（机械工程专业论文）高效pvc木塑挤出成型工艺及专用单螺杆挤出机研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 近几年来，木塑复合材料依靠国家循环经济政策的鼓励以及企业潜在效益需 求双重动力的推动，特别是在全球资源日趋枯竭，社会环保意识日见高涨，木塑 材料以其原材料的资源化、产品可塑化、应用环境保护化、成本经济化、回收再 生化等这些优点成功进入国家一些大型场馆设施建设后，其产量和用量急剧增 加，应用范围越来越广泛。但目前生产技术还没达到现代化的水平，设备能耗高， 生产不够稳定，效率低下等因素制约了木塑产业的进一步发展。因此，对木塑复 合材料的制备和加工进行研究，蕴含着巨大的经济效益和环保效益。 目前的木塑复合材料生产装备基本上是沿用塑料加工或木质人造板生产设 备，即使针对物料的性质特点对设备进行了一定的改造，但还是不能从根本上解 决生产能耗高、工艺不够稳定、设备的生产效率低等问题。 本文通过查阅国内外相关资料及对国内相关木塑生产设备厂家的实地调研， 分析了木塑的主要成型加工工艺的优缺点，结合广州金发绿可木塑科技有限公司 对木塑复合材料生产原料、中间产物、产品性能特点( 尤其是木塑混合物熔融体 的流变性能、木材塑料界面性质的调控) 及生产工艺过程的深入探讨和研究， 以公司实际生产p v c 木塑异型材的需要确定了被国内企业广泛采纳的二步法挤 出成型工艺，通过哈克转矩流变实验优化工艺参数指导实际生产，在传统成熟的 塑料成型加工设备的基础上，针对该公司现有的p v c 木塑生产设备在日常生产过 程中出现的问题加以分析研究，以节能、高效、环保为前提重点对挤出机螺杆， 加料口，加料段料筒等关键零部件及加热系统，传动系统进行了基于最小能耗的 机械优化设计，并对螺杆和机筒进行了选材及强度校核，设计结构合理、研发制 造符合p v c 木塑复合材料性能的环保节能高效单螺杆挤出机，与现有设备相比不 论是在能耗，效率和设备运行稳定性等各方面都有较大的改进。 关键词：p v c 木塑，挤出成型，加工工艺，单螺杆挤出机 a bs t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w o o da n dp l a s t i cc o m p o s i t e sd e p e n do nt h ee n c o u r a g e m e n to f s t a t ec i r c u l a r e c o n o m yp o l i c ya n dt h e d e m a n do fe n t e r p r i s ep o t e n t i a lb e n e f i t s ， e s p e c i a l l yw h e nt h eg l o b a l r e s o u r c e sh a v ed r i e du p ，t h es o c i a le n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o nc o n s c i o u s n e s sh a sb e c o m eh i g h w o o da n dp l a s t i c m a t e r i a l sh a v eb e e n a p p l i e dt os o m el a r g ef a c i l i t i e sc o n s t r u c t i o no f o u rc o u n t r yw i t ht h ea d v a n t a g eo ft h e r a wm a t e r i a l sr e c y c l i n g ，p r o d u c tp l a s t i cm e l t i n g ，a p p l i e de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ， e c o n o m i z a t i o no fr e c o v e r yc o s t ，b i o c h e m i c a lr e u s e t h ep r o d u c t i o na n dc o n s u m p t i o n i n c r e a s e dd r a m a t i c a l l y b u tt h ec u r r e n tp r o d u c t i o nt e c h n o l o g ya r en o tu pt ot h el e v e l o fm o d e r n i z a t i o n , w i t hh i g he n e r g yc o n s u m p t i o no ft h ee q u i p m e n t ，u n s t a b l e p r o d u c t i o n ，l o we f f i c i e n c y , a l lo fw h i c hr e s t r i c t e dt h ew o o da n dp l a s t i ci n d u s t r y s f u r t h e rd e v e l o p m e n t t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c ho nt h ep r e p a r m i o na n dp r o c e s s i n go f c o m p o u n dw o o dc o n t a i n se n o r m o u se c o n o m i cb e n e f i t sa n de n v i r o n m e n t a l b e n e f i t s a tp r e s e n t ，t h ew o o d p l a s t i cc o m p o s r em a t e r i a l sp r o d u c t i o ne q u i p m e n tb a s i c a l l y u s ep l a s t i cp r o c e s s i n go rw o o d e na r t i f i c i a lb o a r dp r o d u c t i o ne q u i p m e n t ，a n de v e no n t h eb a s i so fr e f o r m a t i o ni nt h en a t u r eo ft h em a t e r i a lo fe q u i p m e n t s ，w e c a n t f u n d a m e n t a l l ys o l v et h ep r o b l e mo fh i g he n e r g yc o n s u m p t i o no ft h ee q u i p m e n t ， u n s t a b l ep r o d u c t i o n , l o we f f i c i e n c y t h i sp a p e rr e f e r st or e l e v a n td a t a a n df i e l dr e s e a r c ho nt h ed o m e s t i c m a n u f a c t u r e r so fw o o d - p l a s t i cp r o d u c t i o ne q u i p m e r i t ，a n a l y z e st h ea d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e so ft h ew o o d - p l a s t i cf o r m i n gp r o c e s s ，c o m b i n e dw i t hg u a n g z h o u l e s c o k i n g f aw p ct e c h n o l o g yc o l t d o nw p cr a wm a t e r i a l s ，i n t e r m e d i a t e p r o d u c t s ，p r o d u c tp e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i c s ( e s p e c i a l l y t h em e l tr h e o l o g i c a l p r o p e r t i e so fw o o d - p l a s t i cm i x t u r e ，t h er e g u l a t i o no f t h en a t u r eo ft h ew o o d p l a s t i c i n t e r f a c e ) a n dt h ed e e pd i s c u s s i o na n dr e s e a r c ho f t h ep r o d u c t i o np r o c e s s t h en e e d s o ft l l ec o m p a n y sa c t u a lp r o d u c t i o no fp v cw o o d - p l a s t i cp r o f i l e sd e t e r m i n et h e t w o s t e p e x t r u s i o np r o c e s sw i d e l ya d o p t e db yd o m e s t i ce n t e r p r i s e s h a a k et o r q u e r h e o l o g i c a le x p e r i m e n t s o p t i m i z et h ep r o c e s sp a r a m e t e r s t o g u i d e t h ea c t u a l p r o d u c t i o n o nt h eb a s i so f t h et r a d i t i o n a lp l a s t i cm o l d i n gp r o c e s s i n ge q u i p m e n t ，a n d 如rt h ep r o b l e m so ft h ep r e s t i g i o u sc o m p a n y se x i s t i n gp v cw o o dp r o d u c t i o n e q u i p m e n ti nt h eo r d i n a r yc o u r s eo f t h ep r o d u c t i o np r o c e s s ，w ea n a l y z ea n ds u r v e y , r e g a r d i n ge n e r g yc o n s e r v a t i o n ，e f f i c i e n c y , e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na sap r e c o n d i t i o n t h i st h e s i so p t i m i z e sm e c h a n i e a ld e s i g no nt h eb a s i so ft h em i n i m u me n e r g y f o rt h e n 武汉理工大学硕士学位论文 e x t r u d e rs c r e wf e e dp o r t ，f e e dz o n eb a r r e la n do t h e rk e yc o m p o n e n t sa n dh e a t i n g s y s t e m ，t r a n s m i s s i o ns y s t e m , s e l e c t sm a t e r i a l sa n dc h e c ks t r e n g t hf o rt h es c r e wa n d b a r r e l ，c o m p a r e dw i t ht h ec u r r e n te q u i p m e n t s ，e n v i r o n m e n tp r o t e c t i o na n de n e r g y e f f i c i e n t s i n g l e s c r e we x t r u d e r ，w i t hr e a s o n a b l es t r u c t u r e d e s i g n a n dp v c w o o d - p l a s t i cc o m p o s i t em a t e r i a lp r o p e r t i e s ，h a si m p r o v e dal o t i na l l a s p e c t so f e n e r g yc o n s u m p t i o n , e f f i c i e n c y a n de q u i p m e n to p e r a t i o ns t a b i l i t y k e yw o r d s ：p v cw o o dc o m p o s i t e ，e x t r u s i o nm o l d i n g ，p r o c e s s i n gt e c h n i q u e ， s i n g l e - s c r e we x t r u d e r 1 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 第一章绪论弟一旱殖比 1 1 挤出成型技术及装备的发展历史 挤出成型技术是伴随着聚合物加工工业的发展而发展的，作为聚合物重要的 成型加工技术之一，其发展过程经历了以下三个阶段【l 】： ( 1 ) 萌芽时期1 8 4 5 年，英格兰的h e n r yb e w l e y 和r i c h a r db r o o m a 最早 用挤出成型法生产包覆电线。那个时候的挤出机为柱塞式，操作方式由当时的手 动慢慢过渡到机械式和液压式，生产过程是非连续的而是间隙式的。 ( 2 ) 杆式挤出机阶段自1 9 世纪8 0 年代后开始出现螺杆式挤出机，并由德 国开始批量制造，且螺杆结构在不断的发展和改进。这个时期螺杆长径比为3 5 ，挤出机只适合于生产橡胶制品，对加工热塑性塑料难以满足混炼塑化的要求。 ( 3 ) 现代挤出机时代1 9 3 5 年德国p a u lt r o e s t e rm a s c h i n e n f a b r i k 有限公司 制造出第一台热塑性塑料挤出机，之后多年来己逐渐对其进行改进。从此挤出机 发展到了一个新阶段，即现代挤出机时代。这一阶段螺杆长径比开始超过1 0 ， 挤出机采用自动温控装置和无级变速传动装置，并采用直接电加热和空气冷却。 自现代单螺杆挤出机出现至今，可加工的聚合物种类、制品结构、制品形 式越来越多，挤出成型工艺及设备不断改进和更新，研究开发新产品和新工艺的 手段也在不断加强。 在螺杆挤出机的商业化方面，德国人p a u lt r o e s t e r 于1 9 3 5 年制造了第一台 专门用于热塑性塑料挤出的螺杆挤出机。随后，意大利l m p 公司的r o b e r t o c o l o m b o t 开发的一种啮合同向双螺杆挤出机成功地用于热塑性塑料的加工，并 在多个国家获得专利。p a s q u e t t i 贝t 根据不同的构思，设计了啮合异向双螺杆挤出 机。橡胶挤出机有着悠久的历史，早在1 9 世纪下半叶就已问世。最早出现的橡胶 出机是热喂料式的。2 0 世纪6 0 年代出现冷喂料式的新型挤出机并在在2 0 世 纪7 0 年代得到推广和应用【l 邑h j 。 在挤出理论研究方面，大约在1 9 2 5 年左右，有关螺杆挤出机的第一个理论 研究由r o w e l l 和f i n l a y s o n 共同发表。2 0 世纪5 0 年代中期，d a m e l l 和m o l 第一 次对固体输送有了定量研究并发表。大约在2 0 世纪5 0 年代末，b m a d d o c k 和 l s t r e e t 运用可视化技术( 螺杆项出法) ，利用螺杆上的取样切片来分析熔融过 程。2 0 世纪6 0 年代中期，z e h e vt a d m o r 在m a d d o c k 和s t r e e t 研究的基础上，对 熔融的定量研究有了进一步的研究并发表了相关成果。t a d m o 于1 9 7 0 年系统全 面的总结了其熔融理论研究的成果。自此，人们对从加料口到机头口模的整个挤 武汉理工大学硕士学位论文 出过程基本上有了定量的描述，后来的理论研究基本上也只是在前人基础上的推 广和延伸【1 2 】。 我国一些学者、团队、高校及科研单位在挤出理论方面也作出了较大 的贡献。如由华南理工大学彭玉成教授和北京化工大学朱复华教授带领的 两个科研团队经过二十余年的钻研，在聚合物加工可视化技术、挤出理论 及应用方面取得系列成果，作出了自己的贡献【1 3 】。 随着c a d c a e c a m 技术在挤出过程及加工设备中的广泛应用，挤出 设备的设计，制造水平将会向前大踏步迈进。现代挤出机技术的出现和进一 步的发展必将推动挤出机往操作简便、控制精确、节能高效、清洁生产的目标而 不断改进的新型设备方向发展。 1 2 木塑复合材料简介 木塑复合材料是指以木本、禾本和藤本植物及其加工剩余物等可再生生物质 资源为主原料，配混一定比列的高分子聚合物，通过物理、化学和生物工程学等 高科技手段加工制造为性能优异、品种多样、用途广泛、环境友好并能代替木 材塑料等产品，具有现代科技特点的一类新型材料。目前国内外对此也还没有 统一定义，也经常有人称之为塑木、科技木、环保木、合成木、再生木或保利木， 其标准英文名称为：w o o d & b i o f i b e rp l a s t i cc o m p o s i t e s ，业内习惯称其为w p c 。 目前国内开发出的木塑制品大致有三个分野，即以物流器具和铺板为主的初级产 品；以户外景观建筑和普通装饰材为主的中级产品和以复杂结构型和集约化成套 部件为主的高级产品。 由于木塑材料在循环经济发展中凸显出来的各种优势使它较之其它新型材 料具备更多的优点： ( 1 ) 原料多样化。木塑原料可以是农林作物秸秆、林木产品废余量，壳皮等 大量初级生物质材料，实现了资源的高效利用和有效利用。 ( 2 ) 制备可塑化。木塑复合材料全系人工合成，制造的自由度空间广，可以 制作成任何形状和规格的产品。 ( 3 ) 产品环保化。制造木塑材料用的原、辅料，助剂均清洁安全，在产品的 生产和应用过程中均无毒害物质产生，是人造材料中最具原生态的绿色产品之 一 ( 4 ) 应用经济化。木塑材料成材利用率高；使用维护费低；产品应用领域广 等，同木材和塑料的经济性相比具有一定优势。 ( 5 ) 再生低碳化。能够节省石油和森林资源，其自身的固碳效益和再生利用 对减少二氧化碳排放有着良好的示范作用。 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 国内外木塑成型装备的研究现状与技术水平分析 1 3 1 国内木塑设备的现状和技术水平分析 目前国内直接从事木塑专用生产设备的企业虽说为数不多，但受其影响和作 用的范围一直在扩大，其中以“珠三角”和“长三角”地区的木塑企业最为集中。 在我国作为比较成熟庞大的塑料加工机械行业，虽有更多像南京赛旺科技发展有 限公司等这样的企业想加入专用设备生产行列，但由于对木塑材料加工性能的 理解不够透彻、工艺技术的限制及多种因素，造成实现这一目标进程缓慢。我国 对木塑复合材料的研究应用真正起步于2 0 世纪9 0 年代，台北学者及中国林科院、 东北林业大学、南京林业大学、北京化工大学等科研单位在木塑基础研究、加工 技术开发等方面相继展开了许多工作，随着对国外信息技术的借鉴，经过十多年 的发展历程，目前虽然已取得一些重要成果，以苏、浙、鲁、粤四省为代表的木 塑产业群及产业链也在完善，产业格局也逐渐在形成，加快了木塑的产业化进程。 但是与国外一些先进的国家相比还是有一定的差距【2 引。 ( 1 ) 在常规单螺杆挤出机组的性能方面，我国己能生产门类齐全的长径比大 多在2 5 - - 3 0 ，螺杆直径为0 1 2 - - 0 2 5 0 m m 多种规格的挤出机组，像屏障型、分流型、 分离型、流束位置变换型以及变流道型等这些新型的混炼元件应用越来越广泛： 直径0 1 5 0 - 。0 2 0 0 的大型挤出机加工的大型挤出机加工p v c 等热敏性物料时为5 4 2 r m i n ，加工烯烃类物料时为速度可达5 0 ，- - 7 5 r m in ；直径0 3 0 以下的小型挤出 机在加工p v c 等热敏性物料时为1 8 1 2 0 r m i n ，加工烯烃类物料时为1 6 0 2 0 0 r m i n ；由北京化工大学自主研制成功的手提式单螺杆排气挤出机直径为 0 1 2 m m ，最高转速可达1 2 0 0 r m i n 。南京赛旺科技发展公司研发的s w m s d 系列第二 代木塑单螺杆挤出机克服了原有的单螺杆挤出机不能抽真空，水分无法排除的大 问题，长径比大，混炼效果好，产量可达1 3 0 k g h ；而国外单螺杆挤出机的最大 长径比达6 0 ，螺杆直径最d , 0 6 咖，最大为0 7 0 0 m m 。由日本池贝公司生产制造的 直径0 3 0 单螺杆挤出机，螺杆最高转速为3 0 0 0 r m i n ，挤出量为3 0 0 k g h ，远远超 出我国同规格设备1 4 k g h 的实际产量。常规单螺杆挤出机凭借结构简单、操作 容易、坚固耐用、维修方便、价格低廉等优点在我国未来一段时间内仍会占据很 大的市场，因此、如何实现单螺杆挤出机高速、高效及智能化，仍然是我国广大 塑机研究工作者所面临的一项艰巨而长远的任务。 ( 2 ) 在特种挤出成型装备研究领域，在我国广大科研工作者及科研单位的共 同努力下，像销钉螺杆挤出机、串联式磨盘螺杆挤出机、排气挤出机、发泡挤 出机、带熔体齿轮泵的挤出机、行星螺杆挤出机、串联式多阶挤出机的等一些 主要机种都已经具备了工业化生产的能力。由华南理工大学发明并研制成功的 3 武汉理工大学硕士学位论文 塑料电磁动态塑化挤出机以及系列产品己投入批量生产。北京化工大学最 新研制成功的0 1 2 手提式高速排气挤出机，0 2 8 熔体齿轮泵挤出机和c p j 7 5 1 3 5 串联式磨盘挤出机也即将产业化。 通过上面的介绍可以看出，我国在特种挤出成型技术与装备的研究水平和 开发能力方面已经取得了一定的进步和成果，与美国、加拿大及欧盟国家在内 的发达国家差距在慢慢缩小，新型混炼装备的一些主要机种国内差不多都能生 产，甚至在某些领域有赶超国外的趋势。但是科研成果产业化进程缓慢，将 样机转化为定型产品并产业化继而投放市场尚需一段时间。 1 3 2 国外木塑生产设备产业现状和水平分析 2 0 世纪7 0 年代国外就已经开始进行了木塑研究，9 0 年代以来，北美、欧洲 的许多国家对木塑进行了大量的研究，在木塑复合材料快速发展的同时也促进了 木塑复合材料成型技术装备的进展，世界上著名的挤出机生产商都已经开始涉足 木塑专用成型设备的研发行列。 2 0 世纪九十年代k l t l y a n 等人就开始采用同向啮合双螺杆挤出机加工木塑 复合材料，美国辛辛那提米拉克隆公司( c i n c i n n a t im il a c r o n ) 作为生产w p c 加工设备的龙头企业，提供传统的锥形双螺杆挤出机、同向旋转双螺杆挤出机和 异向旋转双螺杆挤出机供用户选择，其中可用于加工高填充混合木塑复合材料的 t c 9 6 锥形双螺杆挤出机号称目前世界上最大的锥形双螺杆挤出机，产量可达 11 8 2 k g h 。该公司加工w p c 的最大的异向平行双螺杆挤出机生产线是t p l 7 2 ， 新近开发的同向双螺杆挤出机t i m b e r e x 最大机组的w p c 产量高达3 6 3 0 k g h 。美 国m a p l a n 公司生产多种型号的单螺杆和双螺杆挤出机及辅机供生产木塑制品的 用户选择。其单螺杆挤出机适合加工事先造好粒的w p c 粒料，产量可达1 0 4 0 k g h ， 异向旋转双螺杆挤出机可直接用于异型材的挤出，产量可达到1 2 7 0 k g h 。该公 司同时还提供两级行星齿轮挤出机，树脂和木粉在第一级中经历低剪切和短暂停 留时间并发生混合，然后进入第二级，在压力作用下造粒或挤出型材，产量可以 达到2 7 2 0 k g h 且挤出的制品均匀。 奥地利、美国、德国也先后开发了用于加工w p c 的高速高产的双螺杆挤出机， 这种设备的主要生产厂商为c i n c i n a t t im il a c r o n 公司，包括在美国的 e x t r u s i o nt e km i l a c r o n 公司，在德国的s m c 公司c i n c i n a t t i 分公司。其中由 美国的a n d e x 公司生产的塑木复合材料建筑和结构加工设备在世界上居于领先 地位。日本也有以著名的e i nw o o d ( 艾因木) 株式会社为代表的研究机构，其 生产的制品代表了世界木塑发展方向和水平。 在硬质p v c 微发泡板材成型装备方面，欧洲主要以锥形双螺杆和异向旋转平 4 武汉理工大学硕士学位论文 行双螺杆挤出生产线为主，主要厂家有德国的巴登费尔德( b a t t e n f e l d ) 和克劳斯 玛菲( k m u s sm a f f i a ) 公司、意大利的保山诺( b a u s a n o ) 和阿姆特( a m u t ) 公司。 国外木塑复合材料生产线的进展也十分迅速，加拿大o n y x 公司1 9 9 7 年就首批 建立了3 条生产线，每条生产线的生产能力为1 0 0 0 t a ，而1 9 9 9 年就达到4 3 条生产 线：意大利i c m a 公司生产的w o o ds t o c k 牌生产线已经在全球范围内超过了5 0 条； 俄罗斯伊莫埃特公司开发了高填充量木塑复合材料生产线3 0 余条，并推广到了乌 克兰、保加利亚和白俄罗斯等国家。 1 4 本课题研究的目的、意义和内容 1 4 1 课题研究的目的和意义 绿色、环保、节能是新时代制造业发展的主旋律。由于木塑复合材料的原料 来源于木材加工的边角废料，废旧木材、回收的塑料及农作物秸秆等剩余物且其 生产和使用过程中均无毒无有害物质产生，材料本身还可循环再利用，是人造材 料中最具原生态的绿色产品之一，符合国家倡导的低碳循环经济要求们，对缓解 我国经济与社会可持续发展中资源与环境两大“瓶颈”压力，展现资源节约和环 境保护事业的发展远景，具有重要的现实价值和历史意义。 另外木塑复合材料及其装备还名列国家“十一五”资源综合利用指导目录 和国家鼓励发展的环保设备产品目录。近年来得力于循环经济理念支撑和 国家资源节约与环境保护政策的大力推行，在科学发展观和政府有关部门的支持 下木塑建筑材料成功参与北京奥运会和上海世博会等重要场所建设后，木塑产业 进入了快速发展的时期。随着人们生活水平、文明程度的提高，环境保护意识的 增强，木塑产业及其挤出机械面临着良好的发展机遇。设计结构合理、运行高效 稳定的木塑专用设备，是发展w p c 必须解决的问题，同时也是w p c 产品能够不断满 足新的市场需求而具有旺盛生命力的可靠保证。 在“十二五 国家战略性新兴产业规划中，木塑复合材料亦分别在“节能环 保”和“新材料”中风骚独领雄踞两席。因此，结合广州金发绿可木塑科技有限 公司对木塑复合材料的制备和加工设备进行研究必将给公司和社会带来巨大的 经济效益和环保效益。 1 4 2 课题研究的主要内容 结合木塑生产厂家的实践，在前人积累的经验基础上对现有设备的机械结 构、关键零部件、以及操作工艺条件进行基于最小能耗的结构优化设计。 本文主要的研究内容如下： 5 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 借鉴传统塑料挤出加工的研究方法及理论，结合广州金发绿可木塑科技 有限公司车间现有异型材挤出设备的运行情况及木塑复合材料的物理化学性能， 拟定p v c 木塑挤出加工工艺路线和成型设备的选择。 ( 2 ) 通过转矩流变实验研究p v c 木塑的可加工性探讨最优成型工艺参数及指 导实际生产。 ( 3 ) 挤出机其它关键零部件及传动系统，加热系统的结构优化设计。 ( 4 ) 进行p v c 木塑专用螺杆设计、强度校核。 ( 5 ) 挤出机机筒结构的拟定和设计，强度校正。 1 5 本章小结 本章阐述了挤出成型技术的发展历程及相关学者的研究成果，并结合木塑复 合材料的特点介绍了国内外木塑设备的产业现状和存在的技术问题。文章最后围 绕本文拟开展研究的内容所需要做的工作做了简单的说明。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第二章p v c 木塑复合材料的加工工艺与设备 2 1p v c 木塑成型技术的现状和问题 p v c 木塑是一个表面看似普通，内在技术却要求较高的新型复合材料，从表 面上看虽然其加工方法和主要设备与普通塑料加工相类似，但作为一个横跨多个 分支领域的国家新兴产业，其主要生产设备具有自己独特的专业特色，其加工难 度远远超出普通塑料制品。其工艺、技术和装备不仅需要植物纤维、木材化学、 物理化学、精细化工、高分子化学、流体力学、塑料加工及分散混合等多学科交 叉的牢固专业知识来做理论支撑，同时又需要有丰富的生产经验来进行试验和探 索。由于我国对木塑的研究起步比较晚，在很长一段时间内没有深入研究，对p v c 木塑的性能理解还不透彻，在生产技术和成型设备上与美国、欧洲及日本等先进 的国家相比还有一定的差距，特别是在专用成型设备这一块基本上还是沿用塑料 成型机械或是进行简单的改造，导致生产效率低，能耗高，制品质量不够稳定等。 在国内有关研究机构及工程技术人员多年的刻苦努力钻研下，近几年来在木 塑复合材制造关键技术上有了一定的进展和成就，但在以植物纤维高填充量的前 提下，要解决木塑复合材料生产过程中难混合、难成型、高能耗和低生产率的同 时保证稳定的生产和制品性能还有一定的困难，需要继续从以下三个方面来开展 研究。 ( 1 ) 原料配方的处理 木质纤维材料具有极强的亲水性且在与聚合物基共混时分散不均匀，而热塑 性塑料大多数为非极性的，具有疏水性，因而两者的界面相容性很差。如何改善 木塑复合材界面相容性问题有待进一步深入研究。 ( 2 ) 合理的生产工艺及专用设备 与制造业中大多数行业不同，木塑主要成型设备的生产性能主要是由生产工 艺来决定的而不是决定于设备的自然属性和规定性能，只有在合理工序的基础上 确定科学的工艺流程，有了较为固定的生产工艺，专用设备的规范化问题就可以 迎刃而解了，从而实现以高效，稳定，节能的方式生产优质的木塑制品。 ( 3 ) 成型模具的设计及与主机配套的辅机设备 木塑制品的生产过程是一个系统问题，影响其质量和产量的因素是多方面 的。模具和辅机的好坏也直接关系到型材表面质量和型材的尺寸精度。 本文结合广州金发绿可木塑科技有限公司车间生产线的具体运行情况，在以 现有p v c 木塑配方的前提下，对生产过程中出现的问题加以分析，和公司技术人 7 武汉理工大学硕士学位论文 ，员共同探讨改进方法和措施，重点旨在改进和优化现有工艺及生产设备，使得生 产速率与现有设备相比都有一定程度上的提高，能耗有所降低，稳定性较好。 2 2p v c 木塑的成型方法和加工工艺流程 就现有技术而言，目前用于工业生产领域的木塑制品的成型加工方式主要有 挤出成型、注射成型、模压成型和热压成型四种工艺路线阳一2 副。 2 2 1 挤出成型 挤出成型是高分子材料加工领域中所占比重最大、生产率高、变化众多、适 应性强、用途最广泛的成型方法。与其它加工方法相比，挤出成型工艺简单，周 期短、效率高，产品质量稳定、成本低，是一种低能耗高产出的生产工艺，在目 前企业的工业化生产中应用更为广泛。 物料在挤出机中通过加热、加压而使其以流动状态连续通过口模成型的方法 称挤出成型，所得的制品为具有恒定截面形状的连续型材。这种成型工艺是在传 统成熟的塑料制品挤出生产工艺的基础上发展而来的，对物料粒目大小和含水率 有一定的要求，挤出成型技术分为一步法和两步法。 ( 1 ) 一步法挤出成型工艺 木塑复合材制品的一步法挤出成型，是指在生产木塑复合材的过程中，不经 过中间造粒阶段，直接将处理过的木质纤维原料、热塑性树脂( 也可以是经过处 理的废旧塑料) 及其他助剂加入到挤出机中，实现在一个或一组设备内连续完成 脱挥、混合、塑化和挤出成型的过程，如图2 一l 所示为其工艺流程图。该种成型 工艺可以实现连续化生产、效率高，使木塑复合材的生产成本显著降低，市场竞 争力强。采用一步法直接挤出，对挤出机提出了更高的要求。为了使螺杆对原材 料的热传导过程更迅速、更均匀，这类挤出机需具有独特的压缩和低速剪切混合 塑化的能力，同时经充分优化的给料区表面积。在螺杆设计时需提供一个较大的 给料区，方便松散物料和在加工时施加的自然压缩力，这样木粉就会被更有效地 “浸湿”。 8 武汉理工大学硕士学位论文 图2 1一步法挤出成型工艺流程 ( 2 ) 两步法挤出成型工艺 两步法挤出成型工艺，相对一步法挤出成型工艺操作简单，可以先混合造粒， 然后再挤出木塑复合材制品。这样就可以使生产粒料过程和挤出成型过程分开进 行，具有一定的灵活性，也是现今企业最为常用的成型工艺方法。 两步法成型工艺主要包括两个工艺流程：混炼造粒和挤出成型，分别如图 2 - 2 和图2 - 3 所示。 图2 - 2混炼造粒工艺流程 图2 - 3挤出成型工艺流程( 两步法) 9 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 2 注射成型 注射成型是在高压状态下将木塑熔体以高速注入到闭合的模具型腔内，经冷 却定型后脱模得到和模具型腔形状完全一致的制品。 注射成型可以获得形状复杂，结构、尺寸精确及带有嵌件的制品，成型周期 短，生产效率高，成本低：但对模具要求高，要求木塑复合熔体的流动性好，在 木纤维( 木粉) 添加量较大的时候不适用。 注射成型工艺过程如图2 - 4 所示。 2 2 3 模压成型 图2 - 4 注射成型工艺流程 模压成型工艺是复合材料生产中最古老而又富有无限活力的一种成型方法。 它是将一定量的预混料或预浸料加入金属对模内，经加热、加压固化成型制品的 方法。 模压成型工艺的主要优点： 能一次成型结构复杂的制品；表面光洁，无需二次修饰：产品尺寸精 度高，重复性好：生产效率高，易实现专业化和自动化生产；批量生产时价 格相对低廉。 模压成型的缺点：模具制造复杂，投资大；不适于生产形状复杂、尺 寸精度高、壁厚不均的制品；不适于生产带有凹陷、侧面斜度大或有侧孔 的复杂制品。 模压成型工艺流程如图2 - 5 所示。 l o 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 4 热压成型 热压成型工艺的过程是将木质纤维材料经简单的常温复合方式混合( 组坯) 后再热压成复合材料。 木塑复合材的热压成型技术，常常被称为木塑复合材的人造板工艺，适合于 高比列木质纤维材料含量的木塑制品的生产，可利用不同形态的木质纤维材料与 塑料成型一定规格的不连续的塑木制品。 热压成型工艺流程如图2 - 6 所示。 图2 - 6 热压成型工艺流程 通过以上几种木塑成型工艺的分析比较，可以发现挤出成型具有生产效率 高、连续化生产、单机产量较高、可一机多用。与其他成型设备相比，挤出设 备比较简单，造价低、制造较容易、挤出成型生产线设备费用较低、安装调试较 方便。设备占地面积较小，对厂房及配套设备要求也相对简单，上马快。生产操 作较简单，工艺控制容易，易于实现自动化生产。 虽说一步法挤出成型工艺省去了混炼造粒这样的步骤，甚至包括原料的干 燥、计量混合均在线进行，具有连续生产效率高的特点，但其成型工艺对设备， 武汉理工大学硕士学位论文 工艺要求较高，控制较难，相比之下两步法技术较为成熟，先配混、造粒，然后 挤出成型的方法容易操作，工艺的灵活性优点对企业更具有吸引力。本木塑异型 材生产用挤出机正是基于广州金发绿可木塑科技有限公司成熟的配方和造粒技 术采用两步法挤出成型工艺。 2 3 常用木塑挤出成型设备的对比分析 w p c 的挤出成型与常规挤出成型相比具有显著的差异。木材填料一般含8 1 2 的水分，其在通常的塑料加工温度下会挥发，造成塑料熔体膨胀形成不规则 的发泡，以及导致挤出过程不连续和制品内部出现空穴和缺陷等。木粉的低容积 密度、低热稳定性和宽尺寸分布范围也将造成挤出过程加料和成型困难。所有这 些问题对于加工w p c 提出了特别的挑战。为此，如何选用最佳的成型设备对w p c 的工业化应用具有重要的意义。 目前市场上可用于w p c 成型的挤出机主要有单螺杆挤出机、双螺杆挤出机以 及由北京化工大学最新开发成功的串联式磨盘挤出机。目前工业生产上主要还是 以前两种为主，后者用于木塑复合挤出还是一个全新的研究领域，尚处于试验阶 段。如何来选用合适的挤出设备，用户可根据产品定位及结合自身条件酌情而定。 下面就详细介绍这几种挤出机挤出原理及各自的优劣。 2 3 1 单螺杆挤出机 单螺杆挤出机的输送原理是靠机筒和螺杆对物料的摩擦力差来实现对固体 物料的输送，特别是对于像木粉、木纤维类的木质纤维材料，其结构蓬松，堆积 密度低，流动性差，很难直接喂料，因此在用单螺杆挤出机挤出这类物料之前通 常需要对物料进行混炼造粒。另外由于单螺杆挤出机的排气效果不佳这就要求对 挤出加工物料的含水率要有严格的控制，尽可能低，以减少挤出过程中挥发气体 和水汽混入到制品中，从而影响制品的性能和质量。普通单螺杆挤出机的混合能 力较差，同时需要考虑物料的塑化效果，且在高速旋转的工艺条件下易出现物料 的烧焦或炭化。而且单螺杆的自洁能力较差，需要对螺杆进行不定期的清洗，以 避免螺杆粘料【3 5 a 3 , 4 4 1 。 尽管这样，但单螺杆挤出机作为挤出成型设备具有结构简单、设备成本低廉、 建压能力强、挤出相对平稳和易于操控的特点，较早地被引入到木塑成型设备的 行业应用于挤出加工中。为了解决普通三段式螺杆存在的问题，使单螺杆挤出机 能满足不同的加工需要，改善单螺杆挤出机的输送和塑化能力，通过用户在使用 过程中出现的问题的反馈及经过纵多设备生产厂家多年的摸索和实践，各设备厂 家进行过多种木塑专用螺杆、机筒结构的探索，从最初基本的纯螺旋结构，发展 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 到各种不同结构，各种新型的螺杆如分离型螺杆、分流型螺杆、屏障型螺杆等相 继出现，使得单螺杆挤出机的功能有所改善和提高。然而无论何种新型螺杆都无 法解决单螺杆挤出机依靠摩擦输送的原理从而也就无法从根本上避免加料段固 体输送率低、压缩段物料熔化不完全和均化段波动较大的缺点。 2 3 2 双螺杆挤出机 双螺杆挤出机是为解决单螺杆挤出机的局限性而逐步发展起来的。双螺杆挤 出机工作机理是基于正位移的输送作用，与单螺杆挤出机相比，由于双螺杆挤出 机具有输送能力强，更容易加入带状料、粉料及玻璃纤维等物料；塑化混合作用 好、自洁性好、物料在机器中停留时间短及具有节能等特点，被西欧一些国家所 普遍采用。实际生产中应用于木塑复合材加工领域的双螺杆挤出机按螺杆旋转方 向不同又可分为同向旋转平行双螺杆挤出机、异向旋转平行双螺杆挤出机和异向 锥型双螺杆挤出机【2 2 2 4 1 。 ( 1 ) 同向旋转平行双螺杆挤出机 同向平行双螺杆挤出机在工业生产上有高速、高能耗“配混”型设备之称， 由于同向旋转双螺杆挤出机在啮合处的速度方向相反，一根螺杆要把物料拉入啮 合间隙，而另一根要把物料从间隙中推出，所以物料从一根螺杆转到另一根螺杆， 呈“o o ”形前进。根据其结构特性及输送机理的研究及使用，物料在啮合处速 度发生改变及存在较大的相对速度有利于物料的混合和均化、自洁作用较强、可 实现高速运转、产量高等特点；但输送效率低，压力建立较低，主要用于聚合物 的改性、混炼物料和挤出造粒。设备易磨损，目前国内很少用于挤出制品。生产 这种同向双螺杆挤出机的著名机械厂主要有美国d a v i s s t a n d a r d 、k r u p pw p 等。 ( 2 ) 异向旋转平行双螺杆挤出机 异向旋转平行双螺杆挤出机正位移输送能力比同向双螺杆挤出机强，压力建 立能力强，因而多用来造粒和挤出木塑型材。但因有压延效应的存在，物料在啮 合区对螺杆有分离作用，使螺杆产生形变，导致机筒内壁磨损，而且随螺杆转速 升高而增强，所以此类挤出机一般在较低的转速下工作。由于物料在异向旋转平 行双螺杆挤出机内停留的时间短，剪切发热小，分散充分，因此适合于加工木质 纤维类热敏性差的材料，且径向温差较小，有利于提高木塑产品质量。另外，异 向旋转平行双螺杆挤出机螺杆传动功率和加热功率均较低，说明挤出机功率利用 效率高，具有节能特性。 ( 3 ) 异向锥型双螺杆挤出机 同“配混 型的设备相比较而言，异向锥型双螺杆挤出机有着低速、低能耗 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 “型材”设备之称。其输送能力和建压能力都很强，适合于木塑复合材制品的挤 出成型。受螺杆本身结构的影响使得其难以满足不同工艺配方的需求，并且转速 也受到一定限制，混炼效果不如平行双螺杆挤出机，适合于先经过混炼造粒后的 木塑粒料。由于锥型螺杆加料段和计量段直径的变化与物料在这一过程的变化能 较好的相适应，这对加工热敏性木塑复合材料来说是一大很明显的优势。 2 3 3 串联式磨盘挤出机 串联式磨盘挤出机具有超强的破碎、分散、剪切、混合和塑化性能优势，可 以解决使用普通单螺杆或双螺杆挤出机加工高填充物料时存在的问题，其核心元 件就是端面形状多样化的磨盘，可以通过调整磨盘组合以适应如导电材料、磁性 塑料、新型陶瓷、玻纤增强等不同高填充材料的挤出加工。北京凤记科贸有限公 司和北京化工大学特种挤出中心根据国内磁性材料以及其他高填充物料的需要， 自行开发研制的磨盘挤出机，已在多种复合材料的挤出成型加工试验应用中获得 成功。串联式磨盘螺杆挤出机能够适应多种工艺配方的要求，在高填充和高粘度 复合材料的共混改性这方面优势显得更加明显，由于串联式磨盘螺杆挤出机在破 碎、混合、混炼性能方面与传统的混炼设备相比要高许多，因此具有广