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挤出成型设备的研究现状及发展

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挤出成型设备的研究现状及发展

摘要：本研究的主要目的探究近年来挤出成型设备的发展概况。本文详细的描述了关于单螺杆挤出机和特种挤出机的发展历程、相关研究的侧重的方向、及其现阶段的研究现状。同时文章指出现阶段的挤出机的发展趋势。

关键词：挤出成型；挤出机；

中图分类号: 文献标识码: 文章编号：

Research status and development of extrusion equipment
(School of Mechanical Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031, China)
Abstract：The main purpose of this study is to investigate the development of extrusion equipment in recent years. This paper describes in detail the development process of single screw extruder and special extruder, the direction of related research and the current research situation. At the same time, the article points out the development trend of extruder in the present stage.

Key words:extrusion molding; extruder

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1 引 言
挤出成型又称挤塑,将物料加热熔融成粘流态,借助螺杆挤压作用,推动粘流态的物料,使其通过口模而成为截面与口模形状相仿的连续体的一种成型方法。
挤出成型是聚合物加工中出现较早的一门技术，在塑料加工中占有重要的地位。经过100多年的发展，挤出成型制品已占塑料制品总量的1乃以上。在广泛的生产实践中，挤出成型的理论和技术得到不断的深化和拓展；可加工的聚合物种类、制品结构和制品形式越来越多；挤出工艺得到不断的发展；挤出成型的设备得以不断改进和创新,设备越来越大型化、高效率化、精密化、智能化及专用化；计算机技术在挤出成型加工中的应用越来越广泛、深人。
挤塑的优点是可挤出各种形状的制品,生产效率高,可自动化、连续化生产;缺点是热固性塑料不能广泛采用此法加工,制品尺寸容易产生偏差。生产的产品有管、棒、丝、薄膜、板、电线电缆的包覆材、异型材、中空制品等。
挤出成型技术作为聚合物加工技术之一,是伴随聚合物加工工业的发展而发展的。挤出成型的发展历程可以分为三个阶段:
(l)萌芽时期1845年,R.Brooman最早用挤出成型法生产包覆电线。当时的挤出机为柱塞式,操作由手动逐步过渡到机械式和液压式,生产过程是间歇式的。
(2)杆式挤出机阶段19世纪so年代后,开始出现螺杆式挤出机,由德国开始批量制造,并不断地发展和改进螺杆结构。这时期的挤出机螺杆长径比为3一5,难以满足热塑性塑料塑化的要求,只适合于生产橡胶制品。
(3)现代挤出机时代1935年德国PaulT比ster公司制造出第一台热塑性挤出机,从此挤出机发展到了一个新阶段即现代挤出机时代。这一阶段的特征是挤出机采用直接电加热,空气冷却、自动温控的装置和无级变速的传动装置,螺杆的长径比开始超过10。
现代挤出机技术的出现和进一步的发展,使得可加工的聚合物种类、制品结构、制品形式越来越多,挤出工艺不断改进,成型设备不断出新,研究开发新产品、新工艺的手段不断加强。目前用挤出成型法可以生产出各种各样的制品,除传统的vPC管材,包覆电缆,PPS、PP和BAS片材、板材以外,还有vPC型材、交联聚乙烯管材、铝塑复合管、PP一R管材、双向拉伸聚丙烯(BOPP)薄膜、多层共挤复合膜,各种发泡制品等。此外,可以运用挤出加工手段制备改性聚合物材料。此间发展的新技术有共混增强、增韧技术,辐射改性技术,纳米复合技术,以及其它一些新型改性技术在设备方面,出现了各种结构与功能的挤出机和生产线:如混炼型螺杆、排气式挤出机,双螺杆、多螺杆挤出机,反应式挤出机,组合式挤出机,以及适应高分子材料物理与化学特性而建立的成型装置和具备各种制品所需的专门功能、能够实施成型步骤的挤出生产线辅机等,以追求简便、控制精确、节能高效,清洁生产为目标而不断改进的新型设备。

2普通螺杆挤出机
单螺杆挤出机,最早是三段式螺杆。根据塑料结晶型与非结晶型,有突变型螺杆和渐变型螺杆之分。单螺杆挤出机另有输送、均化、混炼、排气、反应以及发泡等功能;在结构上具有更换螺杆方便,制造安装容易、造价低等优点。但是,随着高分子材料科学的发展,各种工程塑料及其共混合金的不断涌现,各种挤出制品,例如粒、线、片、板、管、膜、波纹管、异型材以及多层复合制品的开发,已再不是只用改变长径比、压缩比所能满足要求的了,而必须研制多种新型螺杆。至今,此类螺杆已有200多种。新型螺杆虽然如此之多,但有代表性的,按结构特征和功能分类有以下十种：(1)屏障型螺杆;(2)分流型螺杆;(3)分离型螺杆;(4)变流道螺杆;(5)沟槽型螺杆;(6)排气型螺杆;(7)剪切锥螺杆:(8)强冷输送螺杆;(9)空心螺杆;(10)分段螺杆。

图1 卧式单螺杆挤出机
近年来,粉状树脂、添加剂、填充剂日益增多。用粉料加工更为经济;因为粉料易着色、易加添加剂,更易配混“塑料合金”。但用单螺杆进行混炼会更加困难,有人为了解决单螺杆的粉料输送问题而发展双螺杆，同时双螺杆比产量相同的单螺杆所消耗的功率要低。
到现在双螺杆挤出机已有很大的发展,实际性的发展要比理论性的发展更为迅速。意大利LMP1938年首先制造用于生产硬PVC的双螺杆挤出机,1939年提供给德国I·G Farben集团。目前,商业化的双螺杆挤出机已有多种:①按旋转方向分,有异向旋转和同向旋转的;②按啮合程度分,有啮合型和非啮合型的;③按轴线方向分,有平等的和锥形的;④按转速分,有高速和低速的;⑤按结构分,有整体式的和组合式的。其中,比较典型的平行双螺杆挤出机有啮合型异向旋转双螺杆;啮合型同向旋转双螺杆(高速型一与低速型);非啮合型异向旋转双螺杆(“错列型”与“并列型”);在锥形双螺杆中,只有啮合型异向旋转双螺杆。
尽管双螺杆挤出有很好的混炼性能,特别更适宜加工硬聚氯乙烯粉料或混炼“塑料合金”,但是仍被一些问题困扰着,例如当混配硬聚氯乙烯切割造粒时,条状口模会造成很大的反压,致使剪应力增大。为了不使其过热分解,机器只好在低转速下工作,这是不经济的。因此,一些具有很好混炼性能的双螺杆挤出机,却往往受到最终制品的口模压力困扰。不能充分发挥其性能。例如,ZSK混炼机用于加工高粘度热敏性塑料时,采用条状口模,产量很低,若提高转速,反压过高,温升也增高,出现降解。这就促进了近代“联合型挤出机”又称“串联挤出机”、“多阶挤出机”、“紧密型连续挤出机”的发展。
“联合型挤出机”最有代表性的是“双阶挤出机”,它是由两个独立段组成;第一阶挤出机用于混炼;第二阶挤出机与口模相连,实现稳定挤出。这样,不仅发挥了各自的功能,而且增加了物料流动的热历程和工艺控制环节。例如WernerandPlerderer公司生产的“联合混炼机”:第一阶是用螺杆较长(L/D一15)的啮合型同向旋转平行双螺杆挤出机,以高速(300转/分)混炼,然后接一台螺杆较短的(L/D~6)单螺杆挤出机,在低速(21转/分)下挤出,还装有条状口模造粒机头。ZSK的“联合混炼挤出机”,第一阶用啮合型同向旋转平行双螺杆挤出机,螺杆线速度3.1米/秒;第二阶是用啮合型异向平行双螺杆挤出机,螺杆线速度5一8米/秒。又如法雷尔(FARREL)生产的CP系列“紧凑型连续配料混料挤出机”,第一阶是“FCM”双螺杆混炼机,第二阶是可以供热进料的单螺杆挤出机;法雷尔生产的另一种型式是用一台侧向排料的双螺杆挤出机与齿轮泵系统和水下切粒系统相联,用于LLDPE、HDPE、PP等造粒。

3 特种挤出机
随着新型高分子材料和新型加工工艺的不断出现,传统的常规单螺杆挤出机已不能完全满足生产要求,于是特种单螺杆挤出机应运而生。经过多年的研究和生产实践,其结构和性能日趋完善,在高分子材料成型加工中发挥出愈来愈大的作用。目前较为成熟的特种挤出机有特种单螺杆挤出机和特种多螺杆挤出机。
串联式磨盘螺杆挤出机：串联式磨盘螺杆挤出机的主要特点是:(l)在加料段采用大直径螺杆,增强了螺杆的刚性和强度,适用于大功率、高扭矩挤出;(2)采用深槽、大直径螺杆加料,可大幅度增加产量;(3)采用多组磨盘反复研磨物料,其破碎、分散、剪切、混合、塑化性能卓越;(4)采用组合式结构,磨盘和螺杆元件的形状及组合形式可以多种多样,适用范围广;(5)采用可调式磨盘间隙,适用于多种物料的加工。
往复式销钉螺杆挤出机：往复式销钉螺杆挤出机即布斯连续混炼机(简称Buss机),是生产塑料粉料和涂料的理想设备,适用于工程塑料、电线电缆、软硬PVC、热固性塑料、各种色母料的配混、造粒和成型。尤其在加工那些要求混炼质量高而又对剪切和加热较敏感的物料时,显示出“三低一高”(低压力、低剪切、低温升和高混炼质量)的优势。北京化工大学最新研制的WXJ一45往复式销钉螺杆挤出机就是其典型例子。
塑料电磁动态塑化挤出机：华南理工大学发明并研制成功的塑料电磁动态塑化挤出机也是一种新型的特种单螺杆挤出机,已获得多国专利,目前已投人系列化生产。
异向旋转平行双螺杆挤出机：与单螺杆挤出机相比,异向双螺杆挤出机具有很多优点。(l)加料容易。由于双螺杆挤出机是靠正位移原理输送物料,因此可加人粘度很高或很低的物料,以及带状料、糊状料、粉料等;(2)物料在机中停留时间短,滞留时间分布窄;(3)优异的排气性能;4)优异的混合、塑化效果;(5)比功耗低。异向旋转平行双螺杆挤出机的应用领域为:螺杆直径大于必80mm的机种,主要用于大型塑料管材、型材、板材的挤出成型;螺杆直径在必30mm左右的机种,多用于实验室等场合。

4 挤出机的发展趋势
（1）高速、高产化：长期以来,作为挤出成型装备主要性能指标的“高速、高产”一直是挤出成型机发展的主要方向,高的产出与价格比不仅是企业家最为关心的,而且也是科技工作者梦寐以求的目标。
（2）高效、多功能化：挤出机的高效性能主要体现在高产出、低能耗、低制造成本方面。在2001年10月德国举办的巧届国际橡塑展览会上展出的ZSK系列同向平行双螺杆挤出机单耗均小于01kw·h/kg,而国内的挤出机单耗为0.15-0.16kwh/kg。在功能方面,螺杆挤出机已不仅仅用于高分子材料的挤出成型和混炼加工,它的用途已拓宽到食品、饲料、电碳、电极、火炸药、建材、包装、纸浆、陶瓷等领域。此外,将混炼造粒与挤出成型工序合二为一的一步法挤出工艺也值得引起重视,因为这种工艺在缩短工艺流程、节省能耗、减少设备投资和占地面积、减少操作人员等方面比传统的两步法工艺具有明显的优势。
（3）大型化和精密化：挤出成型设备的大型化可以降低生产成本,这一点在双螺杆造粒机组、吹膜机组、管材挤出机组等方面的优势更为明显。
（4）模块化和专业化：实行挤出成型装备生产的“模块化”、“专业化已是大势所趋。“模块化”生产可以适应不同用户的特殊要求,缩短新产品的研究开发周期,争取更大的市场份额;而“专业化”生产可以将挤出成型装备的各个系统模块部件安排定点生产甚至进行全球采购,这对保证整机质量、降低成本、加速资金周转是有利的。
（5）智能化和网络化：世界工业发达国家的挤出机已普遍采用现代电子和计算机控制技术,操作台设有荧光屏监测,对整个挤出过程的工艺参数如熔体压力及温度、各段机身温度、主螺杆和喂料螺杆转速、喂料量,各种原料的配比,以及电机的电流电压等参数进行在线检测,并采用微机闭环控制。有的公司已采用网上远程演播、监测、诊断等手段,对挤出成型生产线进行网络控制。这对保证工艺条件的稳定、提高产品的精度是有利的。

5结束语
如今,塑料制品已无处不在,它可以在众多应用领域显示出其不同的性能,除原料与配方的不同外,适当的成型技术,将更一步地提高制品的各种性能、降低制造成本。
塑料成型技术和装备的发展趋势应会向更深层次地精密化、自动化、节能化、无人化方向发展。在这一领域里仍有广阔的空间让科研设计人员去畅游,让我们以更精湛的技术实现以塑代木、以塑代钢,减少自然资源的浪费与消耗,实现社会经济的可持续发展。
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