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日期:2020-04-09 06:18 作者:摩纳哥城赌场

  世界上第一台柱塞式挤出机由英格兰的 Henry Bewley 和 Richard Brooman 于 1845 年研制成功 , 而第一台单螺杆挤出机是由美国的 William Kiel 和 John Prior 于 1876 年研制成功的。历经一个半世纪的发展,挤出成型已成为聚合物加工中最主要的成型和改性方法。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。

  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。

  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。

  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 的连锁降解反映,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加工中,精密挤出机可以发挥不可替代的作用。

  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、链间共聚物的获取、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。

  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经超过 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 。医用导购的线m/min ,薄膜的线m/min ,包覆电缆的线m/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。

  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。

  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 、 BOET 、 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。

  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 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≤1μm 的表面粗糙度;加工精度超过 1μm 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 0.2μm 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。

  北京化工大学在教育部骨干教师基金和北京市自然科学基金的资助下,开展了精密挤出机理的研究和精密挤出技术的重新。图 3 为北京化工大学塑料机械及塑料工程研究所的精密挤出实验台,该实验台配备了熔体泵,伺服驱动系统、失重式加料计量系统、在线激光测径仪等有助于提高挤出过程精密可控化的装置,还配备了并联式稳压系统、统计过程控制( SPC )控制系统等具有自主知识产权的专利技术和装备。

  北京化工大学已有一名博士、五名硕士完成了精密挤出机理及技术方面的学位论文,课题组在建成国内首台精密挤出实验台的同时,申报了 5 项专利,并承接了“挤出法生产光导纤维”的国家 863 项目。

  精密挤出成型主要包括精密塑化、精密控制、精密成型等三方面的技术内容。从实现精密挤出成型的技术途径主要包括两个方面:一方面要最大程度地提高挤出成型过程温度、压力和流量的稳定性,另一方面是通过先进控制(闭环控制、模糊控制、统计过程控制等)手段,对挤出成型过程的波动进行即时自动调整。

  挤出成型是一个十分复杂的生产过程,在此过程中,高聚物要经历固体输送、熔融、混合、增压、泵送、成型、冷却固化等过程,并受到剪切、拉伸、压缩、以及加热、冷却等作用,发生熔融、固化、取向、解取向、结晶等复杂的相态和结构变化,使得挤出过程的控制难度极大。同时,由于挤出生产中的制品成型和定型是在较低的压力下进行,造成成型过程受挤出塑化稳定性以及外界因素的影响较大。为了克服上述不稳定因素对挤出成型的影响,人们开发了一系列有助于提挤出稳定性的装置。

  普通挤出成型系统需要解决的一个主要问题是挤出产量的稳定性,研究表明普通挤出机的挤出流量波动可达 8%~10% ,轴向波动会使挤出制品轴向精度下降。为了解决挤出成型系统的挤出稳定性,人们采用熔体齿轮泵与挤出机串联使用。熔体齿轮泵是一种正位移输送装置流量与泵的转速呈严格的正比关系。

  用于输送塑料熔体的熔体齿轮泵,其主要功能是将来自挤出机的高温塑料熔体增压、稳压,保持熔体流量精确稳定地送入挤出机头此处介绍的熔体泵,其结构类似液压传动中的齿轮泵。他可在高温 350℃ ,压力达 35Mpa 或更高的条件下连续工作。其主要特点是结构简单紧凑,工作可靠,寿命较长。

  从图 4 和图 5 可以看到,熔体泵主要是由泵体、前后盖板、两个相互啮合的齿轮、轴承和密封件等组成。由两个齿轮的齿廓,泵体和侧盖板形成的空间构成了泵进料区、输送区和排料区。齿轮是熔体泵的核心零件,其结果形式多种多样:按啮合方式可分为内啮合和外啮合方式;按齿廓曲线可分为渐开线齿轮、圆弧齿轮、摆线齿轮等;按齿向可分为直齿轮、斜齿轮和人字齿轮等,但在输送塑料熔体中最常用的是渐开线直齿或斜齿的外啮合齿轮泵。

  图 6 是熔体齿轮泵稳压效果的实验曲线。曲线表明熔体泵的采用可以将挤出过程后的压力波动降低 90% 以上。

  由于熔体齿轮泵加工精度高、价格昂贵,在有些场合可以采用其他稳压装置,压力波动控制器就是其中的一种。压力波动控制器的结构见图 7 。

  压力波动控制器是基于动态流量平衡原理研究出来的,该装置也是通过稳定挤出压力来实现稳流的目的。当物料沿挤出机螺杆被挤入机头时,就产生了压力。该压力也把物料挤入控制器中。因为控制器的螺旋线旋向与挤出机的螺旋线旋向相反,所以被压力挤入控制器中的聚合物熔体直到控制器中产生的压力与挤出机的压力相等时才为止。设想挤出机中的压力变化是正弦波形式,当挤出机内压力为波峰时,就要求波动控制器内所成压力也为最高,也即需要较长的填充段来达到压力平衡。当挤出机压力为波谷时,则所需要的填充段也较短。此时,压力控制器起到压力蓄能器的作用,通常压力波动在峰值时,原料积聚在控制器中。当挤出机内压力下降时,积聚的物料在波动控制器螺纹的推进作用下,流进挤出机中,从而使压力和挤出产量趋于平稳。由于波动控制器反映较快,所以它能够抑制熔体挤出的高频波动,对其进行的实验验证均起到了明显的稳压效果。

  针对串联式熔体齿轮泵所存在的入口压力低、润滑和密封故障率高、价格昂贵等缺点,以及压力波动控制器存在的可控性差,适用范围的缺点,我们研发了并联式稳压装置,见图 8 ,并在理论研究和实验研究的基础上使其不断完善。这种并联式稳压方法可以对传统的串联稳压方式起到补充作用。

  并联式稳压装置的稳压效果见图 9 ,在该实验中,由于采用并联式稳压装置,可以消除 83%~91% 压力波动和挤出流率波动。

  锥体座套式稳流装置的结构见图 10 ,锥形螺杆头与锥形套筒间形成的熔体流道就象一个阀门。螺杆在机械或液压装置的推动下进行轴向移动,此时阀门的开度,即螺杆锥形头部与机筒上的锥形套筒之间的间隙就会改变,使得挤出流量得到控制。

  螺钉型阀门装置的结构非常简单,见图 11 。通过螺钉旋入深度的调节,可以改变挤出机头流道的阻力,达到调节流量的目的。

  Sponaugle 设计了多环活动阀门式稳流装置,见图 12 。该装置的工作原理与锥体座套式稳流装置完全相同,只不过在螺杆头部开设了若干个环型槽,环型槽与固定在挤出机筒上的环型座形成了多个阀门。

  鱼雷头稳动式稳流装置的结构见图 13 。可轴向移动的鱼雷头置于机头入口处,当挤出机头内的压力发生波动时,移动鱼雷头可以改变流道阻力,达到调节流量的目的。

  挤出流量的波动会引起制品轴向尺寸的波动,这种波动可以通过调节机头流道的阻力来加以平衡。图 14 是一种阀式阻力调节机头的结构示意图。

  图 15 是另外一种阻力调节式机头的结构示意图。在线测量仪器测试到挤出流量发生波动时,微处理器就会给伺服电机发出动作指令,通过传动系统驱动阻力调节环沿轴向位移。由于阻力调节环的位移,使得机头阻力发生变化,起到了稳定挤出流量的作用。

  图 16 是最广泛使用的一种热螺杆式调节装置。其原理是在膨胀螺栓外部设有加热器,螺栓长度随温度变化而变化。

  图 17 是上述装置的改进形式,特点是各膨胀螺栓分别加热的同时,还通入润滑油逆流连续冷却,使温度波动变小。

  图 18 是一种组合式自动调节机头,可以自动调整阻流块处的间隙和模唇处的间隙。它是由德国亚琛塑料加工研究所开发。

  熔体粘度会随着温度的升高而降低,粘度的变化会影响到熔体的流动速度。当挤出制品的横向尺寸出现偏差时,可以通过调节机头口模的温度分布来进行补偿。图 19 是德国 Battenfeld 公司一种用于生产塑料管材的粘度调节式机头的照片。

  单螺杆精密挤出机工作无论多么稳定,总会存在波动,这种波动可以通过挤出机的控制系统加以调节,如可以将挤出机的实测产量与挤出机的螺杆转速或牵引速度形成闭环,减少挤出制品的轴向尺寸精度。但由于挤出制品的产量很难测量,人们开发出了失重式计量料斗,其结构示意图见图 20 ,较好地解决了挤出产量的在线测量问题。

  失重式计量料斗上装有称重传感器,通过测量单位时间内料斗重量的减少量,可以得到挤出机的即时产量。挤出机的 PLC 控制系统可以根据失重式计量料斗得到的挤出产量值,实现挤出产量与牵引机或挤出机电机转速的闭环控制。采用失重式计量料斗,可以对制品的米重进行精密控制。图 21 是采用失重式计量料斗控制挤出制品米重的特性曲线 中的非闭环控制区代表普通挤出生产线的工作情况,此时牵引机的牵引速度保持不变,制品的米重随着挤出机产量的波动而波动。在闭环控制区,牵引机的牵引速度随着挤出产量的波动而变化,制品的米重曲线基本上保持为直线。采用失重式计量料斗控制挤出制品的米重,不仅可以提高制品的壁厚均匀度, 而且可以在很大程度上减少原材料的浪费。

  精密挤出成型的控制技术精密挤出成型作为现代挤出技术发展中的重要方向,是一种能够实现制品高精度连续挤出的成型方法。随着现代电子信息技术和机械加工技术的发展,特别是 4C ( Computer 、 Communication 、 Contorl 、 CRT )和 IT 技术的广泛应用,使得精密挤出成型生产装备无论是在机械构造设计、还是在测控技术,以及相应的数据采集处理等方面都有了飞跃的发展。在精密设计、精密加工、精密选型、精密配置的基础上,通过对系统参数的在线高精度检测、数据传输以及精确控制,达到对制品尺寸精度的精密控制,能够实现真正意义上的精密挤出成型。

  挤出成型装备主要包括主机(挤出机)和辅机(包括机头模具、定型装置、冷却装置、牵引装置、卷取装置、切割装置等)两部分。在挤出制品的加工过程中,为了保证制品尺寸的精确性和加工过程的稳定性,挤出成型设备的主要控制参数包括机筒温度、机头温度、熔体压力、主机转速、牵引转速、卷取速度以及不同制品几何尺寸等的质量指标:如制品的外形尺寸和形状、壁厚及其分布、表面光洁度等。

  在传统的挤出装备中,主机的控制参数主要包括机筒和机头的温度、机头压力以及主机转速等;辅机的控制参数主要包括牵引装置、切割装置、卷取装置的工作速度。在控制硬件上主要采用二次仪表(包括智能仪表、如温控表)、调速系统、继电器、接触器、延时开关、电位器等来实现的,在整个控制系统通常采用开环控制系统,即没有各个参数之间的反馈控制。

  精密挤出装备和常规挤出装备的主要控制参数基本是一样的。在精密挤出成型装备中,为了对系统参数实现更精确、更精密的控制,采用了先进的控制手段和先进的检测仪器,并通过对主要目标质量(如制品几何精度)控制参数实现闭环控制、统计过程控制 SPC ( Statistical Process Control )、复杂控制(如串级控制、前馈控制等)以及智能控制等(如专家控制系统、模糊控制等),实现对最终目标质量(制品几何精度)的精密控制。这些控制方法具有以智能仪表、继电器为控制核心的传统仪表型控制系统所无法实现的功能。实践表明,只有采用以微处理器为控制核心的、具有数据采集及处理功能的可编程序控制器 PLC ( Program-mable Logic Controller ) 、单板机及工控 PC 机等为控制核心的控制系统,才能实现对整个系统的多功能闭环反馈控制。

  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。

  精密基础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。

  精密反应挤出成型和功能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、健间共聚物的获取、偶联 / 交联、可控降解、功能化和官能团的该性,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。上述聚集态结果控制技术,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。

  [1] 吴大鸣,李晓林,刘颖.单螺杆精密挤出成型技术进展.中国塑料, 2003 , 17 ( 2 ).

  [2] 吴大鸣,刘颖,李晓林等.精密挤出技术及应用.化学工业出版社.北京. 2004

  [4] 刘会举.高聚物精密挤出机理初探(二) —— 影响高聚物精密挤出的设备因素.北京化工大学,硕士学位论文, 2001 .

  [5] 操亚平,高聚物精密挤出机理初探(二) —— 影响高聚物精密挤出的设备因素.北京化工大学,硕士学位论文, 2001 .

  [6] 李晓林.单螺杆精密挤出机理的研究,北京化工大学,博士学位论文, 2003 .

  [7] 李亮.高聚物精密挤出及其制品壁厚均匀性的研究.北京华工大学,硕士学位论文, 2002 .

  [8] 钟松,失重计量配料系统在 BOPP 生产线上的应用.中国塑料, 15 ( 7 ): 75-77 .

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