一、擠出機是PVC物料擠出塑化的保證

擠出機是PVC物料擠出塑化的硬件部分，是擠出塑化的保證。工業擠出機發明在1795年。十九世紀中葉發展起來的合成聚合物工業，促進了擠出加工的應用，1925年擠出了各種型式的聚氯乙烯，1935年由德國人制造成功的專門為熱塑性塑料設計的第一臺單螺桿擠出機標志著現代擠出工藝的開始，從第一臺單螺桿擠出機發展到今天機型眾多的單螺桿和雙螺桿擠出機，擠出機經歷了70年的發展歷程。可以說，擠出機的發展史是PVC物料擠出塑化質量不斷提高的歷史。

眾所周知，工業化生產的擠出機種類較多，按擠出機的用途分為成型用擠出機、混煉造粒用擠出機和供料用喂料擠出機；按螺桿數目的多少，分為單螺桿擠出機、雙螺桿擠出機和多螺桿擠出機；按可否排氣分為排氣式擠出機和非排氣式擠出機；按螺桿在空間的位置可分為臥式擠出機和立式擠出機。

雙螺桿擠出機的發展過程也反映了PVC物料的塑化質量不斷提高的需求。雙螺桿擠出機發展過程可以分為三個階段，第一階段1950年～1960年，雙螺桿擠出機作為一種新的設備，功能上不完善；第二階段1960年～1970年，性能優異的、成本高的雙螺桿擠出機；第三階段1970年以后注意加工設備的經濟合理性的雙螺桿擠出機。雙螺桿擠出機按二根螺桿的相對位置，可以分為嚙合型和非嚙合型。按二根螺桿的結構形狀可分為平行雙螺桿擠出機和錐形雙螺桿擠出機。按二根螺桿相互嚙合的螺桿的相對旋轉方向不同，分為同向旋轉和異向（反向）旋轉二大類。在PVC異型材生產中，大多數廠家使用的是嚙合型錐形異向雙螺桿擠出機。

螺桿是構成擠出機中影響PVC物料擠出塑化的主要部件，其改進過程也是適應PVC物料塑化提高要求的過程。螺桿主要參數有：螺桿直徑；長徑比；壓縮比；螺桿的分段（加料段、壓縮段、計量段）；螺槽深度；螺距；螺旋升角；螺棱寬；螺紋頭數；螺紋斷面；螺桿頭部型式；螺桿的冷卻方式。擠出機生產廠家在制造螺桿時，一般對上述參數有所考慮。這是因為上述參數不同會導致PVC物料擠出塑化質量不同。或者說，適應不同的PVC物料擠出塑化質量要求，應該改變上述參數。

機筒是擠出機構成中影響PVC物料擠出塑化的另一個主要部件，其加熱方式有三種：熱載體(油、蒸汽)加熱、電阻加熱和感應加熱。從穩定PVC物料擠出塑化效果考慮，使用后二種較好。其冷卻方式有油冷卻和鼓風機鼓風冷卻二種。筆者通過實踐觀察認為，油冷卻雖然冷卻均勻，但是油管易結碳。油管結碳后不但清理麻煩而且影響冷卻效果。所以，控制PVC物料塑化溫度采用鼓風機鼓風冷卻效果較好。目前多數擠出機生產廠家的機筒采用電阻加熱、鼓風機鼓風冷卻、加料口為矩形較多。

對于生產PVC異型材而言，因采用PVC粉料加工，單螺桿擠出機擠出PVC物料塑化及溫度均勻性不如雙螺桿擠出機，這是因為物料在單螺桿擠出機中的輸送主要是依靠物料與機筒內壁及物料與螺桿表面的摩擦作用，雙螺桿擠出機則為"正向輸送"，具有將物料強制推向前進的作用。雙螺桿擠出機中物料由加料斗加入機筒，經過螺桿到達口模。在這一過程中，物料在螺紋推動下，通過各部分圓周運動，進行剪切、輥壓、捏合，同時也向著口模方向運動。物料在雙螺桿內的流動不是由于摩擦牽引作用，而是靠機械的強制輸送。這種輸送是等量的，減少了逆流，物料在機筒內停留時間短、溫度波動小。實踐證明，在雙螺桿擠出機中，物料的停留時間通常僅為同直徑、同轉數單螺桿擠出機的一半，而熱量的傳遞效率卻高4倍，從而提高了PVC物料的塑化質量。

要注意的是，螺桿與機筒的裝配精度對PVC物料擠出塑化質量有很大的影響。裝配精度主要表現在雙螺桿擠出機的四種間隙中，這四種間隙是二個螺桿相對位置的間隙、螺桿螺棱之間的間隙、螺桿與機筒的間隙、螺桿尖部與機筒機頭斷面的距離(間隙)。對于螺桿與機筒的配合間隙一般在0.1～0.6mm，根據螺桿直徑不同間隙不同，隨著直徑增大間隙增加，但是間隙不能過大或螺桿外圓各點與機筒間隙不能相差太大。否則PVC物料擠出塑化質量會下降。

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二、PVC物料擠出塑化機理

根據PVC物料在雙螺桿擠出機機筒中的三段塑化歷程，將螺桿分為三個區域：固體輸送區、熔融區、熔體輸送(擠出)區。PVC物料擠出塑化機理的討論就是對物料在機筒中的螺桿三段塑化歷程機理的討論。

01固體輸送區塑化機理

在機筒中，把固體聚合物(PVC)及其助劑的流動、預熱、壓實區域定義為固體輸送區。首先，料斗內固體聚合物粒子向機筒內流動是靠重力實現的，隨著螺桿的轉動，粒子向機頭方向推進的同時，料斗內粒子不斷流動。在固體輸送區(機筒C1區)PVC物料中的高分子、小分子等粒子逐漸被加熱，同時，螺桿剪切作用和粒子之間摩擦也使粒子熱量增加，從而使粒子在致密狀態中充分接觸、擴散、滲透。在這個區域內，由于螺桿的螺距、螺棱寬度等發生變化，PVC物料粒子被致密地壓實，形成在螺槽上滑動的固體床或固體塞。固體塞運動是依靠機筒表面與固體塞之間的摩擦力，而螺桿與固體塞之間的磨擦力卻阻止固體塞運動。所以在機筒內，造成PVC物料粒子不在同一方向前進，而是不時地翻滾、打滑，隨螺桿旋轉、"架橋"，在"橋"后堆積起來，突破"橋"，隨著PVC物料擠出和PVC物料在料斗內的流動，過程反復進行。

在這個區域，較好的PVC物料擠出塑化質量，從狀態上看是PVC由玻璃態轉化為高彈態；從聚集態結構看，是50%～60%的PVC樹脂顆粒破碎變化為初級粒子，各種助劑粒子的表面與初級粒子充分接觸、擴散。

值得指出的是：對于穩定的運轉，料斗內固體料的高度無論什么時候都必須在某個臨界值以上。在這個臨界值以上，料面高度的變化將不影響擠出機的性能，但是，如果料面高度低于臨界值，變成一個強烈的不穩定因素。固體料面高度的變化會引起底部壓力的變化，會改變擠出機的運轉狀況，導致PVC物料擠出塑化質量的惡化。

02熔融區塑化機理

在機筒中，把固體聚合物和熔體共存區域定義為熔融區或相變區。該區為C2、C3加熱區。熔融區是擠出機的主要部分，特別是溫度的設定(機筒C2區、C3區、螺桿芯部)及螺桿轉速設定、螺桿與螺桿的間隙、螺桿與機筒的間隙等，對PVC物料擠出質量有重要影響。當PVC物料達到熔融區時，由于螺桿的螺距、螺棱寬度等發生變化，PVC物料顆粒在被擠壓致密的同時，已經產生了相當大的壓力，這些壓力與周圍熱介質的軟化作用一起，把壓實的顆粒變成密實的"固體床"。此時的固體床是由一部分PVC高彈態與一部分PVC玻璃態、少量的PVC粘流態組成的混合狀態。固體床具有螺旋形螺槽的形狀并且在螺槽內滑動。由于這種相對運動，在固體床和機筒表面之間的熔膜內便產生了速度分布。于是，熔膜中的熔體開始向螺紋推進而流動，當它遇到螺棱時，螺棱便將熔體從機筒上"刮下"，并且聚集在推進螺紋前方的螺槽后部的熔池中。當固體床沿著螺槽移動時，越來越多的熔料被帶入熔池，因此，熔池的尺寸增加，而固體床的尺寸則減少。固體床被逐漸破壞而成為粘流態向前輸送。

在這個區域，較好PVC物料擠出塑化質量，從狀態上看，PVC由高彈態轉化為粘流態；從聚集態結構來看，由60～70%PVC初級粒子破碎變化為一級粒子，各種助劑分子與PVC一級粒子接觸，形成物理與化學的結合。

在熔融區，提高PVC物料擠出塑化質量的因素有：

(1)增加螺桿轉速
(2)提高熔融區機筒設定溫度
(3)合適的螺桿與機筒間隙
對于特定的PVC異型材生產配方，應該有一組最佳的熔融區機筒溫度。

03熔體輸送區塑化機理

在機筒中，把固體聚合物完全轉化為熔體，熔體被強制輸送到機頭處的部分定義為熔體輸送區(機筒C4加熱區)。在這個區域內，熔融大分子在剪切作用下與各種助劑進一步反應、均化，隨著PVC物料粘流體不斷地定量擠出，形成熔體壓力，保證PVC物料的最終成型產品的密實度。在這個區域，較好的PVC物料擠出塑化質量，從狀態上仍保持PVC大分子粘流態，從聚集態結構看，是PVC一級粒子與少量初級粒子共同組成的結晶體，這部分初級粒子可以提高最終材料的強度、韌性。當含有這種結晶體材料被擠出、冷卻后，在外力的作用下，初級粒子能夠阻礙一級粒子的運動，達到強度的提高；又由于初級粒子表面積大，在受到沖擊時可以吸收部分沖擊能，提高韌性.

三、配方、工藝是PVC物料擠出塑化的基礎和條件

生產PVC型材的原料有十余種，主要有聚氯乙烯、抗沖劑(氯化聚乙烯)、穩定劑、加工助劑、內外潤滑劑、填充劑(碳酸鈣)、著色劑、增塑劑。理論和試驗已經證明：原材料的生產廠家不同，其技術指標不同，PVC物料擠出塑化質量不同；原材料用量不同，PVC物料擠出塑化質量不同；各種原材料在配方中的配比不同，PVC物料擠出塑化質量不同。應該針對具體的擠出機、原材料制定相應的配方組份，須做大量的試驗與篩選工作。最佳的配方組份是PVC物料擠出塑化的基礎。

合理的擠出工藝是PVC物料擠出塑化的條件。雙螺桿擠出機適宜硬聚氯乙烯異型材的成型，因它能在較大的機頭阻力情況下高效的生產優質制品。擠出工藝涉及到機筒溫度的設定、主機(螺桿)轉速、喂料轉速等參數，這些直接影響PVC物料擠出塑化質量。塑化質量可以用塑化度表示。當PVC未塑化或塑化度低時，PVC初級粒子未解體或解體很少；塑化度100%時，塑化過度，所有初級粒子解體、融合，制品冷卻后形成了均勻分布，貫穿整個制品的結晶網絡。這二種情況都會造成PVC物料擠出塑化質量不好，反映到型材上使物理性能不好。最佳的PVC塑化度在60%～70%，此時PVC大部分初級粒子解體、融合、仍然有少數PVC初級粒子存在，制品冷卻后的內部非結晶網絡與結晶網絡相互交錯，反映到型材上物理性能就好。一般來說，提高溫度、提高螺桿轉速、提高喂料轉速均可提高塑化質量，但有一個三者最佳組合。

從PVC物料擠出塑化機理來看，機筒C1～C4溫度設定是不同的，通常是C1>C2>C3>C4, 但是，也有與這個排序不同的，這與螺桿的參數與裝配精度有關系。

1. 選擇最適合于完成所給定型材的設備，然后制定最佳的組合操作條件。

2. 設定適宜的機筒溫度，保證產品表面質量。

3. 注意各種原材料成分的均一性。如擠出一種分子量分布較寬的樹脂(聚合物)時會發生成分不均勻性。

4. 設定適宜的機頭及模具溫度。一般情況下，在較好的層流狀態情況下，機頭及模具上的溫度變化不會影響制品的均勻性。如果橫著流動方向的溫度梯度大，同時模具中流動不是層流，為不規則的隨時間的波動，適宜的機頭及模具溫度的設定就很重要了。溫度波動和壓力之間的相互關系意味著溫度波動是問題的根源。在擠出機中的不完全熔化也將引起溫度波動。

5. 采用分流板。當物料離開螺桿時，如果PVC塑化度較低，固體碎塊和熔體一起進入機頭，其結果不會好。分流板可以使這些碎塊的大部分破碎，做一部分螺桿未完成的工作。實踐中筆者接觸使用過四家擠出機廠家生產的擠出機，其塑化質量是不同的，有的需要加入分流板才能提高塑化質量。

6. 改善操作條件。操作條件對質量的影響很重要。當擠出機起動時，必須加入大量的熱，螺桿芯部與機筒幾個加熱段可以將溫度設定高一些；當擠出機在穩定狀態工作后，有效部分的熱量由粘性耗散所產生，這時熱量經常過量，為了維持恒定的溫度，必須適當降低螺桿芯部與機筒幾個加熱段的設定溫度。

通過三方面的討論可以得出結論，對于PVC物料擠出塑化質量，單純注重硬件部分--擠出機的性能或軟件部分--工藝、配方不能奏效的，須有機地結合起來。只有充分認識擠出機的塑化機理，才能正確制定合適的配方與工藝；只有了解PVC型材的配方與工藝才能正確制造、調整好擠出生產線。所以說，擠出機是PVC物料擠出塑化的保證，配方與工藝是PVC物料擠出塑化的基礎和條件。

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