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塑料異型材擠出技術概述

塑膠建材目前在建筑用材領域占有很大的比例， 我國提出了在2010年， 塑料管和塑料門窗在應用領域的全國年均市場占有率分別達50和30以上的目標，主要原因是由于塑料異型材具備突出的節能降耗、隔音保溫、防火阻燃、美觀耐用等優點。因而， 硬質PVC塑料建材已成為化學建材業最重要的一個分支， 已經形成了產業化發展的趨勢。 生產這類新型建材的技術相關性強，技術復雜程度較高，對生產組織的規?；图s化要求較高。直接生產技術一般采用塑料成型加工方法中的擠出成型技術，在此技術基礎上發展起來的塑料異型材擠出加工裝備為適應加工對象的要求，其技術正向高可靠性、高加工效率、高自動化程度和低使用成本方向發展。目前，其裝備技術創新程度已開始發生了質的飛躍。為有利于行業擠出技術的創新發展，本文作者基于從事硬質PVC擠出技術工作實踐的經驗和認識，以目前國內塑料異型材擠出技術系統為例，對塑料異型材擠出技術作一

　　簡要介紹，姑且拋磚引玉，不當之處，請專家同行指正。
　　一、 塑料異型材擠出生產的工藝過程

　　塑料異型材最終擠出制品生產的一般過程如下：

　　在以上生產工藝過程中，塑料異型材擠出生產工藝只包括配方設計、主輔料的配混、擠出加工、冷卻定型、牽引計長切割及貼膜打印與翻料過程。擠出生產的異型材最終還需組裝、加工、焊接等若干專用工序處理才能作為門窗等最終制品進行應用。因而從異型材的應用角度而言，塑料異型材的擠出生產類似于木制品的半成品材料生產(伐木后對木材的鋸解保存處理)。從以上異型材生產工藝的一般要求同樣也說明了對異型材生產裝備的功能要求和技術路線，即在配方設計（反復實驗）和物料配混工序完成后，異型材擠出裝備必須連續和全自動的完成上 料、塑化、排氣、擠出、成型、冷卻定型、牽引、計長切割、堆料的全過程。而要連續高效的完成每一步工序并最終生產出合乎標準的異型材，其中涉及的技術關聯程度是相當高的， 裝備技術與加工對象具體工藝要求的科學匹配往往成為目前擠出技術工作中最具實踐意義的工作。與切削加工無機金屬材料的機床不同，作為對有機高分子聚合物（塑料異型材）成型加工的異型材裝備，其異型材的性能特性和成型精度不僅與裝備精度有關，更與加工對象的物性和加工的各種歷程（熱歷程、流變歷程、相變歷程等）及其匹配程度有關。因此，從裝備技術的創新發展和異型材生產工藝的更深入研究兩方面的提高將推動異型材擠出技術向更高層次飛躍。
　　二、 塑料異型材擠出技術系統
　　塑料異型材擠出技術包含三大相互關聯密切相關的關鍵技術系統，即配方（工藝）設計與原料配混技術、擠出設備技術、擠出模具技術。這三大技術系統有機地結合在一起，構成塑料異型材擠出技術的核心。
　　（一） 配方（工藝）設計與原料配混技術系統
　　配方（工藝）設計是對最終制品起決定性作用的技術因素之一，配方設計的好壞關系到擠出生產的穩定性及制品是否合格。塑料異型材擠出制品配方（工藝）設計是一門專業技術，可以認為是擠出技術系統中的軟件。它遵循PVC塑料配方設計的一般規律， 但又有其獨特性。 聚氯乙烯是一種熱敏性塑料， 制品的優異性能全靠添加若干助劑如加工助劑、穩定助劑、改性、填充助劑、發泡助劑（仿木型材）等系列助劑的加入來保證，但各類助劑和原料名目繁多、優劣雜陳，如何優選、合理搭配并最終達到配方構成的低成本高性能是配方設計追求的目標。同時，配方與裝備性能的適應性及與之相適應的加工工藝的確定（擠出過程中溫度、速度、真空度、壓力等參數的設定），更是直接影響制品的品質及生產效率。擠出生產的工藝設計即是為保證配方、擠出裝備、擠出模具之間的科學匹配而實現最佳擠出在生產過程中各工藝參數設定的規范要求，在某一具體生產過程中的各技術要素（設備、模具、配方及相關配套條件等）均已確定的條件下，工藝設計往往成為提高制品質量和生產效率的最主要手段。
　　塑料異型材擠出配方設計一般遵循如下原則：
　?。ǎ保?充分了解對異型材性能的要求。
　　充分了解異型材要求的各項性能指標，應以滿足用戶要求的最高標準為依據；了解型材使用環境如氣候、溫濕度、風壓、噪聲及紫外線等具體條件限制、使用目的如是做門窗還是用作架棚等其他用途及使用中可能出現的問題；了解市場信息、消費者興趣及銷售趨勢。
　?。ǎ玻∽⒁庠牧系倪x擇。
　　注意原料的作用、性質和各種助劑配合時的相互影響，發揮原料間的協同作用以獲最佳效果，一般用戶喜歡屬地原料，因而用同樣一種設備要生產出相同性能的型材因原料質量的差異，配方設計很不相同；注意原料質量及檢驗；注意相關原料用量與異型材性能、擠出工藝之間的聯系；注意原料價格，保持原料供貨渠道穩定，降低成本。
?。ǎ常D出設備和生產條件深入了解注意物料在擠出設備中受熱行為的全過程研究；注意物料在擠出設備中的停留時間的影響；弄清機頭、模具的結構特點與物料流變行為的關系。在此基礎上才能把握配方設計的精髓從而為科學有效的調整配方提供實踐指導和理論依據。
配方設計是一個反復實踐和認識的過程，它是一門實踐性較強的科學和更注重理論與實踐相結合的經驗積累，但也遵循其獨有的客觀規律。型材配方設計中以穩定劑系列不同派生出的鉛鹽、有機錫、稀土等系列配方各有其特點，目前以國產主原料（樹脂）為配方基礎的高性價比塑料異型材配方已經批量應用并開始創造較好的經濟效益。
　　目前配方中樹脂和各種助劑的用量經常用重量百分數表示,一般以樹脂為100(重量份)份，其他助劑為樹脂重量的百分之幾來表示。
　　在配方設計完畢后，按照配方要求進行物料配混也是最重要的一步工序。不同配方對混料有不同的工藝要求，主要是加料順序、熱混溫度、冷混(出料)溫度等要求不一樣，塑料異型材加工對混料的均勻性有極高要求，越均勻越好。這種要求是由擠出加工裝備的特性所決定的。正如我們所了解的，用于塑料異型材擠出的異向旋轉嚙合雙螺桿擠出機的正位移輸送（泵送）作用遠遠大于其對物料的混合混煉作用，物料在這種擠出加工過程中的混合混煉效應比之同向平行雙螺桿擠出小得多，因而要求得完美的制品質量而達到配方中各組分盡量均勻混合的主要任務不是由擠出機承擔，而是由擠出之前的混料工序完成。因此，混料工藝的設計及混料效果直接影響異型材的最終質量。關于混料的工藝設計有若干精辟的專業論述，在此不多述及。但應注意混料的最終效果是與混料設備的技術水平密切相關的。目前對此有充分認識的異型材擠出生產者一般選用冷熱混一體式無轉序的全自動混料設備，優點是物料熱混后直接轉入冷混不易在轉序時吸潮并可保持環境清潔和提高生產效率。而混料設備的葉片結構設計對混料的質量和效率有重要影響，一般以高置式葉片結構設計為主的高強度混料機可完全靠物料的自摩擦達到設定的混料溫度并達到最大限度的物料微觀均勻性混合，比之流行的低置式葉片結構設計靠輔助加熱實現混料溫度的混料機可達到更高的混合質量。對大型塑料異型材制品廠家而言，配備全自動配混的大型配混料系統對保證混料質量和降低生產成本是有實際意義的。
　?。ǘ?擠出裝備技術系統
　　擠出加工技術是塑料加工技術的一大分支，在塑料加工技術領域占有重要地位，主要是由于用擠出加工方法生產的塑料制品產量在塑料成型制品中居于首位之故。擠出設備和模具可認為是擠出技術系統中的硬件，其性能優劣對擠出制品的質量和效率影響是不言而喻的。塑料異型材擠出設備隨著我國裝備技術水平的進步，已從初期的單螺桿擠出發展到目前的雙螺桿擠出，而且目前大都用錐形雙螺桿擠出生產。對塑料異型材擠出生產而言，從技術先進性、制品質量和生產效率方面比較，單螺桿擠出存在比功率大、比流量小、制品質量不穩定等弊端，因而目前國內外均采用異向平行或錐形雙螺桿擠出設備進行塑料異型材擠出生產。
　　塑料異型材的擠出設備技術是一個十分復雜的技術系統，該設備一般成線配套，全自動連續化生產，其滿足的生產工藝過程一般包括自動上料、定量加料、自動控溫、無級調速、合格塑化、穩定擠出、定型冷卻、牽引定長切割、自動翻料等，另外還附加自動吹風除水、自動貼膜、自動遠紅外校直、型材表面打印、自動吸屑等功能。這樣一條用于塑料異型材擠出生產的生產線一般包括自動上料機、異向雙螺桿擠出機、冷卻定型臺、牽引切割機、自動翻料架、自動吸屑機等單機，各單機必須滿足擠出生產的工藝要求并能完美結合才能形成一條高產高效的擠出生產線。在塑料異型材擠出生產線中，依擠出制品的規格、用途不同派生出若干型號。 有專用于生產主型材的大規格塑料異型材生產線（如SY240系列），用于生產輔助型材的小異型材生產線（如SY120系列）等。 目前國產異型材生產線技術水平已開始接近國外同類設備先進水平，并且已成系列化，主輔型材生產線配套十分齊全，價格僅為國外進口設備的五分之一。在異型材擠出生產線中，其關鍵技術是雙螺桿擠出機的擠出系統設計的先進性和制造質量的穩定性；定型臺的定型冷卻能力匹配及其調節的可靠穩定性；牽引切割機的牽引力匹配與牽引穩定性，以及跟蹤切割水平的匹配；翻料架的定長翻板的可靠性，還有整條生產線的電控系統包括調速控制、溫度控制、壓力控制、同步調節控制的準確可靠和穩定性。這些技術性能的每一項都對擠出生產線的整體性能產生重要影響。在不同制品類型(型材、管材、板材)的生產線中，其擠出主機可以是相同機型的，因此，目前常見一種擠出機配多種輔機生產不同種類擠出制品的情形。描述一條擠出生產線的主關技術參數一是合格的擠出塑化能力即擠出量Ｑ，以Kg/h計量， 它是指在標準測試條件下(見JB6491-92、JB6492-91標準規定)的合格擠出量， 說明了生產線的生產能力，也是擠出機綜合水平的反映。二是主傳動功率P，即驅動擠出系統的功率匹配， 在同樣擠出能力的前提下，功率越小說明性能越先進，必然導致整體性能提高。對這兩者的一個綜合評價指標即擠出機的比功率，它是指在單位時間內生產單位質量的制品所消耗的功率，目前錐形雙螺桿擠出機的比功率一般應小于0.14KW/（Kg/h）。再一個是全線穩定生產能力，這與電控系統、 輔機設計制造水平有關。具體說來即穩定的牽引速度、連續生產無故障持續周期。同一機型擠出生產時能達到的牽引速度越高，故障率越低說明生產率越高，自然效益明顯。目前國內外塑料擠出裝備正朝著高產高效化方向發展，也說明了這一點。
　　鑒于擠出設備技術的復雜性和成系統性，考慮到目前用于塑料異型材擠出生產的技術特點，下面將以錐形雙螺桿擠出機為主機的異型材生產線為主，簡要介紹異型材擠出生產線的技術特點。　
　　1.擠出機：是用于擠出成型加工的主要設備，也是塑料異型材生產線的主機。目前錐形雙螺桿擠出機應用較多。錐形雙螺桿擠出機屬于異向向外旋轉的雙螺桿擠出機機型，其對物料的輸送是靠相互嚙合的兩根螺桿形成的Ｃ形小室，隨螺桿異向向外旋轉強制前移輸送--稱為正位移輸送，而完成的，因而此類擠出機的擠出量在加料量足夠時，與螺桿轉速基本上成正比。關于錐形雙螺桿擠出機的結構特點及與平雙和單螺桿擠出機的性能對比均有專業文章敘述，在此不多述及，只將其關鍵技術特點作一簡介。
　　錐形雙螺桿擠出機一般由傳動系統、擠壓系統、自動上料及定量加料系統、真空排氣系統、機筒及螺桿調溫系統、電控系統等組成。其中擠壓系統和電控系統是其最為關鍵的兩個系統。
　　(1)擠壓裝置：由機筒、螺桿、過渡體及溫控系統組成。螺桿分加料段、預塑化段、壓縮段、排氣段、計量段，也有加料、預塑化共為一段的。其基本作用是完成PVC粉料的輸送、壓縮、排氣、塑化和計量擠出過程，PVC粉料在機筒中受到螺桿輸送的壓延、剪切、混煉作用，同時受到機筒上加熱片的加熱作用和螺桿芯部調溫作用的影響，逐漸從粉料變成塑化良好的熔體，再經模具規范成型后冷卻定型即得需要的塑料異型材制品。目前螺桿設計理論正在發展中，對各段的理論計算模型仍在完善和探索，高效雙錐設計思想正在受到重視，即大長徑比和最佳螺槽系數的選擇設計而導致的超大擠出塑化能力使高速擠出的技術平臺不斷升高，因此螺桿設計換代的周期正在縮短，導致同一機型的擠出機生產能力大幅上升。目前國際上先進機型（直徑90-110mm的異向平行雙螺桿擠出機）已可達到雙股合格主型材擠出線速度3.5-4.5m/min，國產設備的先進機型（小端直徑60-65mm的錐形雙螺桿擠出機）也可實現擠出單股合格主型材3.5m/min左右的擠出線速度。
　　除螺桿設計是擠壓系統的技術關鍵外，其機筒加熱冷卻功率的匹配設計、螺桿調溫裝置的可靠性設計、溫度控制的準確有效性均是擠壓系統的技術關鍵，它們之間統籌兼顧，達到完美統一是高效擠壓系統成功的基礎。例如，國產SJZ60/130錐形雙螺桿擠出機采用了高效雙錐的擠壓系統設計思想，不僅采用了大長徑比（同機型最大）、大錐角、最佳槽深系數等最新結構設計，而且在四個關鍵間隙的設計和溫度控制方式的選擇及輔助功能如排氣系統的設計上均認真吸取了國際先進機型的設計思想，極大地提高了塑化質量和能力，測試擠出量可達300Kg/h，比功率降低到一個新的水平。
　　(2)電控系統：擠出機的故障率大多發生在電控系統，一是因為電控系統較為復雜；二是影響電控系統的相關因素較多。擠出機必須有調速（同步）控制、溫度控制、超扭矩報警控制及電氣安全保護控制等，每一種控制系統都相當復雜，因此目前國內外在技術上均采用專用智能軟件進行工控機（工業微機）控制，有良好的人機交互操作介面，可進行所有主要工藝參數的設定、修改、保存、調用等。如目前最先進的PCC控制系統，不僅能實現單條擠出生產線的所有控制，而且可進行遠程通訊從而實現若干擠出生產線的集中控制，為實現異型材生產的集約化提供了技術保證。電控系統關鍵還在于其主關鍵件單元的可靠性上，一般調速控制以變頻調速較為可靠，選用國際名牌工業變頻器可完全滿足使用要求；溫度控制關鍵在于測溫元件的選用和溫控表的可靠性，一般國外專業廠產品可靠性較高。
　　2.定型臺：由托模裝置、真空系統、冷卻系統及調整機構組成。主要完成擠出物料熔體的定型和冷卻。主要技術要求是能適應不同模具的安裝，定型冷卻能力足夠大，調整操作方便，穩定性和操作重復精度高。目前異型材定型臺放置3～4臺大功率真空泵(產主型材)，對高速擠出型材定型臺還設強力排水泵或循環水泵以保證高速定型模的有效冷卻。一般定型臺面的有效托模長度不低于4m。各種定型臺均能完成上下左右前后三維方向的調整，調整方式不盡相同，電動調節加手動微調方式是較為先進的一種調整方式。一般定型臺縱向可調位移500-600mm，上下可調位移不小于50mm，橫向可調位移不小于20mm。定型臺冷卻系統的節水設計也是衡量定型臺技術先進性的一個指標。另外，定型臺是否適宜人體操作，是否穩固可靠和便于維護均是選用定型臺考慮的主要因素。還有其中的各種輔助功能裝置的選配如型材表面打印裝置、吹風除水裝置、型材遠紅外校直裝置等，應根據異型生產的現實要求合理選配，如果模具采用密封性較好的高速模具，型材擠出時表面無水則吹風除水裝置就不用配置。
　　3.牽引切割機：主要功能是完成制品定型后從模腔內拉出并依設定長度切斷，達到連續生產的目的。它一般由牽引履帶系統、氣動加壓系統、機架、切割裝置、吸屑裝置、貼膜裝置等部分組成。主要技術要求是牽引力足夠大、牽引穩定、牽引速度能與在最大擠出量時的制品生產速度匹配，切割同步性好等。目前有兩種形式，一種為牽引切割分開式、另一種為牽引切割一體式。前者為被動同步切割，后者為主動同步切割。從技術原理上分析，后者優于前者，但對主型材生產而言，實用中并末有明顯差別。一般履帶對制品的壓力是無級可調的，牽引速度也是無級可調的，依生產制品不同作不同的調整，同時牽引切割機的操作可在定型臺上實現，便于生產中的全線控制調整。目前，最為先進的切割方式為無屑切割，即型材的切割為非鋸片切割而是如金屬薄板剪切加工中的沖剪切割，不僅實現無屑切割型材，省去了吸屑機，而且型材切口質量明顯提高并消除了切割噪音，如SY240C異型材擠出生產線的牽引切割機可選配無屑切割功能。
　　另外，在制品切割完畢后要進行堆放。翻料架即完成此功能，在牽引切割機切斷制品后推到料架上，由料架自動翻板堆放，型材與管材翻料架均為同一原理，關鍵為定長準確，落料可靠。
　　三、擠出模具技術系統
　　在具備完善的配方（工藝）設計和擠出設備之后，沒有相應的模具配套支持，要擠出良好制品仍是夢想。擠出模具是決定型材制品表面質量優劣和擠出產率高低的關鍵因素，它的主要作用是保證塑料熔體獲得要求的截面形狀并固定下來，同時發揮出擠出設備的最大潛力且讓其穩定地進行高產率生產。因此，擠出模具技術系統是擠出技術系統的技術關鍵之一。
　　擠出模具設計也是技術性很強的一個專業，在此不探討擠出模具的具體設計原理只把模具選配應注意的問題簡介如下：
　　1.依擠出設備經濟產量確定模具截面尺寸，即模具規格。
　　2.在確定好模具截面規格后，應認真計算定型模長度L，一般型材按L=400t2v計算(t－制品最大壁厚cm；ｖ－牽引速度cm/s；L-定型模長度cm)，在確定合適的牽引速度后即可定出定型模概略長度。應保證模具有足夠的定型冷卻長度，有利于發揮設備潛力。
　　3.模具冷卻和真空口應設計合理均勻，便于高效冷卻又不產生冷沖擊應力，便于真空吸附定型又不易于卡模。一般依制品截面結構不同，設計各有特點，但達到的總體要求應是保持型材各實體部分（尤其是截面形狀復雜時的各內筋）同時得到均勻充分的冷卻。
　　4.模具尺寸應與定型臺匹配，加熱片不應影響模具安裝調整。不同規格模具在同一擠出設備上應用時，應盡量保證聯接方式一致并便于安裝和調整操作，氣、水接頭數量相配，便于識別和連接。
　　5.機頭模具上應有相應的溫度插孔、壓力插孔并且位置適宜。
　　6.注意模具與設備的完整匹配，不僅性能匹配恰到好處，而且視覺效果渾然一體。
　　三、塑料異型材擠出技術的發展趨勢
　　塑料異型材擠出技術發展至今，已具備相當水平。其發展方向大致有如下幾點：
　　1.向高速高效化方向發展。塑料異型材擠出已逐漸走出低速、高能耗階段，目前國外先進技術水平已能達到主型材的多腔高速擠出，單股合格主型材穩定生產擠出線速可達5～6m/min。其發展的最終結果將導致生產率的大幅度提高和集約化生產方式的的成熟。
　　2.向高檔型材的復合共擠技術方向發展。隨著行業技術進步和人們生活水平提高，對塑料異型材的高性能和多層次要求，使得單色的擠出制品缺乏活力，復合共擠可完善單一擠出制品的性能和裝飾效果，如軟硬復合型材共擠出、彩色型材擠出、微發泡仿木型材擠出等，使型材擠出技術向更為復雜的復合功能化方向發展。
　　3.向低成本多功能方向發展。多種復合助劑的應用、新型配方和生產工藝的創新研制等均使塑料異型材擠出技術向更高性價比和更廣闊的應用領域方向邁進，如目前以植物纖維（木粉、桔桿等）與通用塑料混合后的復合型材擠出，不僅使型材成本大為降低，而且使擠出技術開拓了一個全新領域。
　　4.向超大規模技術集成化方向發展。由于市場競爭的影響，導致制品生產開始向大規?；校瑢е聰D出技術往超大規模集成化方向發展，如集中配混料技術生產車間的全自動擠出生產集成控制技術等，將導致擠出技術發生質的飛躍。

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