塑料擠出技術的最新發展及應用探討
作者：陳楚亮

在塑料加工過程中，塑料擠出工藝和技術創新是繞不過的一個重要環節，作為塑料機械加工功能中的一個核心組成部分，擠出加工性能與塑料制品的質量、制品的結構和精度、生產效率、生產能耗等有著密切的關系。因此擠出機技術的發展和創新也一直伴隨著塑料加工技術一起發展成長，從現有國內外一些企業來看，目前在擠出技術發展與創新方面主要從3個方面驅動，即：現有技術的改進優化；創新的技術擠出應用；借助控制及軟件技術提高擠出性能。本文將通過國內外擠出技術的創新點和發展要素進行總結，供塑料加工及塑料機械行業的讀者參考，以促進中國塑料加工技術的進步。

現有技術的改進優化設計

隨著最新的塑料制品需求的發展，對塑料機械擠出技術也帶來了一定挑戰，以樹脂塑化性能、生產效率、節能降噪等為發展目標的需求在擠出技術優化中逐步出現。

在螺桿機筒的適應性設計優化中，主要為適應不同樹脂原料、助劑、混料的需求，不同的塑料機械廠家通過提高螺桿長徑比來實現擠出機產量、降低溶體溫度、提高溶體均勻度和確保產品品質。例如針對高濃塑色母粒的加工、HDPE和PP管道的生產、石頭紙和透氣膜的加工生產等，都需要通過提高螺桿長徑比來實現樹脂的加工。

為了確保樹脂的塑化效果和加工效率，特別是一些對加工溫度比較敏感的樹脂原料，很多對螺桿的結構進行設計，例如對螺桿的螺紋寬度和螺槽深度進行區段不同設計，并結合屏障螺桿設計等，不過這種設計已經在國內外企業中廣泛使用，應該不算最新的優化設計技術，該設計主要應用于薄膜成型、管材擠出和中空成型等塑料加工工藝中。

此外，在有些高校和企業，嘗試性采用新的螺桿設計，如混沌型單螺桿，螺桿采用多變螺槽，在螺桿擠出中建立混沌流動，希望提高熔融、塑化和混煉效果，降低擠出過程中的能量消耗，實現高產低耗，該技術已經申請相關專利，并獲得國家技術進步獎項，但在企業具體實際應用中還沒有出現在報端。

創新的擠出技術應用

目前在擠出技術應用中，在國內傳播最熱門的當屬拉伸流變轉子擠出技術，該技術由華南理工大學瞿金平院士提出的拉伸流變原理設計，該擠出機改變傳統的螺桿結構和工作原理，由定子、轉子及葉片組成的特定幾何空間中轉動時帶動物料輸送，同時隨流道截面積由小到大再由大到小，周期性變化過程中承受拉伸和壓縮作用，從而擺脫了傳統螺桿輸送塑化過程中對物料的剪切，造成對大分子鏈斷裂，如此則加快了物料輸送塑化效率，大大縮短了加工行程，從而提高工作效率、降低工作溫度和能耗，提高了塑料制品的質量。因該項目還處于試驗和試用階段，還需進一步觀察市場應用進度。

此外為了提高效率，降低能耗、降低噪音，目前在歐洲幾家公司采用了電機直聯技術，電機不再通過齒輪箱變速后驅動螺桿轉動,而是直接驅動螺桿轉動。其優勢提高了擠出機的整體效率，降低噪音，而在電機的選擇上，可以采用大扭矩交流電機、直流電機，也可以采用永磁同步電機或大功率伺服電機。因為電機直聯技術提高了螺桿的轉速，因此對螺桿的耐磨性能、轉速控制等都帶來了技術挑戰，目前該技術在片材和管材設備中小范圍使用。

在一些針對擠出精度和制品晶點控制要求較高的塑料制品，如醫用導管、人造血管、高精光纖等，一般在擠出中配置溶體泵，溶體泵是被安裝在擠出機與機頭之間的串聯式穩壓裝置。溶體泵由兩個設計精密的相互嚙合的齒輪構成。把熔體泵安裝在擠出機與機頭之間可以把擠壓系統產生的壓力波動與機頭及下游設備隔離開來,使它們之間不發生相互影響。

借助控制技術及軟件技術提高擠出性能

為了實現精密擠出，控制擠出溫度，目前在一些應用領域，通過引入SPC控制技術實現對擠出生產過程的監控，對技術數據的實時統計分析，實時提供改進措施，以提高制品的質量和精度。

因為傳統的PLC控制技術需要借助于靜態控制模型對擠出過程進行開環控制,及齒輪泵的出口壓力、進口壓力和螺桿轉速之間并沒有形成閉環控制, 一定程度上影響了擠出精度，而基于靜態控制模型的控制方式,只能事后發現誤差,而無法預測誤差和實現采取糾偏措施,因此,對于實現高精密度擠出幫助不大。而SPC(StatisticalProcess Control)技術是一種基于統計過程的控制技術 。該技術利用統計技術將數據轉化成信息、形成文件,以便糾正并改進過程的性能,確保生產過程始終處于統計控制狀態 。目前SPC過程控制技術已經成功地應用于光纖、醫用導管等塑料制品的生產應用中。

軟件模擬及虛擬加工在早些年主要應用于機械的設計與制造，但隨著高分子和機械制造的結合，通過對高分子加工參數和流變數據理解，該技術已經逐步應用于擠出工藝的發展，而且目前各國學者在此技術基礎上都不斷研究新模型、新算法及新的成型模擬系統,并將模擬軟件與制品設計、制造緊密結合,開發一體化的集成技術,使模擬技術呈現出集成化和智能化的趨勢。并演繹出了不同功能需要的多種數字模擬軟件，這些數值分析軟件為擠出機螺桿、擠出口模的設計和流動過程分析提供了有利的工具。對于新型螺桿結構的開發、精密擠出口模的流道結構設計具有極其重要的指導意義。

總體而言，在擠出技術的發展和創新中，盡管中國企業和院校整體相比歐洲企業存在一定的差距，但隨著國內塑料加工企業的發展和科學技術的代差縮小，中國在某些領域的發展已經逐漸在國際上嶄露頭角，在不久將來，中國塑料加工技術創新上將引領行業發展。

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