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塑料挤出成型新技术的发展现状

作者:管理员 来源:本站 浏览数:4389 发布时间:2012-11-18 23:23:37

       

挤出成型在塑料加工中又称为挤塑。挤出成型是聚合物加工中出现较早的一门技术,在塑料加工中占有熏要的地位。经过100多年的发展,挤出成型制品已占塑料制品总量的l3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刨新,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。

1.    挤出过程的主要工艺参数

挤出制品的质量和生产效率是同原料配方、挤出成型设备及挤出工艺条件等密不可分的, 实际生产中需要根据原料的挤出成型工艺性和挤出成型设备结构! 主要是螺杆结构、模头结构特点, 合理调整挤出工艺参数。挤出工艺参数主要有机筒温度、口模、螺杆转速、挤出速率和牵引速率等。

1.1.  机筒温度

机筒各加热段温度的选择要根据挤出机的结构特点, 所用塑料的配方体系及固体物料的形状!粒状、粉状%等进行。单螺杆挤出机主要用粒状原料成型, 机筒三段即加料段、压缩段、均化段, 以加料段温度为最低, 压缩段、均化段温度逐渐上升。双螺杆挤出机几乎都是排气式的, 即在机身中段处设有排气孔, 并配有真空吸出装置, 用于吸出物料中包含的挥发物。这就要求双螺杆挤出机排气口前的温度不能太低,以保证物料在机筒内被送至排气孔处为半塑化状态并包覆于螺槽表面, 防止粉状物料被真空吸出。双螺杆机筒的温度一般设定为两端高、中间低, 有时加料段的温度还高于均化段

1.2.  口模温度

口模是制品横截面的成型部件, 口模温度过高或过低所产生的后果与机头的影响相似, 所不同的是口模温度直接影响产品的质量 。熔融聚合物的传热问题一般包括两个方面􀀁 径向的温度分布和轴向的温度差。这两类问题都可以借助三传方程!连续方程、动量方程和能量方程和本构方程及合理的边界条件、初始条件并经过适当的简化来解决。通常的方法是要先将方程化为无因次的形式, 再利用数值方法求解。口模处的温度比机头温度稍低一些, 口模与芯模温度差不应过大, 否则挤出的制品会出现向内或向外翻或扭曲变形。因此, 口模温度的设定除需要考虑所用塑料的配方体系外, 还应考虑制品界面的几何形状。

1.3.  螺杆转速与挤出速率

挤出速率是指单位时间内挤出机从口模中挤出的制品的质量或长度。螺杆转速是控制挤出速率和制品质量的重要工艺参数􀀁 转速增加, 机筒内物料的压力增加, 挤出速率增加, 产量提高, 并可强化对物料的剪切, 提高料温, 降低熔体粘度, 有利于物料的充分混合与均匀塑化, 但螺杆转速过高、挤出速率过快会造成物料在口模内流动不稳定、离模膨胀加大, 使制品表面质量下降, 并且可能会出现因冷却时间过短造成制品变形、弯曲) 转速过低, 挤出速率过慢, 物料在机筒内受热时间过长, 会造成物料降解, 使制品的物理力学性能下降。

1.4.  牵引速率

牵引速率直接影响制品壁厚、尺寸公差和性能外观。牵引速率越快, 制品壁厚越薄, 冷却后的制品在长度方向的收缩率也越大,牵引速率越慢, 制品壁厚越厚, 且容易导致口模与定型模之间积料。牵引速率必须稳定且与制品挤出速率相匹配, 一般是牵引速率略大于挤出线速率。正常生产时,牵引速率应比挤出线速率快1% 10% , 以克服型材的离模膨胀。

 

2.    挤出成型新工艺

随着聚合物加工的高效率和应用领域的不断扩大和延伸, 挤出成型制品的种类不断出新, 挤出成型的新工艺层出不穷, 其中主要有反应挤出工艺、固态挤出工艺和共挤出工艺

2.1   反应挤出工艺

反应挤出工艺是20世纪60年代后才兴起的一种新技术, 是连续地将单体聚合并对现有聚合物进行改性的一种方法 , 因可以使聚合物性能多样化、功能化且生产连续、工艺操作简单和经济适用而普遍受到重视。该工艺的最大特点是将聚合物的改性、合成与聚合物加工这些传统工艺中分开的操作联合起来。反应挤出成型技术是可以实现高附加值、低成本的新技术 , 已经引起世界化学和聚合物材料科学与工程界的广泛关注,在工业方面发展很快。与原有的挤出成型技术相比, 它有明显的优点:节约加工中的能耗;避免了重复加热;降低了原料成本; 在反应挤出阶段, 可在生产线上及时调整单体、原料的物性, 以保证最终制品的质量 。反应挤出机是反应挤出的主要设备, 一般有较长的长径比、多个加料口和特殊的螺杆结构。它的特点是熔融进料预处理容易;混合分散性和分布性优异; 温度控制稳定;可控制整个停留时间分布;可连续加工;未反应单体和副产品可以除去;具有对后反应的限制能力;可进行粘流熔融输送;可连续制造异型制品。

2.2 固态挤出工艺

固态挤出是使聚合物在低于熔点的条件下被挤出口模。固态挤出一般使用单柱塞挤出机, 柱塞式挤出机为间歇式操作。柱塞的移动产生正向位移和非常高的压力, 挤出时口模内的聚合物发生很大的变形, 使得分子严重取向, 其效果远大于熔融加工, 从而使制品的力学性能大幅度提高。固态挤出有直接固态挤出和静液压挤出两种方法 。在直接固态挤出中, 预成型的实心圆棒状物料 被放人料筒, 柱塞直接接触固体物料, 推动物料从口模中挤出。在静液压挤出中,挤出所需的压力由柱塞经润滑液传递至料锭, 料锭形状与口模相配合以防止润滑液漏失。由于单柱塞挤出机的料筒截面积远大于口模截面积, 因此挤压料锭通过口模时需要足够的压力, 在力的作用下固体物料产生变形和分子取向。固态挤出中, 将料筒截面积与口模截面积之比定义为挤出比。在高挤出比的情况下, 基本上不产生熔融挤出中的离模膨胀现象, 因而挤出物的尺寸与口模尺寸相等。固态挤出高密度聚乙烯的力学性能优于熔融挤出的HPDE, 其拉伸强度与碳素钢相近 。固态挤出的基本过程不连续, 不能用普通的聚合物加工设备成型, 而且需要很高的压力才能实现挤出。

2.3 共挤出工艺

在塑料制品生产中应用共挤出技术可使制品多样化或多功能化, 从而提高制品档次。共挤出工艺由两台以上挤出机完成, 可以增大挤出制品的截面积, 组成特殊结构和不同颜色、不同材料的复合制品, 使制品获得最佳性能。按照共挤物料的特性, 可将共挤出技术分为软硬共挤、芯部发泡共挤、废料共挤、双色共挤等。由三台挤出机共挤出聚氯乙烯发泡管材的生产线 , 比两台挤出机共挤方式控制的挤出工艺条件更准确, 内外层和芯部发泡层的厚度尺寸更精确, 因此可以获得性能更优异的管材。随农用薄膜、包装薄膜功能发展的需要, 共挤出吹塑薄膜趋于向多台挤出机、多层化发展, 目前多层共挤出吹塑膜可达9层。多层共挤对各种聚合物的流变性能、相粘合性能, 各挤出机之间的相互匹配有很高的要求, 机头流道的设计与制造更为关键。

 

3.    出成型过程和设备

典型的挤出成型过程是,将固态粉状或粒状聚合物物料通过料斗加人挤出机中,在自重和螺杆的转动下使物料进入料筒,在料筒内被加热,熔融塑化,通过螺杆加压将熔融的物料经日模挤出,在牵引力的作用下,经过冷却、定型形成制品的最终形状。在挤出成型过程中,其棱心为螺杆式挤出机、口模和辅机。挤出机根据螺杆的数量可分为单螺杆挤出机、双螺杆挤出机和多鼻杆挤出机。单螺杆挤出机由于设计简单、制造容易、价格便宜而被广泛使用,是用量最多的挤出机。它是出一根阿基米德螺轩在加热料筒中旋转而成,这种挤出机的主要拄术参数有螺杆直径、螺杆长径比、螺杆转速、驱动电机功率、料筒加热功率、生产能力等。螺杆的几何形状对于挤出机的性能有极为重要的影响,其中螺杆直径标志着挤出机的挤出量;黑杆的长径比表示着挤出机朔化的能力和质量;螺杆的转速直接影响挤出量和熔体物料的流动性。为了克服单螺杆挤出机混炼效果差、不适合粉料加工、生产效率低等缺点,双螺杆挤出机问世并得到广泛使用。双螺杆挤出机的螺秆由两根相互啮合或相切的螺杆组成,根据两根螺杆的位置可以分为啮合型和非啮合型;根据螺杆的旋转方向。可以分为同向和逆向旋转两类;按照两根蠕杆轴线的关系可分为平行双螺杆和锥形双螺杆挤出机。双螺杆挤出机主要用于热敏性麓科(Pvc)的挤出成型和特种聚合物加工(如共混、反应挤出)。多孽杆挤出机的应用相对较少,主要有行星螺杆挤出机和四螺杆挤出机。这种挤出机的特点是大幅度增加了螺杆对物料的捏合、挤压、剪切和搅拌次数;物料在料筒内的分散性好、停留时间短、生产效率高。多螺杆挤出机主要用于对热敏性塑料的加工。

 

4.    结束语或展望

挤出成型作为最重要的高聚物成型方法之一,具有适用范围广、生产效率高、投资少、见效快等一系列优点,但由于其连续式开放型的成型特点以及成型过程的复杂性,使得挤出成型制品的几何尺寸和形状精度都相对较低。然而随着塑料制品在各个领域的广泛应用,人们对其精度的要求也越来越高。常规的挤出成型技术已不能满足社会发展的需要。因此,现代挤出成型技术发展的方向就是多种高新技术的综合应用,以求生产出精密的高利润的产品。

作为三大合成材料之一的塑料问世以来迅猛发展。以塑代钢,以塑代有色金属,以塑代水泥等,被广泛地应用于农业、建材、包装、机械、电子等,以及人们的日常生活等各个领域。因此可以预测,在21世纪里,塑料将使人类活动的最主要的原料之一。由于挤出成型是塑料加工的最主要的形式,因此发展塑料挤出成型技术与设备具有重要的意义

主要表现为:

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臂波纹

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)    复合挤出成型技术和设备的开发研究。最近,多层共挤的超宽土工模、包装用的拉伸拉幅平模、建筑用的复合瓦楞板、芯层发泡纸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、只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进一步的提高。