[2007.02]塑料薄膜挤出技术的探讨

薄膜吹塑挤出系统由挤出机、换网、机头、IBC膜泡内冷、风环等构成。我们对薄膜产量和质量的要求越来越高，那么就必须有一个良好的挤出系统，挤出系统中的每一部分都是互相关联而不是孤立的。挤出机是获得高产和高质量的关键所在，熔体通过换网器过滤确保净洁，机头把挤出机所提供的熔体转化为厚薄均匀的膜泡管坯，风环具有膜泡吹塑和控制膜泡形态、冷却效率的功能，IBC膜泡内冷装置对提高膜泡冷却效率和排放膜泡内废气起重要作用。本文对挤出机进行专题论述：

挤出机由机筒、螺杆、加热、温控、动力传动等构成。机筒分光滑机筒和强制输送机筒。光滑机筒的输送效率为0.3~0.4，加料段机筒开小槽时，其输送效率为0.5左右，而当开有大而深的沟槽时，输送效率可能达到0.6~0.8。强制输送机筒可以提高塑料的输送能力，提高产量，减小挤出波动，提高挤出的稳定性。但并不意味着所有场合都可以使用强制输送机筒，例如EVOH必须采用光滑机筒。直径≤φ90mm的挤出机采用强制输送机筒对提高PE、PP等树脂的输送稳定性及输送能力在技术上是成熟、可行的。强制输送机筒主要由机筒体、强制送料套、冷却水路构成。强制输送机筒有整体焊接的结构和分体安装式结构，整体结构和分体结构各存在优缺点。整体结构机筒的冷却水不会漏入机筒内，但强制送料套磨损后机筒无法修复，水垢不能清理，要更换机筒。分体结构的机筒利用耐热橡胶密封圈密封防止冷却水进入机筒内，优点是强制送料套磨损后可以更换，水垢能够清理，缺点是密封圈失效时如果没有及时更换密封圈，水就会漏入机筒内。除此以外，强制送料槽的断面形状多，有矩形、三角形、锯齿形、半圆形等，其数目、长度、深度、形状必须根据不同的塑料和挤出量而定。机筒的壁厚也很重要，机筒壁厚有储热、补充热量的作用，没有足够的壁厚就没有足够的储热，对挤出机的性能有影响。

螺杆设计与原料、制品、产量和转速有关。任何一根螺杆都必须完成加料、输送、压缩、熔融、混合和排气六大功能。加料和输送影响挤出机的产量，而压缩、熔融、混合和排气直接影响薄膜的挤出质量。这里所指的质量，不仅指熔融是否完全，还包括制品压缩是否密实，混合是否均匀及制品不能有气泡，这就是我们平时所讲的塑化质量。事实证明，塑化质量和产量往往是矛盾的，提高产量往往会降低质量，而改善质量往往不得不影响质量。因此，对挤出理论及过程研究的目的就是如何在确保塑化质量的基础上提高产量。

塑料机械发展到今天，普通三段式螺杆很少得到应用。这里的三段为加料段、压缩段和计量段。这些螺杆已经不能保证高产、高塑化质量的制品的生产。于是可以在普通三段式螺杆基本设计思路的基础上增加了销钉混合和屏障混炼等设计，对提高产量和塑化质量能起到良好的作用，同时，通过单一分离螺杆和单一波纹螺杆的应用，产量有所提高，但塑化质量不能满足要求，而这些结果比国外先进的挤出机差距很大。

随着技术进步，我们在普通三段式单螺棱螺杆的基础上增加螺旋式屏障混炼和销钉混合，产量和塑化质量目前在国内能够满足大体生产的需求，这种螺杆比单一分离螺杆不论从产量还是塑化质量来说并不差，但比销钉混合、屏障混炼和分离螺杆组合一体的螺杆相比，差别就很大，尤其是加工mLLDPE、LLDPE。下图为销钉螺杆、屏障螺杆、分离螺杆。

分离螺杆和屏障螺杆的工作原理有所区别。分离螺杆能尽快把熔料最快地分离到另一个液相螺槽中，使剩下的固相与热机筒内壁很好地接触并熔化。而屏障螺杆是固相不熔就不能通过屏障。分离螺杆是由主副两条螺棱组成，形成固相螺槽和液相螺槽两个部分。由于分离段中液相螺棱间隙较大，固相熔融形成的熔膜就会越过分离间隙进入液相槽中，未熔固相仍留在固相螺槽内，从而实现固液分离。由于主副螺棱的螺距不等，在分离段就形成了固相区越来越小直至消失，液相区越来越大的结构。

分离螺杆的主要特点：（1）只有熔融的塑料才能越过分离间隙，未熔融的小颗粒在通过分离间隙时在高剪切速率的作用下熔融；当液相分离后，固相直接与高温机筒内壁接触加速熔融。（2）分离螺杆的液相螺槽全部是熔体，便产生一个又长又稳定的计量段。同时液相螺槽与固相螺槽被螺棱所分隔而不能产生回流，有利于定压、定量、稳定地挤出，并减少压力、温度和挤出量的波动。（3）固相全部存留在固相螺槽，气体在压力的作用下可以比较方便地从料斗排出，从而减少制品的气泡。（4）螺杆和机筒互相刮磨的机率小。（5）液相槽与计量槽较深，剪切速率小，温升小，在高速挤出条件下熔料不易分解，制品质量易保证。（6）机筒温控和熔体温度可操作程度高。

分离螺杆的主螺棱的螺距可以固定一个常数，这个常数通常等于螺杆直径，亦可以采用变螺距的设计，但难度较大。主螺棱螺距小产量低，塑化质量容易保证，主螺棱螺距大产量大，塑化质量不易保证。屏障螺杆副螺棱的起点选择是个难点，过前过后都不好。过前以固相为主，液相少；过迟不能及时把固相和液相分离；同时，原料熔融指数的大小及挤出机加热温度的搭配对液相分离点和完全塑化点会产生变化，这就需要科学的配方和科学的加工工艺的技术支撑。

屏障螺杆利用“屏障”阻碍固相通过并促使固相熔融，对熔体还起到混合、增强塑化、减小熔料温度波动的作用。屏障螺杆工作时只有熔融的塑料才能通过屏障间隙，从入料槽流入出料槽，未熔融的塑料被屏障螺棱挡住，不完全熔融的塑料通过屏障间隙时进一步受到剪切，强化熔融流入出料槽。塑料在螺旋槽中形成强烈的涡流运动，促进混合作用，料温更加均匀，提高制品的塑化质量。屏障螺杆有直槽和螺旋槽两种形式，屏障长度不小于2D，进出槽数各为3~4，为得到最小压力降，可采用螺旋槽的螺旋角50°~60°。屏障螺棱的长短影响塑化质量和挤出产量。

销钉螺杆的销钉一般设置在螺杆母体上或螺杆头部，前者用来促进塑料熔融，后者用来促进熔料的混合，降低熔料温度，减小熔料温度的波动。销钉有圆柱、方形、菱形等形式。圆柱销钉自洁性好，但易折断。方形和菱形销钉强度易保证，但自洁性差，要利弊权衡。

螺杆在一定转速下对温度的可控性要好，对LLDPE、mLLDPE 剪切热能否具有良好的可控程度十分重要，熔体温度的大小直接影响熔体强度和冷却效率，挤出的物料不得有螺杆原因产生的晶点。因此螺杆设计涉及螺杆的直径（D）、长径比（L/D）、压缩比（ε）、螺距（S）、螺旋角（φ）、计量段螺槽深（H3）、加料段螺槽深（H1）、屏障间隙（δ）、屏障长度、螺杆转速（n）等参数，这些参数必须根据不同塑料和产量来确定。

由于分离螺杆、屏障螺杆、销钉螺杆具有各自优点，笔者通过把销钉螺杆、屏障螺杆和分离螺杆结合为一体的设计，经过多年的应用与验证，螺杆低温挤出等性能有了重大的发展与突破，尽管挤出机造价高，但产量高、塑化好、节电能等优势更大地提升了设备投资的回报率，为国外市场所首选。

机筒、螺杆的国产材料牌号为38CrMoAlA，是一种高级氮化钢，具有高耐磨性、高疲劳强

度和较高强度，热处理后尺寸精度高。材料的化学成分须经化验，其中Al的含量必须控制在一定的范围才能确保氮化的硬度及深度，机筒、螺杆经粗加工后调质，螺杆一般进行离子氮化，硬度HV750以上；机筒一般采取气体氮化，硬度≥HV900，氮化深度0.4～1.00mm，氮化深度0.5～1.0 mm。由于PVDC等材料对机筒、螺杆具有腐蚀作用，可用不锈耐热钢制造，但费用很高。

塑料的熔化依靠机筒外壁加热器的加热和塑料互相挤压产生的摩擦热，传统的挤出系统所

用的加热器为不锈钢云母电加热器和铸铝（铜）电加热器，前者造价较低、寿命较短，后者造价适中、寿命长，从而被大量应用。由于这两种类型的加热器不同程度上存在电热丝分布不够均匀，因此必将由陶瓷加热器所取代。这里所指的陶瓷加热器是把电热丝均匀地穿在陶瓷块里面，外部可根据需要安装散热片或用不锈钢板围护，陶瓷块之间可以围成圆弧、圆周状，这种加热器发热均匀，缺点是陶瓷块不小心容易砸碎，且造价高，由于这种加热器能够满足高性能要求的挤出系统的加热，目前倍受青眯。温度检测点距离熔体应尽量控制在5 mm左右，才有利于温度控制精度的提高。

传统的动力传动由电机、减速器等构成，而目前国外采用了大扭矩、低转速电机，是新技术，以简化机械传动来取代传统的动力传动，达到功率大强劲、结构紧凑、外观美化的目的，不过其造价过高对发展中国家的企业目前难以接受。

机头是以螺杆为主的挤出系统之后的一个后续部件，是挤出系统的重要部件。机头是保证

把螺杆已塑化的熔料得到所要求制品的形状与尺寸。机头的流道要光滑、流畅，无突然扩大和缩小，不得有滞留的死角，不得有料流的涡旋区和停留区，应保证挤出物料充满流道并均匀流动和等温分布。机头要靠精密的机械加工设备加工，如精密的加工中心以保证制造精度，否则无法满足厚薄均匀度要求高的薄膜的生产。机头材料不能采用45号钢，其热处理变形大，硬度低，不利于提高表面粗糙度。机头材料至少应选40Cr，国产材料牌号35CrMo加工的综合性能较好，是机头选用的主要材料。机头流道可采用氮化、镀硬铬等表面处理。机头加热器为不锈钢云母电加热器和陶瓷加热器，所讨论的问题与上述相同。

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