塑料挤出成型设备及其发展趋势
摘要：简要介绍了我国塑料挤出成型设备、成型技术、特点及其发展趋势。
关键词：挤出机 挤出成型 塑料
1 引言
在我国塑料加工业中，几乎1／3～1／2的塑料制品是通过挤出成型来完成的。作为塑机的第二大类产品，挤出成型机组的产量和销售额约占塑料机械的20％ ～25％，其生产厂家分布在机械、轻工、化工、石化、建材、军工等行业，在地域上多集中在塑料加工业发达地区，如江浙、辽宁、山东、广东等沿海地区。全国124家主要塑机企业工业总产值为38．7亿元，沿海地区就占了70％ 以上。全国生产挤出机的厂家超过百家，多数为民营或乡镇企业，约占塑机行业厂家的60％，挤出机的品种占塑料机械品种的30％，这个比例还有逐年上升的趋势。全国每年能够生产300台(套)以上挤出机组的厂家仅有三四家，大部分企业只能生产低档次的老产品，难以达到经济规模，尤其在控制水平、效率、精度、可靠性和成套性等方面与发达国家相比差距较大。由于专业水平和产品技术含量低，决定了产品的附加值低，从而使企业的整体效益不高，在国际竞争中处于劣势。[1-5]
挤出技术的发展越来越具有如下特色：一方面要求挤出系统高效率，另方面又要求挤出系统具有灵活性、广泛适应性。应用广泛的高效挤出系统应兼颐这两个方面。市场对个性化产品的需求越来越多，而且交货时间短。这一发展趋势影响到各种生产工艺过程：与此同时，技术更新越来越快，对个性化产品的精度要求越来越高，产品周期越来越短。其结果是，模具更换加快，产品品种更换加快，对工艺技术的可靠性要求更高，残次品率要求进一步降低，在保证产品高质量的同时，生产装置要求更具灵活性。
挤出加工是热塑性塑料和弹性体的常用的加工形式，挤出加工可生产异型材、片材、板材、薄膜，电缆护层。挤出机除用于挤出成型外，还用于共混、混炼、排气、压缩及热塑性混合料的造粒。挤出工艺过程设计和参数设计应遵循下述原则：熔体通过量应无脉动，应符合要求；单位产量高；降解或交联造成的物料变化应尽可能小；熔体温度最佳；加工范围尽量扩宽，生产灵活性大；机械磨损低。
2 挤出成型设备
2.1 单螺杆挤出机
单螺杆挤出机驱动方式越来越多地从直流电机转向无刷三相流电机，因为此种电机可以免维护：最近，另一发展变化值得注意，几乎所有大电机厂商都已经或准备制造所谓的高扭矩电机(空心轴电机)。高扭矩电机的特点在于低转速下扭矩高。该项技术可以不用变速齿轮机构，不用维护机件。市场上其它令人注意的传动方式还有所谓的多电机传动方式，它是用多台对称安置的电机驱动一个中部输出传动齿轮机构，整个结构很紧凑。在单螺杆挤出领域内，人们并不认为高转速螺杆挤出机就代表技术发展新水平，而在双螺杆挤出领域内，高转速设备却得到了广泛认可。高速设备一般是指螺杆圆周速度大于l米／秒的挤出机。这一标准是1979~提出的，但今天仍然有效。早在60年代初期，人们就对高速设备应用进行了可行性研究。当时的研究结果暴露出了一些问题，就暂时放弃了高速设备。当时采用的螺杆直径较小、设计得很短，而且当时对加工工艺的认识也没有今天深刻、全面。从经济角度来看，提高螺杆转速是很有吸引力的一种方案。和挤出机大型化的方案比较，提高转速的方案可节省投资，尤其是节省挤出机机筒和变速齿轮机构的投资。
2.2 双螺杆挤出机
按螺杆旋转方向分类，双螺杆挤出机分为同向旋转和异向旋转双螺杆挤出机两大类。挤出加工都采用啮合型挤出机，即一根螺杆的螺纹接触到另一根螺杆螺根表面。这些年来，异向旋转双螺杆挤出机的性能有很大改进和提高，在相同螺杆中心距的条件下，挤出量增加一倍。原因有：用更加强有力的齿轮机构增大扭矩；增加螺杆和机筒的加工部分的长度；提高单位挤出量；改进现有的螺杆几何构型及尺寸；在保持螺杆中心距不变的前提下，增大螺杆直径。除了一般的常规用途以外，双螺杆挤出机还有一些特殊用途，例如：用于助剂和塑料的反应挤出；用于微粒HDPE和疏松HDPE的挤出，以及PP粉料挤出。过去，双螺杆大多设计成外部加热／冷却。而今天，双螺杆普遍采用内部温度控制的方式：内部温度控制有显著优越性，尤其是长径比L／D比值大的情况下更是如此。内部温控系统是一个封闭系统。只要螺杆转动，水循环回路就工作。水将螺杆端部危害性热量吸收，然后又将此热量传递给低温进料段。螺杆内部冷却的好处是，设计简单，无需独立的加热／冷却机构，可靠性高，不受机械故障干扰。事实上，采用内部加热／冷却，热量不光是通过机筒、而且也通过螺杆传递给螺杆开始部分，这就确保了入模头的熔体的温度分布非常均匀：高、而且稳定；开发特别短的塑化设备(长6D，螺杆直径80mm)；实现固体和熔体的有效分离。这里有两种不同方案，其一是将熔体送入空芯螺杆，其二是通过塑化段的套筒进行分离。
2.3 特种挤出机
在特种挤出机的研究领域，经我国广大科技工作者努力，在一些主要的机种如排气挤出机、串联式磨盘螺杆挤出机、往复式销钉螺杆挤出机、发泡挤出机、带熔体齿轮泵的挤出机、串联式多阶挤出机、行星螺杆挤出机等在国内均有厂家生产，具备了独立研发的能力，并享有自主知识产权，目前已进入系列化开发研制阶段。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以及系列产品[6]，已投入批量生产；北京化工大学最新研制成功的三类特种挤出机即12手提式高速排气挤出机[7]，28×中28熔体齿轮泵挤出机和CPJ75/135串联式磨盘挤出机。综上可以看出，经过十几年的努力，我国在特种挤出成型技术与装备的研究水平和开发能力方面与国际先进水平的差距并不是很大，一些新型混炼装备的主要机种国内基本都能生产，在某些领域还有所突破。但是如何将样机转化为定型产品，进而实现系列化生产， 尚需一段时问。
2.4 管材成型设备【8】
塑料管材与金属、水泥等传统材料相比，具有重量轻、耐腐蚀、导热系数低、绝缘性能好、内壁不结垢、流动阻力小、不生锈、易着色、易加工、不需涂装、施工安装维修方便等优点。因此在建筑、农业、化工、市政、医疗卫生等各个领域得到广泛应用，需求量逐年增大，各种塑料管材的应用范围见表l。在各类管材中，以硬聚氯乙烯(UPVC)管材所占比例最大。UPVC管最大应用领域是建筑业。在国外，管径可达 l O00mm，在供水工程中较多采用 200～ 630mm的大型管材。我国塑料管材在不同应用领域的产量，如我国在建筑排水管、电工套管方面，塑料管材应用较好，在埋地排水管方面应用较差。随着我国城市建设的发展，生活排水、工业排水及雨水排放和输送用的大口径塑料排水管需求量日益增加。由于城市排水管要求埋在地下，主要承受外压作用，故必须有较高的环刚度。而由PE和P V C 做成的双壁波纹管比实壁管节约材料50％-70％，且具有较大的环刚度和惯f生矩，因而被较多采用。
2.5 板材成型设备
在板材成型设备中，以硬质PVC微发泡装饰板加工设备发展最迅速，技术也最为复杂，在此仅以此为典型进行剖析。硬质PVC微发泡装饰板由于其密度小，内部有细微泡孔结构，表面类似于天然木材，因而又称“合成木材”，是一种新型化学建材。通过配方、工艺和模具的特殊处理，可生产多花色、多功能、多品种的产品。它仿木逼真，可像木材一样锯、钉、刨、胶粘，且在防水、防湿、防火、防虫、隔音陛能等方面又优于木材是一种十分理想的建筑装饰材料，可广泛用于天花板隔板、壁柜、商店店面、商品陈列布置材料；轮船、火车、飞机、汽车的内装饰材料；宾馆、办公室、住宅的室内墙面；广告业中用来制作各种层板、展台、标牌、公共标志物；家具业中用它制作家具、电脑桌、快餐桌；环保领域中用来制作化学防腐槽、通风管道等。据有关资料介绍，西方发达国家如意大利、奥地利，上述发泡板材产量占塑料制品的15％以上；200()年欧洲PVC微发泡制品的用量为l6．8万t，美国为7．5万t，其每年用量还分别以7％和17％的速度递增。硬质PVC低发泡技术的研究在国外始于上世
纪70年代，80年代实现工业化生产。90年代推出共挤芯层发泡法，由于其加工设备稍加配置不仅可以生产自由发泡板材和内向发泡板材，而且还可扩展成其它芯层填充回收料和多层共挤出板材的加工设备，因此在近几年发展迅速，被认为是最有发展前景的成型技术。
3 挤出成型装备发展趋势
3.1 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，也是科技工作者梦寐以求的目标。以 90单螺杆挤出机为例，从1961年它的产量为90kg／h，到1995年提高到600k#h，34年间产量整整翻了6．7倍；WP公司生产的ZSK MC型同向平行双螺杆挤出机从1995年到2001年的ZSK MV型，六年间螺杆转速从600r／min提高到l 800r／min，产量相应提高了2．5倍。挤出机高速、高产固然可使投资者以较低的投入获得较大的产出和高额的回报，但从技术角度看，I缒着挤出机螺杆转速高速化也带来了一系列需要克服的难点：如物料在螺杆内停留时间的减少导致物料混炼塑化不均；物料经受过度剪切造成物料急骤升温和热分解；挤出稳定性控制困难造成挤出物几何尺寸波动，相关的辅助装置和控制系统的精度必须提高；螺杆与机简的磨损加剧，需要采用高耐磨及超高耐磨材质；减速器与轴承在高速运转的情况下如何提高其寿命等一系列问题
3.2 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。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。一步法挤出成型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地优势。
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