挤出成型工艺与应用

1、 PVC挤出成型工艺与应用B10011018 郭俊杰 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。经地100多年的发展，挤出成型制品已占塑料制品总量的1/3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、深入。   面对日益发展变化的挤出成型加工，笔者拟对挤出成型技术作一个全面的介绍，在回顾挤出成型发展历程的基础上，介绍

2、挤出成型的工艺和技术特点，以及新的成型工艺，并展提出成型的发展趋势。 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：   （1）萌芽时期 1845年，R.Brooman最早用挤出成型法生产包覆电线。当时的挤出机为住塞式，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80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3-5，难以满足热塑性塑料化的要求，只适合于生产橡胶制品。

3、  （3）现代挤出机时代 1935年德国Paul Tr 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阶段即现代挤出机时代。这一段的特征是挤出机采用直接电国热，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PVC管材，包覆电缆，PPS、PP和ABS片材、板材以外，还有PV

4、C型植材、交联聚乙烯管材、铝塑复合管、PP-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。此时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，出现了各处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。一、PVC的结构和性能 1.结构 PV

5、C分子结构: H H C CH Cl n PVC是使用最广泛的塑料之一，PVC材料是一种非结晶性材，树脂分子链中大多数是头-尾结构，只有少数的头-头结构和尾-尾结构。工业生产的PVC的聚合度在500-2000之间。 2、性能 PVC是无毒无臭的白色粉末。PVC塑料的密度为1.40g/cm3，加入增塑剂和填料的PVC3，玻璃化温度87，熔点160-212。 PVC塑料的力学性能取决于聚合物的相对分子质量、增塑剂及填料的含量。一般情况下，填料含量增加，其拉伸强度降低。未加增塑剂的PVC是硬质塑料，填加增塑剂后，柔软性、伸长率、耐寒性增加，玻璃化温度、脆性、硬度、拉伸强度等均降低。 PVC在65-8

6、5开始软化，170以上成黏流状态，140即开始少量分解，随温度升高分解速度增加，190以上大量放出HCL气体。PVC的含氯量高达56%，因而具有阻燃性和自熄性；而且具有良好的介电性能，是优良的电绝缘材料。此外，PVC是一种热稳定性较差的聚合物，在光和热的作用下能逐渐分解放出HCl，同时在力、氧、臭氧、氯化氰以及某些活性金属（如铜、锌等）离子存在下，使降解速度大大加快。 PVC脱除HCl后在主链上形成共轭双键，树脂的颜色发生变化。由于PVC热分解时放出HCl，而放出的HCl又对PVC的降解起催化作用，进一步加快其降解速度，因此，往往要加入某些碱性物质作为稳定剂，以防止PVC热降解。 尽管如此，R

7、PVC的熔体流动性仍然较差，需要较大的注射压力，同时为避免出现熔体破裂现象，在成型中宜选用低速注射。 PVC吸水性较小，通常在0.1%以下，对要求不高的制品，成型前可不干燥。为减少PVC加工过程中分解出的HCl气体对设备和模具的腐蚀，设备和模具必须选择防腐的金属材料，并做好相应的防腐工作。二、PVC材料改性 PVC具有优异的化学稳定性，它对大多数的无机酸和碱是稳定的，但在浓的硫酸、硝酸和铬酸的作用下发生降解。在硬质PVC（PVC-U）中，为了改善PVC的热稳定性、润滑性、增韧性及外观质量等，应加入各种助剂。提高PVC塑料性能的主要途径是寻找合适的稳定剂、增塑剂、填充剂等助剂进行合理配置，通过共

8、聚和共混对PVC进行改性是一种有效的方法。三、PVC管材的简介    PVC塑料是一种多组分塑料，根据不同的用途可加入不同添加剂，因组分不同，PVC制品呈现不同的物理力学性能，针对不同场合应用。而PVC塑料管在塑料管中所占的比例较大。    PVC管材分硬软两种，RPVC管是将PVC树脂与稳定剂、润滑剂等助剂混合，经造粒后挤出机成型制得，也可采用粉料一次挤出成型。RPVC管耐化学腐蚀性与绝缘性好，主要输送各种流体，以及用作电线套管等。RPVC管易切割、焊接、粘接、加热可弯曲，因此安装使用非常方便。SPVC管是由PV

9、C树脂加入较大量增塑剂和一定量稳定剂，以及其他助剂，经造粒后挤出成型制造。SPVC管材具有优良的化学稳定性，卓越的电绝缘性和良好的柔软性和着色性，此种管常用来代替橡胶管，用以输送液体及腐蚀性介质，也用作电缆套管及电线绝缘管等。 硬管生产中树脂应选用聚合度较低的SG-5型树脂，聚合度愈高，其物理力学性能及耐热性愈好，但树脂流动性差，给加工带来一定困难，所以一般选用黏度为（1.71.8）×10-3Pas的SG-5型树脂为宜。硬管一般采用铅系稳定剂，其热稳定性好，常用三盐基性铅，但它本身润滑性较差，通常和润滑性好的铅、钡皂类并用。加工硬管，润滑剂的选择和使用很重要，既要考虑内润滑降低分子间

10、作用力，使熔体黏度下降有利成型，又要考虑外润滑，防止熔体与炽热的金属粘连，使制品表面光亮。内润滑一般用金属皂类，外润滑用低熔点蜡。填充剂主要用碳酸钙和钡（重晶石粉），碳酸钙使管材表面性能好，钡可改善成型性，使管材易定型，两者可降低成本，但用量过多会影响管材性能，压力管和耐腐蚀管最好不加或少加填充剂。四、PVC棺材生产线的工艺流程 生产流程原料+助剂配制混合输送上料强制喂料锥型双螺杆挤出机挤出模具定径套喷淋真空定型箱浸泡冷却水箱油墨印字机履带牵引机抬刀切割机管材堆放架成品检测包装RPVC管的成型使用SG-5型PVC树脂，并加入稳定剂、润滑剂、填充剂、颜料等，这些原料经适当的处理后按配方进行捏合，

11、若挤管采用单螺杆挤出机，还应将捏合后的粉料造成粒，再挤出成型：若采用双螺杆挤出机，可直接用粉料成型    另外，在生产中可与上述所示流程不同，即采取粉料直接挤出管材而不进行造粒，但应注意两点：其一，粉料直接挤出成型最好采用双螺杆挤出机，因粉料与粒料相比，少了一次混合剪切塑化工序，故采用双螺杆挤出机可加强剪切塑化，达到预期效果；其二，因粒料比粉料密实，受热及热的传导不良，故粉料的加工温度可比相应粒料的加工温度低10左右为宜。五、PVC管材生产线设备（1）原料混合：是将PVC稳定剂、增塑剂、抗氧化剂等其它辅料， 按比例、 工艺先后加入高速混合机内，经物料与机

12、械自摩擦使物料升温至设定工艺温度，然后经冷混机将物料降至40-50度；这样就可以加入到挤出机的料斗。 （2）挤出机部分：本机装有定量加料装置，使挤出量与加料量能够匹配，确保制品稳定挤出。由于锥形螺杆的特点，加料段具有较大的直径，对物料的传热面积和剪切速度比较大，有利于物料的塑化，计量段螺杆直径小，减少了传热面积和对熔体的剪切速度，使熔体能在较低的温度下挤出。螺杆在机筒内旋转时，将PVC混合料塑化后推向机头，从而达到压实、熔融、混炼均化；并实现排气、脱水之目的。加料装置及螺杆驱动装置采用变频调速，可实现同步调速 （3）挤出模头部分：经压实、熔融、混炼均化的PVC，有后续物料经螺杆推向模头，挤出模

13、头是管材成型的关建部件。 （4） 真空定型水箱用于管材的定型、冷却, 真空定型水箱上装有供定型和冷却的真空系统和水循环系统，不锈钢箱体，循环水喷淋冷却, 真空定型水箱上装有前后移动装置和左右、高低调节手动装置。 （5）牵引机用于连续、自动地将已冷却变硬的管材从机头处引出来，变频调速。 （6）切割机：由行程开关根据要求长度控制后，进行自动切割，并延时翻架，实行流水生产,切割机以定长工开关信号为指令，完成切割全过程，在切割过程中与管材运行保持同步，切割过程由电动和气动驱动完成,切割机设有吸尘装置，将切割产生的碎屑及时吸出，并回收。 （7）翻料架翻料动作由气缸通过气路控制来实现，翻料架设有一个限位装

14、置，当切割锯切断管材后，管材继续输送，经延时后，气缸进入工作，实现翻料动作，达到卸料目的。卸料后经延时数秒自动复位，等待下一循环。六、挤出工艺控制 在生产过程中，由于PVC是热敏性材料，即使加入热稳定剂也只能是提高分解温度，延长稳定时间而不可能不出现分解，这就要求PVC的成型加工温度应严格控制。特别是RPVC，因其加工温度与分解温度很接近，往往因为温度控制不当造成分解现象。因此，挤出温度应根据配方、挤出机特性、机头结构、螺杆转速、测温点位置、测温仪器的误差及测温点深度等因素确定。 （1）温度控制  温度是影响塑化质量和产品质量的重要因素。温度过低，塑化不良，管材外观和力学性

15、能较差，经分流器支架后，熔接痕明显或熔接处强度低。由于PVC热稳定性较差，温度过高会发生分解，产生变色、焦烧，使操作无法进行。具体温度应根据原料配方，挤出机及机头结构，螺杆转速的操作等综合条件加以确定。 （2）螺杆冷却  由于RPVC熔体黏度大，流动性差，为防止螺杆因摩擦热过大而升温，引起螺杆黏料分解或使管材内壁毛糙，必须降低螺杆温度，这样可使物料塑化好，管内表面光亮，提高管材内外质量。螺杆温度一般控制在80100之间，若温度过低反压力增加，产量下降，甚至会发生物料挤不出来而损坏螺杆轴承的事故。因此，螺杆冷却应控制出水温度不低于7080。冷却方法是在螺杆内部用通铜管的方法进

16、行水冷却。 （3）螺杆转速  螺杆转速的快慢关系到管材的质量和产量。螺杆转速的调节根据挤出机规格和管材规格决定。原则上，大机器挤小管，转速较低：小机器挤大管，转速较高。一般45单螺杆挤出机，螺杆转速为2040r/min，90单螺杆挤出机，螺杆转速为1020r/min；双螺杆挤出机1530r/min。提高螺杆转速虽可一定期程序上提高产量，若过高地追求产量，不改变物料和螺杆结构的情况下，会引起物料塑化不良，管壁粗糙，管材强度下降。 （4）定径的压力和真空度  管坯被挤出口模时，温度还很高。为了使管材获得较低的粗糙度、正确的尺寸和几何形状，所以，管坯离开口模时

17、必须立即定径和冷却。RPVC管材一般均采用内压外定径的方法，管内通压缩空气使管材外表面紧贴定径套内壁定型并保持一定圆度，一般压缩空气压力范围在0.020.05Mpa，压力要求稳定，可设置一贮气缸使压缩空气压力稳定。压力过小，管材不圆，压力过大，一是气塞易损坏造成漏气，二是易冷却芯模，影响管材质量，压力忽大忽小，管材形成竹节状。若采用真空法定径，其真空度约为0.0350.070Mpa。 （5）牵引速率  牵引速率直接影响管材生产的产量，同时影响管材壁厚，牵引速率不稳定会使管径出现忽大忽小的现象。牵引速度应与管材的挤出速率密切配合。正常生产时，牵引速率应比挤出线速度稍快1%10

18、%。牵引速率愈慢，管壁愈厚，牵引速率愈快，管壁愈薄，还会使管材纵向收缩率增加，内应力增大，从而影响管材尺寸、合格率及使用效果。生产中调节牵引速率可用以下简单方法，将挤出的管材放于牵引履带内，但履带不夹紧管材，观察履带与管材线速率差，若牵引速率比挤出速率慢，应调节加快到壁厚符合要求为止。七、挤出管材常出现的缺陷及改进原因不正常现象产生原因解决方法表面无光泽 口模温度太低 口模内壁不干净 压缩空气供气不足或漏气 适当提高温度 清理口模 加大供气或检查漏气并修理壁厚不均匀 芯模与口模定位不正 塑化不均匀 牵引不正常 压缩空气不稳定 机头温度不稳定 应调整芯模与口模的中心位置 检查牵引装置 应是供气系

19、统平稳 加强塑化系统的控制 检查机头加热装置是否完好，并使机头周边温度稳定表面黑纹 原料添加剂分散不均 原料流动性太差 机头部位及过滤网温度过高 机头过滤网及分流版等结构不良 过滤网未清理干净 改进混合，加强搅拌提高分散性能 改进原料配方 适当降低温度 检查过滤网及分流版 清理过滤网表面皱纹及波纹 口模温度过高或加热不均匀 冷却定型装置供水不足，水温较高 牵引速度太慢 口模出料不均匀 检查加热装置是否损坏，降低温度 适当增加供水量 加快牵引速度 调整口模缝隙内壁裂痕 原料混有杂质 芯模温度低 料筒温度低 牵引速度过快 润滑剂太多 进行原料预处理 提高芯模温度 提高料筒温度 减慢牵引速度 调整配

20、方八、塑料挤出成型技术与设备的发展趋势 1、新型挤出混炼技术与设备的开发。 目前，国际上用于高分子材料共混改性的新型混炼设备主要有三大类：同向平行双螺杆挤出机、往复移动式螺杆混炼机和串联式磨盘挤出机。其中小型同向平行双螺杆挤出机国内已能生产，但万吨级大型混炼挤压造粒机组全部要依靠进口。同时。往复移动式螺杆混炼机和串联式磨盘挤出机是制备高填充、高附加值高聚物合金的必要装置，目前国内对他们的研制刚刚处于样机阶段，规格不多，品种不全，具有广阔的发展前景。 2、大口径管材挤出的异向平行双螺杆挤出机组、钢塑复合管挤出机组和大型双壁波纹管挤出成型机组及特种塑料管材专用挤出机组的开发研究。 3、复合挤出成型

21、技术和设备的开发研究。最近，多层共挤的超宽土工膜、包装用的拉伸拉幅平膜、建筑用的复合瓦楞板、芯层发泡板材和管材的市场需求量很大，与此相关的成型技术和装备的开发研究必须引起足够的重视。 4、CAD/CAE/CAM技术在塑料工业中的应用研究。应用CAD/CAE/CAM技术可使塑料机械的设计从费时、费钱的经验设计-试车修改的模式提高到准确、快速、高精度的现代化水平，从而提高塑料机械制造业的竞争力。 5、在线检测及自动控制技术应用。发达国家注塑机的数字、智能控制和比例或伺服系统技术以成熟，挤出机组可以实现全线联机控制，并于在线检测装置相连，根据采集和储存的信号实现反馈控制，保证了工艺条件的稳定，提高了产品的精度。 可以预测，未来挤出成型技术的发展方向是：减少劳动力和材料消耗，主要体现在尽量缩短更换产品的时间，尽可能在生产过程中更换及自动更换；通过增加设备的塑化能力，加大齿轮扭矩，进一步加大螺杆长径比来提高生产效率；在挤出生产线控制系统中不断应用感测技术、控制技术和人工智能技术，使制品的质量和生产的稳定性得到