精密挤出技术

作者：北京化工大学 吴大鸣    来源：PT现代塑料

欢迎访问e展厅 展厅 2 塑料挤出机展厅 片材生产线, 单螺杆挤出机, 双螺杆挤出机, 板材生产线, 木塑挤出机, ... 挤出成型既是一种高效、连续、低成本、适应面宽的加工成型方法，同时又是一种低精密度、低附加值的成型加工方法。开发精密挤出成型技术和装备，满足各种精密制品的成型加工要求，使挤出成型成为一种高精密度、高附加值的加工方法是当前聚合物加工技术的研发热点之一。 开发精密挤出成型技术的必要性 精密挤出成型是一种通过对挤出过程要素的精确控制，实现制品几何尺寸高精密化和材料微观形态高均匀化的成型过程。精密挤出成型的主要特征为：挤出过程中工艺参数波动很小，挤出设备工作状态非常稳定，所成型制品的几何精度比常规挤出成型方法提高50％以上。开发精密挤出技术的迫切性主要表现在以下方面。 （1）高精密制品成型的需要：以光导纤维、医用导管、音像片基、照像胶片片基、投影胶片为代表的一系列高精密制品的市场需求与日俱增。这类制品几何精度往往比普通制品提高50%以上，普通挤出成型设备对这些精密制品是无能为力的，而必须采用精密挤出成型设备与技术完成成型加工。 （2）特种材料加工成型的要求：对一些危险和有毒物料的加工需要精密挤出装备。如含红磷类聚合物复合材料的挤出，就需要严格地控制挤出工艺，因为红磷很容易燃烧，挤出工艺控制不好，具有很大的危险性。一些工程塑料在高温下会分解出对机器有腐蚀性、对人体有害的低分子挥发物。如聚四氟乙烯（PTFE）和乙烯-四氟乙烯共聚物（ETFE）在一定温度下就会分解出氟化氢气体，该气体对挤出设备有极强的腐蚀性，对人体的肝脏有很大的损伤，该气体还会引发PTFE和ETPE的连锁降解反应，因而必须严格加以限制。在军工领域，挤出机可以用于炸药的加工，其危险性不言而喻，除了塑化系统的合理设计和精密加工外，挤出工艺的严格控制是最关键的安全要素之一。在上述类型的危险和高温易分解聚合物的挤出成型加工中，精密挤出机可以发挥不可替代的作用。 (3) 反应挤出成型的要求：现代挤出机除了塑化功能外，还具备化学反应器的功能，物料在挤出机中可以完成本体聚合、化学接枝、键间共聚物的获取、偶联/交联、可控降解、功能化和官能团的改性、高分子合金的制备、纳米/高聚物复合材料的制备等。反应挤出过程需要严格控制反应温度、压力、物料停留时间及其分布等过程参数，以及反应物料与外界的热量传递等，普通挤出机往往是不能胜任的，精密挤出成型机为各种复杂的反应挤出工艺提供了必要的装备条件。 （4）高速化挤出的基础：据资料报道，日本池贝公司的D30单螺杆挤出机的转速高达3000r/min，产量可达300kg/h。国外锥形双螺杆挤出机用于生产PVC管材，单机产量可达1100～1500kg/h；平行双螺杆挤出机的螺杆直径已超过300mm，长径比最高达100，螺杆最高转速达到1500r/min，WP公司的ZSK133系列机的产量达到7000～11000kg/h。医用导管的线速度可以达到250m/min，薄膜的线速度可以达到500m/min，包覆电缆的线速度也可以达到500m/min以上。在挤出生产高速化的同时，必须实现保证成型过程的精密可控。如果不能保证制品成型的精度，则生产速度越高，废品越多。在此意义上，可以说精密化是高速化的基础。 （5）减少制品材料消耗的需要：挤出成型制品因几何精度较低造成的浪费是十分惊人的，采用常规挤出装备生产的板、片、膜、管的壁厚不均匀度一般可达8%至10%，由此造成的材料浪费可达8%左右。按近年我国塑料制品的产量21000kt为基数，挤出成型制品的年产量12600kt计算，我国每年由于挤出制品的几何精度低就浪费掉100多万吨树脂。如果20%的制品采用精密挤出技术和装备来生产，我国每年就可以节约树脂消耗量10万吨左右，经济效益超过8亿元。 国内外精密挤出成型技术及装备的差距 目前国产挤出装备的销售量为8000余套/年，销售额30亿元左右，进口挤出装备2000余台套/年，进口额2亿美元左右（约20亿人民币），进口挤出装备主要为大型和精密设备，其单价为国内设备的8～10倍，其附加值明显高于国内设备。 进口的挤出设备主要有大口径实壁管和波纹管生产线、土工膜生产线、双向拉伸膜（BOPP、BOPET、BOPA、BOPS等）生产线、滴灌管生产线、医用导管生产线、音像片基和感光片基生产线、石化用大型双螺杆挤出造粒装备，以及各种实验室用多功能挤出机等。这些进口挤出装备之所以能够以很高的价格进入中国市场，主要依靠技术上的优势，具体表现在高精密度、高速和高效率、高可靠性。 图1为日本伊藤忠TEXMAC公司共挤出双内腔导管医用导管生产装备，报价100万美元。该装备包括三台挤出机，分别成型两个内腔导管和外包覆套管，内腔导管的成型及其与外包覆套管的复合在一套模具中一次完成。为了确保导管几何尺寸的稳定性，三台挤出机均配备了熔体齿轮泵，同时牵引机采用伺服电机驱动。在线测试仪随时监控导管的几何尺寸，为闭环控制系统提供必要的数据。该设备经变换模具，可以生产各种形状的医用导管，见图2。 美国PEI（Precision Extrusion, Inc.）公司用于生产医用导管的精密挤出机，采用特殊的设计和制造技术，以及统计过程控制技术，使得挤出机各段温度偏差可以控制在±1℃，管材的壁厚偏差可以控制在2％以内。相比之下，高产挤出设备的控温精度一般在5℃～10℃，管材的壁厚偏差在10％以上，根本无法满足生产医用导管、光导纤维等高精度制品的要求。这类高精密挤出设备目前主要依赖进口。 高产挤出设备无论是在实际水平，还是加工水平上都与国外先进水平存在15～20年的差距。在实时工艺参数和制品参数监测，以及先进控制技术的采用方面存在的差距也很大，先进的高精度在线检测仪器主要依赖进口，国内寥寥可数，且与国外产品的差距在10年以上。 ◆ 设计水平和技术创新能力上的差距：国外先进的塑料机械加工企业都有很强的设计和技术创新能力，如日本的Nissei公司设有五个技术研究中心，拥有376名注塑成型技术工程师，占员工总人数的46.1％，获专利技术1470项。相比之下，国内塑料机械企业中大学以上的专业技术人员不足10％，企业自主知识产权少，开发新产品一般以仿制为主，CAD、CAE、CAM应用还处于初级阶段，多数企业不具备实质上的技术创新能力。 ◆ 国内外机电行业整体水平上的差距：国外塑料机械制造行业普遍采用CAD、CAE、CAM技术，以及高精密度的数控加工中心。近年来发展起来的高速铣床的主轴转速高达40000～100000r/min，并可获得Ra≤1mm的表面粗糙度；加工精度超过1mm的超精加工技术和集电、化学、超声波、激光等技术综合在一起的复合加工,将塑料机械的加工水平大大提升。国外螺杆端面跳动误差不大于0.01mm；螺杆外径误差可以控制在0.005mm以下；螺杆外表面和料筒内表面的粗糙度Ra不大于0.2mm；注塑机模板的形位公差不大于±0.02mm/1000mm。国内近年来从国外进口了一些高精度的机加工装备，但整体水平与国外先进水平有很大的差距。 ◆ 在线检测和自动控制水平上的差距：国外精密挤出装备上普遍采用基于激光、光学、电磁、超声波、感应式、气流感应式等原理的测量装置。前三种方法主要用于测量挤出物的外形尺寸，后四种用于测量产品的壁厚。激光测量仪经常用于测量管材和包覆电缆的外径，根据测量范围的不同，分辨率为0.001～0.01 mm。在自动控制方面，除了PLC控制以外，模糊控制技术、神经网络控制技术、统计过程控制技术等先进控制技术在精密挤出装备上发挥了举足轻重的作用。而国内的挤出装备控制技术仅停留在初级PLC控制阶段，多为开环控制或简单的联动控制，由于缺少在线测量仪器和先进的控制软件，所以闭环控制很少采用。 精密挤出成型技术在塑料管材生产中的应用 据有关部门预测，2005年我国塑料管材的产量将达到120万吨，其中建筑内给排水管材、室外给水管材、埋地排水管材、电工套管的用量占塑料管材的60%以上。目前，上述建筑用塑料管材中的绝大部分都是采用国产管材生产设备来生产。 图4是塑料管材精密挤出系统的示意图，其特点是在普通管材挤出机组的基础上增加了失重式计量料斗、熔体泵、管材壁厚在线测量仪等装置，同时采用统计过程控制系统（SPC系统）取代传统的仪表控制系统或PLC控制系统。现代精密挤出生产线的主机和牵引机还采用伺服电动机取代直流电机和变频调速电机，以实现真正的数字化控制。 精密挤出成型技术的应用前景 挤出成型理论的发展使得人们能够根据制品成型的要求，精密设计挤出成型工艺和挤出成型设备。以实现稳定挤出为目的的新型挤出装备的创新、现代机械加工技术水平的不断提高、先进控制技术的采用，为精密挤出技术的发展提供了极大的发展空间。而精密制品成型、功能性制品成型、反应挤出制品成型的要求，以及双向拉伸、功能梯度材料、微发泡制品成型工艺的要求，是精密挤出技术发展的强大动力。精密挤出技术的发展，将对塑料加工业产生巨大的影响，应用前景十分广阔。 ◆ 精密挤出成型将成为高附加值加工产业：在人们的概念中，挤出成型是高效、低附加值的塑料加工方法，但精密挤出成型技术的开发和应用将改变这一状态，在一些精密制品的成型加工中，可以带来高附加值，甚至能够起到点石成金的作用。以医用塑料导管为例，国外一些公司已经能够生产透析管、人工血管、介入疗法用支架等精密制品，这些制品的售价一般是其原材料价值的数百倍以上，有的超过一万倍。 精密挤出装备是生产精密挤出制品的必备条件，开发精密挤出成型装备将为塑料机械厂家带来巨大的商机和丰厚的利润。目前精密挤出成型装备的价值是通用挤出成型装备售价的5～10倍以上，我国精密挤出成型装备还处在起步阶段，发展空间很大。 ◆ 用于精密反应挤出成型和功能梯度高分子材料的加工：现代反应挤出机除了塑化功能外，还具备化学反应器的功能，物料在挤出机中可以完成本体聚合、化学接枝、键间共聚物的获取、偶联/交联、可控降解、功能化和官能团的改性、高分子合金的制备、纳米/高聚物复合材料的制备等。反应挤出过程需要严格控制反应温度、压力、物料停留时间及其分布等过程参数，以及反应物料与外界的热量传递等，而普通挤出机往往是不能胜任的。精密挤出成型机可以实现对挤出过程参数的精密控制，满足不同反应体系的要求。 自从1957年发现聚合物单晶，以及提出分子链折叠理论以来，聚合物的形态与微观结构引起人们的极大关注。伴随着X射线衍射、电子显微镜、小角中子散射、新表面探针、原子力显微镜等先进测试技术的应用，人们对聚合物的结构-形态-性能之间的认识不断深化。人们已经能够通过挤出成型过程剪切方向和强度的控制(或拉伸场的控制)，制备出单轴或双轴取向结构的自增强材料 ；通过冷却工艺的控制，以及剪切、拉伸和振动场的诱导，获得不同的结晶结构。通过成型加工过程的控制，获得聚集态结构按一定规律变化的功能梯度材料，实现力学、光学、电学等性能梯度分布的要求。上述聚集态结构控制技术，均要求对挤出成型过程进行精密控制，可以预期精密挤出成型技术将在功能梯度材料制备方面发挥重要的作用。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (1/27/2005)