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聚合物挤出技术发展热点及趋势

发布者:bjzedao 发布日期:2015-01-30
聚合物挤出技术发展热点及趋势
刊登日期:2014.12.01
《CPRJ 中国塑料橡胶》- 2014年12月号
文章来源:CPRJ 中国塑料橡胶
王建 杜自然 姜南南 陈晋南 / 北京理工大学化工与环境学院

挤出技术是聚合物材料及制品加工必需的技术手段之一,本文分别从原理、设备和工艺三个方面分析了其相关开发及应用热点,原理方面突破了传统螺杆为主元件的束缚,引入振动、拉伸流变和叶片、磨盘、螺筒等新元件及组合式模组;设备主要以高速高产、大长径比、精密挤出、特种挤出及配备高性能辅机为发展趋势;工艺主要在提高加热、冷却、控制技术等方面发展,针对反应挤出、固态挤出、共挤出等特种工艺及线的技术提高为主,**总结了聚合物挤出技术研究方法的发展。


挤出技术是聚合物材料及制品加工必需的技术手段之一。
挤出技术是聚合物材料及制品加工必需的技术手段之一。
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目前,聚合物挤出成型技术主要朝着有效、节能、环保方向发展,具有有效塑化能力且低能耗,兼具绿色环保及可持续发展的挤出成型技术越来越成为该领域的研究热点。

 

聚合物挤出成型效率的提高包括聚合物流量、挤出机能效、工作压力、制品质量(分子取向、机械性能、热性能、分子结构)的提高和能耗的降低,主要受到设备结构和工艺两个方面的影响。下图总结了与挤出技术相关联的结构链条。可以看出,为了满足聚合物材料及其制品发展的要求,挤出技术主要从原理、设备和工艺三个方面跟进。

 

挤出原理的创新

 

在结构上提高挤出成型加工效率主要是指在挤压塑化系统的关键元件—螺杆和机筒的结构上做改进。

 

机筒和螺杆共同组成了挤出机的挤压系统,完成对聚合物的固体输送、熔融和定压定量输送作用。目前,以螺杆为主要结构标志和原理特征的螺杆机械是国内外广泛应用的聚合物挤出成型设备,存在塑化输运热机械历程长、能耗高、设备体积和重量大、对物料特性依赖性强等问题。

 

研究者对传统的螺杆挤出成型原理进行了思考与创新,反观传统塑化元件向“无螺杆化”方面发展,引入振动、拉伸流变等新原理,引入叶片、磨盘、圆盘、螺筒等新结构元件提高塑化能力。而随着塑化元件结构的改进,出现了许多新的用于聚合物挤出成型技术及设备。

 

多螺杆挤出机包括三螺杆、四螺杆、行星螺杆挤出机等,具有排布方式多变、啮合区多、长径比小、产能比高和混合性能优异等优点,可满足聚合物的加工质量和产量精细化、系列化、功能化、低成本等方面的要求。多螺杆挤出机的诸多优势已被业界认可,但由于在螺杆轴承设置、制造工艺、运作机理等方面的特殊性,技术上不够成熟,许多国内设计制造商还不敢涉足。格诺斯公司开发的MRS多螺杆挤出机具备非常大的热能交换面积和无可比拟的排气功能,能够直接将回收的PET瓶粉碎料薄片加工成片材,省去了造粒工艺及所需能耗,且无需预先干燥。

 

振动挤出靠施加振动力场能够加速分子链的解缠,降低熔体黏度和挤出压力,减少挤出胀大,从而增强产品的力学性能。瞿金平院士及其团队开发了塑料动态加工成型设备,进一步提出了基于拉伸流变的高分子材料塑化输运新机理,实现了塑料加工成型原理和由“基于剪切流变”到“基于拉伸流变”的方法变革,发明了拉伸形变支配的无螺杆塑料动态塑化加工新方法及装备。其研制出由定子、转子及叶片组成的无螺杆塑化和具有正位移输送特性的挤压系统,突破了传统螺杆塑化挤出理论。

 

2008年,北京化工大学贾明印教授等人设计了一种新型嵌套式螺杆挤出结构,将外螺杆和内螺杆嵌置在一起,使外螺杆作为内螺杆的机筒。2010年,潘龙等人通过在单螺杆挤出机固体输送段机筒内壁开设螺旋沟槽,将机筒与螺杆视为一个对物料协同作用的整体,建立了新型物理模型弧板模型。将嵌入机筒沟槽与螺杆螺槽中的物料视为固体塞,提出了新型“双螺棱推动理论”,弥补了单螺杆挤出机不能实现正位移输送的传统理论缺陷。2011年,华南理工大学卢和亮等人设计了螺旋沟槽单螺杆挤出机,以弧板模型和双螺棱推动理论为基础,推导了螺旋沟槽单螺杆挤出机的能量消耗方程,指导设计了强制进料螺旋沟槽衬套,应用于实际。

 

为了加大挤出机产量、提高混炼质量并降低机器的比能耗,结合传统的螺杆挤出和盘式挤出原理,1999年,北京化工大学江波教授团队设计了串联式磨盘螺杆挤出机,具备单螺杆结构简单、挤出压力高、承载扭矩大的优点和磨盘挤出机超强的破碎、分散、剪切、混合塑化优势,可制取常规混炼装置难以加工的特殊高分子材料和高填充复合材料。

 

机筒的结构形式关系到热量传递的稳定性和均匀性,在挤出/注塑成型的设计中越来越重要。Eberhard Grünschloß开发了一种新高性能螺旋沟槽机筒挤出机—Helibar挤出机,整个机筒带有螺旋沟槽,供料段为深螺旋沟槽,其它部分为浅轴向或螺旋状沟槽,与专门设计的阻隔螺杆使用构成混炼段,能极大地提高产量。

 

2011年以来,Emil发明了机筒旋转的单螺杆挤出机,研究了旋转机筒在塑化段不同区域及不同旋转机筒内表面形状对塑化挤出的影响。研究发现机筒内表面形状对挤出效率的影响很大,螺旋槽机筒的挤出效率**。后研究了直型沟槽机筒与旋转套筒共同协作对挤出塑化的影响,发现机筒沟槽数量较多时,*终确定了一种较好的旋转螺筒结构,升温效果好、建压能力强、流量大、消耗能量也小。

 

2008年,本文作者王建结合单螺杆、双螺杆、嵌套式螺杆和开槽机筒的优点,将螺杆和机筒作为统一的研究对象,发明了一种可实现对聚合物材料进行有效率混炼塑化的旋转螺筒。旋转螺筒是在机筒上加工螺旋沟槽的结构,配置驱动装置形成。其避免了螺杆旋转过程中的弯曲振动等许多不足,运行更稳定可靠,传热效果好,同时可提高整个塑化装置的使用寿命。与螺杆配合使用可以更短的行程取代现有的挤出和注射成型装置中的塑化装置,缩小设备体积、减少加工设备的材料用量,实现节能的目的。

 

挤出设备的创新

 

在特种挤出成型技术领域,一方面源于挤出原理的创新在设备结构改进方面不断发展,主要包括锥形双螺杆挤出、多螺杆挤出、排气挤出、串联式磨盘螺杆挤出、往复式销钉螺杆挤出、串联式多阶挤出、带熔体齿轮泵的挤出、木塑挤出、共挤出、发泡挤出等。

 

高产挤出成型设备

 

挤出机的高速高产可使投资者以较低的投入获得较大的产出和高额的回报,挤出机的高速化在一定程度上也反映了一个国家的聚合物加工技术水平。

 

高速挤出机转速可在500rpm以上,产量可达250kg/h以上。简单的提高螺杆转速会使物料在螺杆内停留时间减少而导致混合塑化不均,物料经受过度剪切易发生急剧升温而降解,挤出的稳定性降低而造成制品几何尺寸波动,螺杆、机筒、减速器及轴承等相关零部件寿命降低。因此,高速挤出设备要求重新设计螺杆等零部件,对加工精度及材料性能提出了更高的要求,同时要求高速高扭矩传动系统及精密控制系统。

 

目前,国内挤出机厂家还不具备开发实力。具有代表性的高速挤出机有克劳斯玛菲的ZEUTX系列双螺杆挤出机,科倍隆新一代ZSK双螺杆挤出机ZSK Mc18ZSK 26 Mc18等。

 

K2010展会上,联塑展出的GLSS-65X35挤出机利用低速大扭矩交流伺服电机直接驱动螺杆塑化挤出,**转速达到500r/min,**挤出量达到1000kg/h,节能达15-20%

 

研究表明,在相同的螺杆转速下,高速挤出机要实现高产量要求螺杆熔融段加长,长径比要大(一般为30:1~40:1),比常规挤出机的(24:1~30:1)高出1/3。因此高速挤出机的加料段、压缩段和计量段均比普通挤出机的长。

 

BEX公司研究发现螺杆直径在75 mm、长径比在34:1~40:1之间是拥有**产量的**参数。巴顿菲尔辛辛那提公司的Rapidex挤出机的螺杆直径为60 mm,长径比为37:1,加工PE的产量可达1000 kg/h,加工PP的产量可达800 kg/h。巴顿菲尔辛辛那提公司开发的Monos单螺杆挤出机中的**系列Monos90挤出机,长径比为37:1,产量可达1000 kg/h。巴顿菲尔辛辛那提K2013展出了由一台平行 twinEX 78-34 P和一台圆锥conEX 63 P挤出机组成的分段式挤出机解决方案。

 

另外,实现挤出成型设备的大型化可以降低成本提高产量,在大型双螺杆造粒机组、吹膜机组、管材挤出机组等方面优势明显。中国大型挤压造粒机组长期依靠进口,在此方面还需提高研发力度。

 

特种材料及制品的挤出成型设备

 

某些特殊材料及其制品挤出加工要求特殊的设计和工艺控制条件。

 

瑞士麦拉菲尔公司开发了系列新型耐高温挤出机,采用了极强抗腐蚀和极强耐磨材料,采用环形均匀冷却技术可保证400-500℃的熔融温度下挤出机内部温度分布均匀。航空航天用交联F40(交联乙烯四氟乙烯,XETFE)绝缘导线广泛应用于军工领域,仍被国外公司(如美国Raychem及法国Nexans等)垄断,其对挤出设备的挤出量、挤出速率、牵引线速度、可控性、稳定性、可靠性等提出了较高的要求,既能保证熔体塑化充分,又能使熔体在机筒中滞留时间短,挤出流道应平滑、流畅。

 

木塑复合材料(WPC)是采用低值来源丰富的木材等生物质纤维材料和废旧塑料为基本原料加工而成,具有环保、节能、节材、可循环利用等优点,其性能集木材和塑料的优势于一身。木塑挤出成型的WPC板材、棒材、异型材等可通过二次加工制造地板、铺板、栅栏、家俱、门窗、装饰材料、包装箱等。

 

东北林业大学王清文教授主持完成的“木塑复合材料挤出成型制造技术及应用”项目获得国家科技进步二等奖。日本CTE公司的塑木复合材料配混用型双螺杆连续捏合挤出机,研发了配混WPC的新工艺,不需预干燥,利用螺杆自身剪切热蒸发原料中的水分,克服了传统设备进料不均等弊病,配混木粉质量分数可达75%,可实现高产节能挤出。

 

微孔塑料及其制品质轻省料、热导率低,且具有优良的隔热性、缓冲性、隔音性以及强度。微孔挤出技术的关键是聚合物/气体均相体系的形成、气泡成核和长大及控制。目前代表公司有美国的TrexelMircrocellular Plastics TechnologyAxiomatics公司,日本东京Sekisui Plastics公司、加拿大的Engel公司等,国内的微发泡设备方面还不成熟。研究方向主要在微发泡连续挤出机理、发泡口模设计、工艺优化及微孔制品应用领域扩大方面。

 

共挤出技术可使制品多样化或多功能化,包括软硬共挤、芯部发泡共挤、废料共挤、双色共挤等。随农用薄膜、包装薄膜功能发展的需要,共挤出吹塑薄膜趋于向多台挤出机、多层化发展,目前多层共挤出吹塑膜可达9层。多层共挤对各种聚合物的流变性能、相粘合性能,各挤出机之间的相互匹配有很高的要求。机头流道的设计与制造更为关键。

 

目前关于共挤出技术的研究主要集中在多层共挤复合机头、工艺参数、共挤出界面的稳定性、CAD/CAE在共挤出的应用等方面。多层共挤出薄膜技术发展迅速,包括多流道式共挤出复合技术、喂料块式共挤出复合技术、微层复合(微层倍增器)技术等。

 

另外,对一些危险和有毒物料如含红磷类聚合物复合材料等的加工需要精密挤出装备。

 

在军工领域,挤出机可用于火炸药的加工,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也是*关键的**要素。

 

精密挤出成型技术

 

精密挤出成型是通过对挤出过程要素的**控制实现挤出制品几何尺寸的高精密化和材料微观形态高均匀化的成型过程,近年来拥有了高度重视。一方面可以显著提高制品的精度,满足高新技术产品的要求(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巿场需求与日俱增)。另一方面,通过提高制品的均匀性保证产品的合格率,可减少原料浪费,降低成本,增加收益。如果20%的制品采用精密挤出技术和装备来,中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 亿元人民币。

 

通过对精密挤出机理和影响精密挤出因素的不断深入研究,采用一些必要的控制手段和精密挤出装备,可实现挤出过程的精密化。应用高精度熔体泵,稳定均衡挤出,提高制品尺寸精度和几何精度。中央统计过程精密控制系统,利用熔体泵入口、出口处采集的压力、温度等信息资料,实现整个挤出过程在线监测及反馈控制。利用CAE先进设计方法,对精密医疗导管模具进行科学的设计,采用先进的加工方法进行精密加工。采用电磁加热系统,精密控制加热温度,提高可靠性,降低维修率,减少维修对环境的污染,同时降低能耗。

 

医疗微型精密导管挤出设备在中国还是空白,在此方面实现突破具有巨大的经济效益和社会效益。GuillTool公司推出用于医疗领域的新型挤出模具MediFlow系统,可出像头发一样细的医疗管,专门用于需要极其精细的医疗用途,包括**的关节镜微创外科手术。

 

气体辅助挤出成型由英国的R. F. Liang等在2000年首次提出,可降低口模与熔体之间的阻力,减小口模压降,降低挤出制品的内应力和翘曲变形。不仅可以提高挤出制品的质量,还能够大幅度的降低能量消耗,为自动**控制塑料制品挤出过程提供了前提条件,适用于精密挤出制品,如光导纤维、医用透析管、人工血管、介入疗法用支架等,是一项具有广阔应用前景的新技术。

 

近些年来,中国在对气体辅助挤出技术的研究方面取得了一定进展,但在具体应用方面还很少。

 

辅机

 

除挤出机本身,辅助设备的不断发展进步对挤出成型的提高至关重要。辅机主要包括定型装置、冷却装置、牵引装置、切割装置、放线装置、校直装置、预热装置、切断器、吹干器、印字装置等。

 

近年来,辅机的技术水平逐年上升。KraussMaffei公司的ZEUTX系列双螺杆挤出机配有ZSFE型侧边喂料器,可实现高固体颗粒输送率。巴顿菲尔辛辛那提的高速挤出机配备合适的压光辊,可保证*小限度的薄膜尺寸偏差。Argos 173型和twinEX 型异向旋转平行双螺杆挤出成型机,配备有机筒APC空气冷却系统,可保证高精度的熔体温度控制。格鲁伯挤出技术公司联合开发的节能真空系统,具有更有效率的干式真空定型和采用可变真空度控制系统的真空箱,可减少能耗达50%。科倍隆ZSK Mc18双螺杆挤出机可装上FET喂料器和ZS-EG侧脱挥设备达到更好的加工效果。米拉克龙TP75标准配置为节能交流电动机驱动,以及用于**进程控制的主动式螺杆油冷却。可选配件包括环保的干式真空泵等。

 

MaguireProducts公司推出了着色剂和助剂用改进型MGF重力式加料器,输出量增加一倍。混料机配套网络软件Gravimetric Gateway,提供详细的使用报告,在联网系统中的任一地点都能显示警报,可容许远程控制。

 

塑料挤出型材双线辅机设备可提高大挤出量主机的使用效率,并可使一台主机两种不同截面型材。辅机设备主要供应商奥地利的GreinerTechnoplast公司及加拿大的CDS‘公司的双线辅机在巿场上的占有率非常高。莱芬豪舍公司为MIDEX旋转臂收卷机新推出一款具有特殊的微结构接触辊,可以帮助降低成本、提高收卷质量。

 

检测及控制

 

随着控制技术的发展,挤出工艺在有效、节能、精度方面也拥有了提高,主要表现在挤出机的加热冷却控制、驱动系统控制、口模的控制等。主要配备新的加热冷却系统、新的精密控制系统、基于新原理的口模系统及熔体泵等辅助设备等来实现工艺精度的优化提高。

 

发达国家的塑料挤出机都普遍采用高精度的控制系统,对挤出过程中的工艺参数如熔体压力及温度、各段机身温度、主螺杆和喂料螺杆转速、喂料量、材料配比、电机的电流电压等参数进行在线检测,并采用微机闭环控制,可保证工艺条件的稳定及产品精度。

 

同时,信息技术的提高推动了挤出线的远程控制技术,挤出线向集成化、远程化和网络化方向发展。基于网络的计划和控制模块可实现分散的任务准备和控制。指令说明和产品配方可以直接从工厂的ERP系统传送到挤出线,无需操作人员到设备位置输入任何指令数据。

 

挤出技术研究方法

 

随着信息技术的发展,如今科学计算已与理论分析、实验并列被公认为当代科学研究的三种手段之一。三种方法结合深入开展科研可有效提高研究实力及水平。

在聚合物挤出技术的研发方面,影响工艺过程和控制产品质量的因素很多。需要开发的聚合物种类多、物性差别大,设备结构复杂、造型多样(各种螺杆、混炼原件、模具等),工艺条件复杂(温度、转速、扭矩等),产品种类多。这促进了数值模拟技术在聚合物挤出技术开发方面的应用。

 

在获取了物性参数后,基于相应的本构方程和流体力学方程,可通过计算机数值计算各种设备流道中聚合物熔体的流场,包括聚合物的速度、压力、剪切应力、剪切速率、黏度和温度场等,进而优化材料配方,优化螺杆模具等设备结构的设计,优化设备的操作工艺条件。因此,数值模拟技术可大大缩短研发周期、节省实验成本、提高**程度和产品质量。

 

目前,市面上的挤出机模拟分析软件主要有美国的EXTRUDPASS,德国的PEX,法国的CHEMEX-TRUD,加拿大的EXTRUCAD等;双螺杆挤出模拟的软件包括美国Akron大学的 AKRO-CO-TWIN SCREW 和美国PolyTech 公司提供的TXS等;挤出口模内流动的分析软件包括美国的FI-DAP,比利时的POLYFLOW,加拿大的FLATCDPROFILECADLAYERCAD等;用于挤出胀大的分析软件有比利时的POLYCAD-2DPOLYCAD-3D等,特别是在POLYFLOW软件中增加了反问题分析功能,即给定所需要的产品截面形状,软件就可计算出所需要的模唇形状。

 

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