了让读者领会美国注塑能耗的规模,表4给出了几个国家的电力生产总量。
不核算电网,美国全部注塑能
耗达6.19×
107GJ/年3。
此值可以和表4中的值相比较。
由于小额的节约在全国规模上显然可产生巨大的能量节约,行业不断提高工艺效率似乎势在必行。
在能源价格上涨的时代,这似乎是一个明智的举措。
致谢
这项研究得到了美国国家科学基金会奖金支持DMI0323426.
______________
3等于用电量
参考文献
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注意:
LCI结果的计算用书并没有全部列出。
读者如果想获得相关书目,请查阅[10]。
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