共挤出技术现状及发展趋势 - 文章

共挤出技术现状及发展趋势

作者：北京化工大学江波周宏志许澍华来源：PT现代塑料

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用多种方法可以制取多组分的复合材料制品，采用共挤出工艺是最简便易行的一种方法。它已成为当代最先进的塑料成型加工方法之一。高聚物共挤出工艺是一种使用数台挤出机分别供给不同的熔融料流，在一个复合机头内汇合共挤出得到多层复合制品的加工过程。它能够使多层具有不同特性的物料在挤出过程中彼此复合在一起，使制品兼有几种不同材料的优良特性，在特性上进行互补，从而得到特殊要求的性能和外观，如防氧和防湿的阻隔能力、着色性、保温性、热成型和热粘合能力，及强度、刚度、硬度等机械性能。这些具有综合性能的多层复合材料在许多领域中有极其广泛的应用价值。此外，它可以大幅度的降低制品成本、简化流程、减少设备投资，复合过程不用溶剂、不产生三废物质。因此共挤出技术被广泛用于复合薄膜、板材、管材、异型材和电线电缆的生产。

下面着重讨论近年来得到广泛应用的复合管材、复合薄膜、平膜和流延膜、PVC芯层发泡复合管、板、异型材共挤出技术。

复合管材共挤出

铝塑复合管集塑料和金属优点为一体，具有无毒、平滑、耐腐蚀、质地轻、强度高、耐热性能好、脆化温度低、安装方便、外观大方、使用寿命长等优点，可用于冷热水及饮用水管道、地面及地下暖气管道、煤气管道、石油化学工业中的腐蚀液体和腐蚀气体的输送，压缩空气输送以及食品工业中饮料、酒和牛奶等液体的输送等，在近期内有可能逐步取代镀锌管、铜管、塑胶管。在工业发达国家，铝塑复合管在管材中的占有率约为15%。该项技术1974年由英国工程师Itzhak Barnoach提出申请专利，而后荷兰Kitech公司、德国Unicor公司和克劳勃公司等对管材结构、加工设备和制造技术等方面进行了改进，使其性能不断得到完善，在20世纪90年代初开始在欧洲和澳洲进行商品化应用。我国在20世纪90年代中期开始引进铝塑复合管生产线的技术，开始进行铝塑复合管的生产和应用。

铝塑复合管由5层（聚乙烯、热熔胶、铝箔、热熔胶、聚乙烯）组成，以交联聚乙烯(XLPE)为内外层，中间层为焊接铝管以增加管材的强度，在铝管的内外表面涂以胶粘剂与塑料层粘接，通过共挤工艺成型。

钢塑复合管的结构与铝塑复合管基本相同，由五层组成，其内外层原料一般采用HDPE，钢层与内外层HDPE之间为热熔胶层。直径为50-110mm的钢塑复合管较多采用钢板网骨架增强复合塑料管，它是以冷轧带钢和热塑性塑料为原料，以氩弧对接焊成型的多孔薄壁钢管为增强体，外层和内层双面复合热塑性塑料的一种新型复合压力管材。由于多孔薄壁钢管增强体被包覆在热塑性塑料连续体中，因此，这种复合管克服了钢管和塑料管的缺点，而又具有钢管和塑料管的共同优点。目前输气、输水用的大口径管较多采用以钢丝缠绕为骨架的聚乙烯管，钢丝骨架缠绕和焊接速度慢，生产效率较低。

图片来源：BramptonEngineering

钢塑复合管生产的关键是五层共挤复合机头的设计，它要求在一个共挤出机头内实现内外塑料层，热熔胶粘接层及中间钢层的完全复合。复合工艺的关键是采用物理复合和化学复合相结合的方法，在设定的温度下，在钢丝与内外层HDPE之间挤入一层亲和助剂，形成五层结构的管体，在高温高压下，处于熔融状态的亲和助剂通过共挤出机头均匀地涂覆在钢管的内外表面，然后接枝于HDPE带极性的活化官能团，并与钢管表面形成键合的粘界面。经过这样有物理和化学复合作用共同产生的共挤出过程，制取的钢塑复合管才能同时具备塑料和钢管的共同特性，使它具有高强度、长寿命、高气密性、高耐腐蚀性和高耐候性能。

图片来源：Reifenhser

复合薄膜共挤出

多层复合薄膜的特点为：对氧和水汽的阻隔性好；薄膜的强度和耐穿刺性高；热封性好；粘结性强；有良好的防雾性、防滑性、着色性，因此，在包装领域有着广泛的应用。

共挤吹膜法主要用于生产高阻隔性包装膜、收缩膜、中空保鲜膜、土工膜等，在食品、药品、日化产品包装、农用大棚、水利工程、环境工程等领域有广泛应用。

采用共挤吹膜法生产工艺，通过厚度的有效调整使膜的功能得到量化控制，膜的各层结构组合方便灵活，基材选用范围更加广泛。从而使复合膜的成本降低、强度提高、阻隔性增加，附加值增加而市场适应性增强。

共挤吹膜法的技术难点在于复合机头的流道设计，流道设计应保证各层熔料的流速均匀、结合层剪切应力一致，各层机头的料温应能独立控制。为此，加拿大Brampton Engineering、美国Battenfeld Gloucester、加拿大Marco Engineering、意大利Amut、美国MA等公司分别研究成功多层圆盘式环形共挤出机头、同心螺旋芯轴式共挤出机头和多层圆锥盘环形共挤出机头等，其每层流道的结构形状有环形流道、心型包络式流道、螺旋支管式流道等数种型式。

目前共挤出吹膜机头的最新技术为多层圆锥盘环形共挤出机头和螺旋支管式流道的组合型式，相邻层间温差可达80℃,制品厚度误差在5％以内。在此用已二醇制冷机组来替代冷却水机，冷却采用模体内冷和风环外冷结合，提高冷却和结晶速度，以增加薄膜的透明度、强度和韧性。复合膜的最多层数为十一层，大棚膜最大幅宽达24米。

共挤吹膜法不足之处有：

1、层数不允许有较多的变化；
2、各层膜的比率不允许有大幅的波动；
3、随着层数的增加，机头外径的增加，外层膜的熔体在机头内停留时间增加，有分解的危险；
4、当相邻层树脂熔点、粘度相差较大时，若各层温度控制不当，对某些热稳定性较差的树脂，有可能形成分解层。

平膜和流延膜共挤出

流延膜成型原理是将在挤出机中塑料熔体经T型模头挤出，直接进入水溶液或骤冷辊经冷却、牵引后制得流延膜。这种加工方法能够充分的发挥被加工材料的性能，而同时又能保持最佳的尺寸精度。大多数热塑性塑料薄膜都可以用流延法生产。尤其对半结晶型热塑性塑料更为合适。

平膜挤出的成型原理是：将在挤出机中已经塑化均匀的塑料熔体从平膜机头挤出，经冷却辊接触而冷却固化，最后剪裁成一定宽度的膜，卷取成卷。共挤膜各层的结构可以是对称的或不对称的，当两层膜之间的粘附性能不佳时，就需要在两层之间加入一层很薄的粘结层，以提高热封性能和边界粘附性能。

用于平膜和流延膜的共挤出机头有三种型式，即多流道共挤出机头、带喂料块共挤出机头以及多流道机头和喂料块组合的共挤出机头。

(1) 多流道共挤出机头：由数台挤出机挤出的熔体从一个拥有多流道的机头进料端分别流入设定宽度及厚度的分流道中，各层熔体在机头口型内复合成型。采用这种方法人们可以选择流动性和熔点相差较大的塑料原料制取复合制品。但复合层数不能太多，否则共挤出机头过于庞大。

(2) 带共挤出喂料块的机头：由数台挤出机挤出的熔体经喂料块分流道，通过其内设置的熔体流率比调节阀和厚度调节栓调节，然后汇合进入衣架机头挤出成型。这种方法允许人们生产较多层数的复合薄膜，共挤出机头小巧而精密。其缺点是只有流动性和加工温度相近的塑料才能彼此复合，加工范围较窄。

(3) 多流道机头和喂料块组合的共挤出机头。它是由德国Reifenh妘ser公司开发的专门用来加工五层以上热敏性物料的共挤出机头。

共挤出复合成型同其他复合成型工艺相比，各层厚度的控制和调节比较困难，层间界面不够清晰，界面处两层料流有可能发生相互干扰，尤其是机头内各层物料流汇合处到口型之间距离比较长的情况下更容易发生。

国外，制造平膜和流延膜共挤出的著名厂家有美国Cloeren和EDI公司，德国Reifenh妘ser公司等。挤出复合膜的宽度为100mm到10米，复合层数为五层，膜厚的控制采用计算机和热膨胀螺丝自动反馈来控制模唇开度。每一个模唇调节螺丝都配以一个调节块，包括一根加热棒和一个空气冷却通道。热调节系统在每个热调节点上安置一个电源，以增加或减少调节块的长度，从而改变模唇的开度。

图片来源：Unicor

PVC芯层发泡复合管、板共挤出

PVC三层共挤芯层发泡管材(简称PSP管)，是一种新型建筑管道材料，内外层均为PVC，中间层为发泡PVC。内外层PVC具有单壁UPVC管材的所有优良性质。中间层发泡PVC的体密度仅为0.8～0.9，其发泡孔形成空气隔离区，有效地隔离噪音，降低传热效果，并减轻质量。发泡结构可节省15%的PVC用量，可以较大地降低成本。它广泛用作低压力给水管、污水排放管、室内通风管、排气管及电话、电信、电视的电缆套管等。

PVC芯层发泡管挤出生产线包括挤出发泡层的一台主挤出机以及一台或两台挤出内外层的共挤出机，通常采用一台挤出机同时挤出内外两层。共挤出工艺的优点是表层和发泡倍率容易控制，制品的外观和内在质量都较好。

PVC芯层发泡管对配方、工艺、机头要求非常严格，必须解决好以下几个问题才能生产出合格产品：

(1)三层物科之间要有良好的熔接强度；
(2)三层物料的流速必须同步；
(3)发泡层的泡孔必须细腻均匀；
(4)三层物料的分配必须均匀稳定。

共挤出机头是生产芯层发泡管的关键设备。因熔融物料包含有挥发性气体，机头流道应平缓过渡，避免截面积的急剧变化，以防物料在流道内发泡，导致制品密度不均。分流锥支架上的分流梭要尽可能少，因其产生的流痕较难消除。口模平直段比普通管材略短些为宜，一般长度取8～15h(h为模隙尺寸)。为保证一定的机头压力，型芯支承区与机头口模模隙之间的压缩比约为10:l～15:l。

聚氯乙烯发泡板材是近年来国外迅速发展和推广的“以塑代木”化学材料，分为表层不结皮的自由发泡和表层结皮的内向发泡板材两种。

聚氯乙烯发泡板材与木材、钢材比较，具有节能、省料、使用性能更加优越等特性，质轻、强度高、韧性好、隔热、阻燃、防湿、易二次加工，可钻、可刨、可钉、可锯、可粘接复合、可热成型、可焊接、表面可印刷，是一种十分理想的建筑装饰材料。可广泛用于广告业中各种展版、展台、标牌、公共标志物的制作。在建筑装饰中可作为天花板、隔班、壁柜、商店店面、商品陈列布置的材料，还可以作为电脑桌、快餐桌、轻体房等。在环保领域中可制作化学防腐槽、通风管道及交通中轮船、火车、飞机内舱板和汽车内装饰等。

据有关资料介绍，西方发达国家如意大利、奥地利上述发泡板材产量占塑料制品领域的15%以上。

异型材共挤出

塑料异型材共挤出的目的就是要将不同性质的高聚物挤到同一型材的不同部位从而赋予型材特殊功能要求或是获得最佳的性能、价格比，从而使产品多样化或多功能化，以提高产品档次，并降低成本。

异型材共挤工艺按共挤材料的成型状态可以分为前共挤和后共挤两类。前共挤是指两种材料在未完全成型的过程中实现复合成型；后共挤是指一种材料已完全成型之后，再与另一种材料实现复合成型。后共挤的优点在于能够利用废料，经济性较好。

按挤出材质不同可以分为有机共挤和无机共挤两类。有机共挤包含同材质前共挤（如精细料与掺加回收料的前共挤）和不同材质前共挤（如PMMA与PVC前共挤）以及软硬PVC的后共挤；无机共挤可以分为铝塑复合共挤和钢塑复合共挤。

在此重点介绍后共挤挤出、铝塑复合异型材共挤出、钢塑复合异型材共挤出以及双色共挤出技术。

后共挤(以下简称PCE)技术是20世纪80年代末期由奥地利人开发的一项具有革新性的先进成型技术，是共挤技术的最新发展。与传统的前共挤(以下简称FCE)技术比较，具有工艺简单、应用灵活、废品率低、易于回收、粘接强度可控等显著特点。目前该技术主要应用于制造带密封条的门窗用异型材。

传统的FCE技术是一次成型技术。由两台以上的挤出机向同一成型模具挤出具有不同流变行为或不同颜色的熔融物料，这些熔体在成型模具中各自的流道内流动，然后在口模处汇合挤出，并在定型套中抽真空，冷却定型。在此过程中，由于熔体粘度和压力不同及流速的差异，各层物料在口模中汇合时，易产生不稳定层流，造成复合界面不规则、不均匀，出模后各层容易分离。此外，熔体粘度的差异还会使挤出熔体在真空冷却定型时，产生定型困难(如进入定型套时容易堵塞)，使得工艺过程较为复杂和难以控制。因此，如果要保证成型质量，就需要设计制造复杂的模具和熟练的操作技术。

PCE工艺则是一种全新的概念，其实质是将FCE的一次成型过程分解为两个单一的成型过程。首先挤出普通型材(基材)，待其定型后，再挤出辅材与基材复合成型。这种工艺构思将FCE中复杂的多层熔体的一次成型过程变成主、辅材分别成型和复合的二次成型过程。在各次成型中，模具流道只有单一物料的流动，从而简化了工艺条件，使成型全过程更容易控制，复合制品的形状尺寸更加精确，使模具的设计制造更为简单。

在PCE成型中，是冷与热、软与硬的材料结合过程，保证各种物料粘接强度是其必须解决的关键问题。此外，如何获得高质量的外观也是值得引起关注的重要问题。

铝塑复合型材是将外部的铝合金框与内部的塑料异型材框复合在一起的新型型材。它将两种材料的性能优势结合在一起，不仅在结构强度和抗老化性能上满足了对门窗的使用要求，而且具有隔热、保温性能优良、着色容易、装饰效果好、组装简易方便等优点。此外，从环保节能角度看，铝塑复合型材减少了铝型材的使用量，可节约国有资源，减少对外界环境的污染。

钢塑共挤微发泡PVC型材兼备了钢窗、铝窗的刚性，同时通过微发泡技术提高了门窗的保温、节能、隔音、密闭特性，其外观酷似高级木材，组装工艺简单。因此，这种型材将会被越来越多的人所认识。

生产PVC钢塑共挤异型材对配方、工艺、模具等要求非常严格，要生产出优质产品，必须解决好以下几个问题：型材表面要有一定硬度、厚度的结皮；型材各面的包覆塑料厚度必须均匀；型材的发泡孔必须细腻均匀；包覆塑料与钢衬之间要有良好的粘接强度。

PVC钢塑共挤型材采用内部钢衬与外部PVC塑料一次共挤成型，使高分子材料与钢材有机结合成一体化复合型材，既保证了隔声、隔热性能，又大大提高了型材的杆件强度。

近年来，研制成功的硬聚氯乙稀结皮低发泡钢塑复合挤出型材（以下简称JFG型材）采用钢塑共挤出和PVC-U结皮低发泡相结合的工艺，将PVC-U结皮低发泡塑料层包覆在精轧的异型钢衬上，成为一种新型的“钢塑一体”的复合异型材。

双色共挤型材成型通过不同的彩色原料赋予塑料型材以不同的外观色彩和特殊性能，它的技术特点是：

(1)充分发挥各种塑料的固有特性，改变塑钢型材的质量，如改变颜色，提高表面光亮度，提高表面硬度。同时增加了芯部材料的可选择余地，降低配方成本。
(2)多种塑料一起成型的整体技术，勿需粘结或贴合，勿需再对产品喷漆、喷涂等表面处理，效率高，成本低。
(3)可构成品种多、花样新、性能优的各种型材，以满足特殊场合使用的材料。

双色共挤需要两种不同型号规格的挤出机共用一套模具，由于挤出量、挤出速度差别大，加热区域多，必须进行最佳的优化配合，因此对工艺、设备及模具提出了很高的要求。我们国家的多色共挤加工起步较晚，已有的多色异型材大多是引进发达国家和地区的设备和工艺生产的。

此项技术的关键是共挤出机头设计和彩色料物化性能的有机配合。共挤出机头的结构随着型材截面的不同，可选用不同的共挤方式，通常采用模内复合共挤方式，即来自两台挤塑机的两种熔体经独立的流道在离开口模前处交汇，彩色熔体以极薄的厚度与PVC熔体大面积复合，并一起被挤出模外，再经定型模及水箱冷却成型。

总结

根据现有文献资料总结，我们认为共挤出技术理论研究有以下三点发展趋势：

(1)近年来的理论研究大多集中在等温流动的研究上，这是由于聚合物本身性质的复杂性所决定的，另外由于复合过程是在口型出口处很小的范围内进行的，等温假设是可行的。
(2)粘性流体有限元(FEM)分析方法和迭代算法具有很大的优越性，被广泛地用来模拟共挤出流动。
(3)对共挤出界面的位置、稳定性的影响因素的研究一直是该领域理论研究的核心。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (2/19/2005)


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