塑料挤出技术的最新发展及应用探讨

塑料挤出技术的最新发展及应用探讨
作者：陈楚亮

在塑料加工过程中，塑料挤出工艺和技术创新是绕不过的一个重要环节，作为塑料机械加工功能中的一个核心组成部分，挤出加工性能与塑料制品的质量、制品的结构和精度、生产效率、生产能耗等有着密切的关系。因此挤出机技术的发展和创新也一直伴随着塑料加工技术一起发展成长，从现有国内外一些企业来看，目前在挤出技术发展与创新方面主要从3个方面驱动，即：现有技术的改进优化；创新的技术挤出应用；借助控制及软件技术提高挤出性能。本文将通过国内外挤出技术的创新点和发展要素进行总结，供塑料加工及塑料机械行业的读者参考，以促进中国塑料加工技术的进步。

现有技术的改进优化设计

随着最新的塑料制品需求的发展，对塑料机械挤出技术也带来了一定挑战，以树脂塑化性能、生产效率、节能降噪等为发展目标的需求在挤出技术优化中逐步出现。

在螺杆机筒的适应性设计优化中，主要为适应不同树脂原料、助剂、混料的需求，不同的塑料机械厂家通过提高螺杆长径比来实现挤出机产量、降低溶体温度、提高溶体均匀度和确保产品品质。例如针对高浓塑色母粒的加工、HDPE和PP管道的生产、石头纸和透气膜的加工生产等，都需要通过提高螺杆长径比来实现树脂的加工。

为了确保树脂的塑化效果和加工效率，特别是一些对加工温度比较敏感的树脂原料，很多对螺杆的结构进行设计，例如对螺杆的螺纹宽度和螺槽深度进行区段不同设计，并结合屏障螺杆设计等，不过这种设计已经在国内外企业中广泛使用，应该不算最新的优化设计技术，该设计主要应用于薄膜成型、管材挤出和中空成型等塑料加工工艺中。

此外，在有些高校和企业，尝试性采用新的螺杆设计，如混沌型单螺杆，螺杆采用多变螺槽，在螺杆挤出中建立混沌流动，希望提高熔融、塑化和混炼效果，降低挤出过程中的能量消耗，实现高产低耗，该技术已经申请相关专利，并获得国家技术进步奖项，但在企业具体实际应用中还没有出现在报端。

创新的挤出技术应用

目前在挤出技术应用中，在国内传播最热门的当属拉伸流变转子挤出技术，该技术由华南理工大学瞿金平院士提出的拉伸流变原理设计，该挤出机改变传统的螺杆结构和工作原理，由定子、转子及叶片组成的特定几何空间中转动时带动物料输送，同时随流道截面积由小到大再由大到小，周期性变化过程中承受拉伸和压缩作用，从而摆脱了传统螺杆输送塑化过程中对物料的剪切，造成对大分子链断裂，如此则加快了物料输送塑化效率，大大缩短了加工行程，从而提高工作效率、降低工作温度和能耗，提高了塑料制品的质量。因该项目还处于试验和试用阶段，还需进一步观察市场应用进度。

此外为了提高效率，降低能耗、降低噪音，目前在欧洲几家公司采用了电机直联技术，电机不再通过齿轮箱变速后驱动螺杆转动,而是直接驱动螺杆转动。其优势提高了挤出机的整体效率，降低噪音，而在电机的选择上，可以采用大扭矩交流电机、直流电机，也可以采用永磁同步电机或大功率伺服电机。因为电机直联技术提高了螺杆的转速，因此对螺杆的耐磨性能、转速控制等都带来了技术挑战，目前该技术在片材和管材设备中小范围使用。

在一些针对挤出精度和制品晶点控制要求较高的塑料制品，如医用导管、人造血管、高精光纤等，一般在挤出中配置溶体泵，溶体泵是被安装在挤出机与机头之间的串联式稳压装置。溶体泵由两个设计精密的相互啮合的齿轮构成。把熔体泵安装在挤出机与机头之间可以把挤压系统产生的压力波动与机头及下游设备隔离开来,使它们之间不发生相互影响。

借助控制技术及软件技术提高挤出性能

为了实现精密挤出，控制挤出温度，目前在一些应用领域，通过引入SPC控制技术实现对挤出生产过程的监控，对技术数据的实时统计分析，实时提供改进措施，以提高制品的质量和精度。

因为传统的PLC控制技术需要借助于静态控制模型对挤出过程进行开环控制,及齿轮泵的出口压力、进口压力和螺杆转速之间并没有形成闭环控制, 一定程度上影响了挤出精度，而基于静态控制模型的控制方式,只能事后发现误差,而无法预測误差和实现采取纠偏措施,因此,对于实现高精密度挤出帮助不大。而SPC(StatisticalProcess Control)技术是一种基于统计过程的控制技术 。该技术利用统计技术将数据转化成信息、形成文件,以便纠正并改进过程的性能,确保生产过程始终处于统计控制状态 。目前SPC过程控制技术已经成功地应用于光纤、医用导管等塑料制品的生产应用中。

软件模拟及虚拟加工在早些年主要应用于机械的设计与制造，但随着高分子和机械制造的结合，通过对高分子加工参数和流变数据理解，该技术已经逐步应用于挤出工艺的发展，而且目前各国学者在此技术基础上都不断研究新模型、新算法及新的成型模拟系统,并将模拟软件与制品设计、制造紧密结合,开发一体化的集成技术,使模拟技术呈现出集成化和智能化的趋势。并演绎出了不同功能需要的多种数字模拟软件，这些数值分析软件为挤出机螺杆、挤出口模的设计和流动过程分析提供了有利的工具。对于新型螺杆结构的开发、精密挤出口模的流道结构设计具有极其重要的指导意义。

总体而言，在挤出技术的发展和创新中，尽管中国企业和院校整体相比欧洲企业存在一定的差距，但随着国内塑料加工企业的发展和科学技术的代差缩小，中国在某些领域的发展已经逐渐在国际上崭露头角，在不久将来，中国塑料加工技术创新上将引领行业发展。

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