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前言

塑料挤出成型如UPVC（硬质聚氯乙烯）型材或管材制品，主要是通过PVC树脂及相关助剂的混炼、挤出成型、定型、牵引、切割而形成。 影响产品性能的因素涵盖了生产过程的各个环节。 各个环节通过产品的媒介相互作用、相互影响。 一个环节出现问题，在一定范围内可以通过其他环节来弥补，因此各个环节就成为一个有机体。 其中，原材料、配方设备和操作技术是塑料挤出成型的主要因素，直接影响挤出成型的质量和产量。 本文重点从挤压设备和原材料的角度探讨对挤压的影响。 由于聚合物的成型加工受多种因素影响，本文仅供大厂家参考。

一。 UPVC原料成分：

一般来说，UPVC原材料主要由以下几部分组成：

1、聚氯乙烯树脂：

挤出PVC硬制品一般采用悬浮型松散树脂，S-PVC聚合度、粒度、松散度要适当。 不能使用粒径差异大的树脂和颗粒致密的松散树脂。

2、稳定剂：

由于PVC树脂是热敏性树脂，当温度达到约90～130℃时开始热降解，释放出不稳定的HCL，导致树脂变黄。 随着温度升高，树脂颜色变深，产品理化性能下降。 解决降解问题除了改进树脂原料的生产工艺外，主要是在PVC树脂中添加稳定剂，吸收、中和HCL气体，消除其催化降解作用。 常用的稳定体系包括：铅盐、有机锡、金属皂和稀土稳定剂。

3、润滑剂：

用于提高润滑性和降低界面粘附力的添加剂。 按功能分为外润滑剂、内润滑剂和内外润滑剂。 外部润滑剂可以减少材料与金属表面的摩擦，防止UPVC材料塑化后粘附在机筒和螺杆上。 内润滑剂可以减少材料内部颗粒之间的摩擦，削弱分子之间的内聚力，降低熔体粘度。 润滑剂的使用对于降低螺杆负荷、减少剪切热、提高挤出产量有显着影响。 配方中润滑剂的设计非常重要。

4． 填充材料：

为了提高制品的硬度和刚度，减少制品变形，降低原材料成本，UPVC制品生产中常添加CaCO3等填料。

5. 加工改性剂（ACR）：

主要目的是改善材料的加工性能，加速PVC树脂的塑化，改善材料的流动性、热变形和制品的表面光泽度。

6、抗冲改性剂：

主要目的是提高制品的抗冲击性能，提高制品的韧性，提高塑化效果。 UPVC常用的改性剂有CPE（氯化聚乙烯）和丙烯酸酯抗冲改性剂。

7、着色剂：

二氧化钛、炭黑等

二。 塑料挤出设备的塑化机理及配方成分对其的影响：

塑料挤出成型的设备有很多。 用于UPVC硬质制品挤出的主要有：排气式单螺杆挤出机和异向双螺杆挤出机。 下面主要讨论挤出UPVC制品常用挤出机的塑化机理。

1、排气式单螺杆挤出机：

1.1塑化机理：

图1所示为基于普通单螺杆的通风单螺杆。 可用于UPVC粉末成型、挤出、造粒。 该螺杆由两根普通单螺杆串联而成，具有较大的长径比（L/D=25~30）。 前置单螺杆主要通过物料的吸热输送、压缩、熔融、均化，起到对物料进行初步熔融的作用。 后部单螺杆主要用于排气、进一步熔融和均化、建立挤出压力。 从排气口看，物料应处于半熔融状态。 后螺杆输送段设有排气口，物料减压后可排出。

图1 排气单螺杆

前者螺杆主要负责物料输送、压缩、熔融。

在输送段，干粉物料逐渐被压实，形成“固体床”，因为物料温度尚未升高无螺杆挤出机，所以只有粉粒之间和内部的空气被排出。 在压缩段，物料温度在160~170℃左右。 随着螺杆通道容积的减小，物料与机筒表面之间建立压力，迫使物料通过螺杆与机筒之间的间隙。 物料与筒体表面之间的压力增大。 材料的吸热效果增强。 靠近机筒表面的物料由于剪切、压力和加热而形成熔融膜。 由于螺杆与机筒的相对运动，在螺杆槽前积聚并逐渐增大，物料粉末颗粒在此段形成。 它被剪切、破碎和熔化。 由于螺道内物料受到的剪切力较小，因此螺道内物料的塑化一致性较差。

在均化段，螺杆底径减小，使螺杆槽中部的物料紧贴机筒，使其受到剪切、加热、熔融，进一步完成物料的熔融，使它均匀地均匀化。

后螺杆输送段（靠近机头）底部直径变大，其位移比前螺杆均化段大很多。 这里的物料没有被压成段或大块，物料中的气体和挥发成分被释放出来，在这里设置排气口，通过真空泵将它们排出。 物料经第二压缩段到达均化段。 在机头、螺杆、机筒的作用下建立挤压压力，形成致密、均匀的料流，从机头挤出。 这里均化段的位移比前一个均化段的位移要大。 一级位移可防止材料弹出。

从以上分析可以看出，单螺杆熔化主要是由于螺杆的静态旋转和螺杆槽不同部位的物料相对位移造成的。 物料被加热压缩并在机筒和螺杆之间传导热量，形成熔膜和熔池。 液相间的迁移等

1.2 配方设计应注意的问题：

设计单螺杆物料配方时，应考虑物料在单螺杆挤出机内熔融时间较长、固体输送段物料状态对生产率影响明显、物料非强制输送等问题。考虑。 由于排气式单螺杆挤出机的长径比较大（一般L/D=28~32），物料受热时间长，不强制输送。 适当增加稳定剂的用量有利于防止过热和分解。 由于螺杆较长且负载较重，适当添加润滑剂可以降低螺杆扭矩。 当然，过多的润滑剂会对物料的输送和产品的冲击性能产生负面影响。 当润滑剂过多时无螺杆挤出机，挤出时可能会出现“抱螺丝”现象。 考虑添加抗冲改性剂。 增加抗冲改性剂的用量会导致螺杆扭矩增加。 添加一定量的填料CaCO3可以增加熔体的强度，降低材料的流动性，影响材料的塑化速度。 不同粒径的CaCO3效果也有很大差异。 不同用途的产品中CaCO3的添加量差异很大。 另外，模具的结构特点与挤出压力有关，对配方也有一定的影响。 因此，应考虑配方设计的各个方面。

2、异向双螺杆挤出机：

双螺杆挤出机的熔融机构虽然是基于单螺杆的，但由于啮合区域的存在，其输送原理与单螺杆有很大不同。 为了便于分析其熔融机理，有必要首先对双螺杆挤出机进行分析。 简单介绍一下。

2.1双螺杆挤出机分类：

按螺杆运转方向可分为：

⑴异向双螺杆挤出机：两根螺杆旋转方向相反。

⑵同向双螺杆挤出机：两根螺杆旋转方向相同。

异向双螺杆挤出机按旋转方向可分为异向外向双螺杆挤出机和异向向内双螺杆挤出机。 异向双螺杆挤出机由于喂料性差，两螺杆压延区物料对螺杆施加较大的径向力，导致机筒与螺杆之间磨损严重，已被淘汰。 一般来说，异向双螺杆挤出机是指异向外向双螺杆挤出机（下同）。 UPVC型材的挤出一般采用异向锥形双螺杆挤出机和异向平行双螺杆挤出机。

2.1.1异向锥形双螺杆挤出机：

两螺杆轴线与机筒轴线呈α角对称分布（α值一般在1°～2°之间）。 螺杆在工作段两端有不同的旋转方向和不同的直径。 小头和大头螺杆槽深度相同的螺杆为普通锥形双螺杆挤出机螺杆。 螺槽深度比小头螺槽大的为超锥（双锥）锥体。 异型双螺杆挤出机螺杆。

异向锥形双螺杆挤出机特点：螺杆头直径大、螺杆热容量大、螺杆槽深（超锥型）、物料与螺杆、机筒接触面积大、物料停留时间长物质都是对物质有利的。 基于这一点，在相同产量下，锥形双螺杆挤出机（一般为13～17）的螺杆长度和长径比均小于其他类型的挤出机。 很多。 小螺杆头直径较小，物料在挤出段停留时间短，螺杆运转线速度低，剪切速率低，有利于减少螺杆间的摩擦热。物料之间以及物料与螺杆、机筒之间。

当型材挤出量在400Kg/h以内，管材、板材挤出量在800Kg/h以内时，优先采用锥形双螺杆挤出机。 锥形双螺杆挤出机最广泛用于挤出UPVC型材和管材。

从塑化能力来看：挤出机的塑化能力是挤出机的挤出系统、配方和操作工艺参数综合的结果。 锥形双螺杆和平行双螺杆挤出机的塑化能力不能简单地说是好还是差。 只能根据螺杆的具体结构、配方成分、操作工艺参数、模具等条件分析来确定。

2.1.2异向平行双螺杆挤出机：

两根螺杆轴线与机筒轴线平行，对称分布。 丝杠工作段两端内径和外径相同，有分段丝杠和无级丝杠两种。 分段螺杆是指由于螺杆头数不同、螺距不同，在螺杆的不同功能段之间加工出底切槽的螺杆。 无级变导程平双螺杆是指螺杆不同功能段之间没有底切槽，螺杆各不同功能段的螺杆头数量相同。 由于螺杆和机筒的母线为直线，因此加工性能良好。 由于其结构特点，异向平双挤出机的螺杆可以从挤出机的出料端取出，使设备的维护更加方便。 丝杠可设计为全范围变导程结构。 据有关资料显示，这样在挤压型材时对材料产生的加工应力较小，从而获得良好的挤压质量。

当挤出量较大时，更常用平行双螺杆挤出机。 需要注意的是，型材生产线的产量受模具影响较大。 挤出机机头的高速成型以及制品在成型模具中是否成型良好往往成为限制产量的瓶颈。

2.2锥形双螺杆挤出机塑化机理：

2.2.1锥形双螺杆挤出机挤出系统结构及相关概念：图2为某国外公司锥形双螺杆挤出机挤出系统示意图：

一般锥形双螺杆挤出机的挤出系统包括：螺杆、机筒、加热和冷却装置、真空排气装置。

从图2可以看出，从螺杆输送段到计量段，螺杆的外径和底径不断减小，螺杆头的数量也在变化。 各段之间有无螺纹的过渡段，预塑段设有凹槽（也有不带凹槽的）。 需要注意的是，不同厂家的挤出机螺杆结构并不完全相同。 同一台挤出机根据制品的类型和性能要求不同，配备不同的螺杆，但物料的熔融机理基本相同。

在讨论锥形双螺杆挤出机的塑化机理之前，有必要先解释几个概念：

⑴C型腔体：图3，机筒内表面、螺杆底锥面、螺杆两侧、啮合螺杆顶面所包含的容积。 C形腔室是异向平行双螺杆挤出机的独特之处。

⑵螺杆间隙δ1：图4，螺杆截面上螺杆外锥体与机筒之间的径向间隙。 也称为螺旋间隙。 ⑶顶间隙（底间隙）δ2：螺旋刃顶面与啮合螺杆底面之间的间隙。

⑷ 侧隙δ3：螺旋刃带面与螺旋槽面之间的间隙。

⑸ 四面体间隙：由于螺杆齿形的变化，相邻两螺杆齿面、机筒锥面与螺杆啮合线之间形成的楔形间隙。

2.2.2 锥形双螺杆挤出机中物料的塑化机理：

⑴ 输送部分：

物料从出料口进入输送段，在螺杆的强制驱动力下向前输送。 螺杆每旋转一圈，C形室内的物料就向前移动一导程。 由于这种结构，C形室的体积变得越来越大。 小了，物质逐渐被压缩。 随着物料与机筒螺杆之间的接触压力增大，吸热增加，物料温度逐渐升高，为下一步熔融做准备。 由于锥形双挤出机的机筒和螺杆在输送段具有较大的表面积，提高了物料与机筒和螺杆之间的导热效率。

⑵预塑化工段：

物料在输送段受热压缩后，粉粒间和内部的空气大部分被排出，物料的密度增大。 随着C形腔内的物料不断向前移动，与机筒和螺杆接触的物料受到粘附作用，以保持与机筒或螺杆相同的速度。 螺杆带动的剪切作用比螺槽中部物料的剪切作用更强。 当加热时间较长时，它开始融化。 C形室中的物料从外到内以循环流动方式熔化。 随着C形室体积的变化，内外物质的交换增加。 有些挤出机生产厂家根据自己挤出机的特点，在预塑化工段设置了混合罐。 目的是连通前后C型腔内的物料，增强剪切作用，并有利于C型腔内外层物料的交换。 提高熔化效果。 物料通过预塑化段后，大的粉状、颗粒状物料基本被破碎，物料处于半熔融状态。

⑶ 塑化工段：

也称为压缩部分。 该段C型腔体容积急剧减小（该段位移仅为输送段位移的0.25～0.4之间）。 物料通过时受到强烈的挤压、剪切、交换。 大多数材料基本上处于初步塑化状态。

⑷ 排气段：

UPVC混合物经过输送段、预塑化段、压缩段后进入排气段。 由于排气段C形室的容积远大于压缩段（一般排量为压缩段的3倍以上），因此物料到达此段并被减压。 ，物料呈分段或大块状，物料中的气体和低分子挥发成分被释放出来。 该段设有排气口，气体在真空泵的作用下通过排气口排出。 UPVC挤出成型的排气功能非常重要，否则制品中的气泡将严重影响力学性能。

⑸ 测量部分：

由于物料经过输送段、预塑化段、塑化段、计量段，C形腔的容积不断变化，各螺杆段的螺杆头数量也不同。 C形室内的物料不断变换位置并在进入计量段前被排出。 本节主要控制材质。 在机头作用下进一步塑化、均质，建立挤出压力。 随着计量段C型腔容积的减小，物料均化后再次被压缩，形成致密均匀的流体，通过连接体（过渡体）、多孔板、机头挤出。

⑹各种间隙对熔化的影响：

螺杆间隙δ1、侧间隙δ3和四面体间隙δ4内的物料因其接触的金属表面运动速度不同而受到强烈剪切，有利于物料熔化。 间隙越小，剪切作用越强。 顶部间隙（底部间隙）δ2内的材料与二辊开炼机内的材料相似，受到强力挤压而熔化。 间隙越小，挤压作用越强。

应当注意的是，每个间隙太小或太大都是不希望的。 如果间隙太小，制造会比较困难，并且会对材料的熔化一致性产生负面影响。 如果间隙过大，泄漏会增加，挤出机的生产效率会降低。 当各种间隙的尺寸比例合理时，也有利于熔化。

⑺ 环形槽对熔化的影响：

大多数螺钉在每个功能部分之间都有环形凹槽。 除了加工时退刀外，还有利于C形腔内材料的重新分布，促进材料的熔化和均质化。 当然，也可以采用其他方式（如回流槽）来满足物料的熔融和均化，环形槽不是必须的，如奥地利CINCINNATI公司生产的ARGOS 93异向旋转平双挤出机。

2.3异向平行双螺杆挤出机塑化机构：

同向平行双螺杆挤出机的塑化机理与锥形双螺杆挤出机基本相同。 不同之处在于螺杆机筒直径各处相同，加料段物料吸热面积小，螺杆计量段相对较小。 直径比锥体大一倍，螺杆转速不能太高。 因此，为了提高塑化效果，异向平行双螺杆挤出机的螺杆长径比要大于锥形双螺杆挤出机的螺杆长径比（一般L/D=25~30） 。 异向平行双螺杆挤出机各段螺杆的C形腔体容积与锥形双腔体一样反复变化，且变化规律基本相同。

UPVC材料在加工过程中的形态转变过程不仅与混合物的成分有关，而且与外部加工条件也有很大关系。 如混合配料的温度、混合时的加料顺序、挤出工艺温度、螺杆转速、加料量以及物料被剪切的强度等。在分析物料的塑化程度时，综合考虑应采取并协调分析。

2.4 物料配方对异向双螺杆挤出机塑化的影响：

由于UPVC制品各厂家使用的配方成分和用量不同，下面仅对PVC树脂和常用助剂进行分析。

⑴聚氯乙烯树脂：

不同种类的PVC树脂的聚合度不同，粉末结构不同，颗粒间的结合强度不同，粉末表层厚度不同，熔融所需的外部条件也不同。 表层较薄的PVC树脂颗粒比较厚的树脂颗粒更容易熔化，松散的树脂比致密的树脂更容易熔化。 材料中颗粒大而密，不易塑化，会形成“鱼眼”，影响制品的外观和性能。 粒度均匀、松散程度一致的物料，熔融均匀性好，生产出来的产品性能和外观会更好。

⑵稳定剂：

稳定剂的种类很多，在挤压过程中对材料的变形和熔化有不同的影响。 不同稳定剂的协同作用优势明显。 随着对UPVC制品加工成型稳定机理的深入研究，配方中通常采用一级稳定和二级稳定。 与助剂和润滑剂配合使用的复合稳定剂。

稳定剂的添加量首先应考虑所用挤出机和模具的形式、类型和结构特点。 当物料在挤出机和模具中停留时间较长时，稳定剂的添加量应相对较大，因为受到剪切作用较大，稳定剂量应相对较大。 一般来说，锥形双螺杆的加热时间比相反方向的扁平双螺杆短，单螺杆的加热时间最长。 如果同类挤出机的挤出系统结构差异较大，则应考虑剪切强度。 当模具流道较长、体积较大时，材料受热时间较长。 设计公式时也应考虑这一因素。 例如，生产大口径管道时，需要更多的稳定剂用量。

其次，稳定剂的用量要考虑辅助润滑效果。 各种稳定剂因其对材料的润滑作用不同，其用量也有所不同。 润滑作用强的稳定剂材料受剪切作用较弱，因此稳定剂的用量应较小。 当复合稳定剂的内部润滑作用强时，有利于材料的熔化，当复合稳定剂的外部润滑作用强时，有利于降低螺杆负荷。 确定复合润滑剂用量时应考虑所有因素。 稳定剂的用量还应考虑工艺温度、挤出螺杆转速、螺杆直径等因素的影响。 工艺温度设置高，稳定剂用量就大； 如果转速高、螺杆直径大，则稳定剂的用量就大一些。

⑶ 润滑剂：

润滑剂的添加量对熔融时间、速度、螺杆负载、挤出产量、模头压力和产品的机械性能有显着影响。 润滑剂用量的微小变化也会影响挤出材料的流变行为。 润滑剂种类的选择和用量是UPVC配方设计的关键。

润滑剂按其功能分为内润滑剂、外润滑剂和内外润滑剂。 熔融后，内润滑剂能渗透到PVC粒子的分子链中，减少分子间吸引力，降低熔体粘度，促进树脂塑化。 外润滑剂熔化后，不能进入PVC颗粒内的分子链之间，而是分布在PVC颗粒与物料及机筒螺杆表面之间。 随着外部润滑剂用量的增加，对材料的剪切作用较小，初始熔化时间推迟。 熔化时间长，螺杆负荷减轻。 降低螺杆负荷可以增加喂料量，提高挤出产量。

当润滑剂用量过多（特别是外润滑剂）时，产品的抗冲击性能会下降。 如果物料与机筒之间的润滑膜太厚，则物料不会粘附在机筒内表面上，物料在剪切作用下塑化作用较弱。 很差。

⑷ 填充材料：

填料的种类和品种很多，性能差异很大。 填料对材料熔融的影响可以从填料的表面活性对材料的润滑性和稳定性等方面进行分析。

当填料的表面活性较大时，填料对润滑剂的吸附量增加，填料颗粒与机筒螺杆之间的摩擦热较大，物料的塑化时间缩短或塑化速度加快。

当填料表面活性低时，填料分散在PVC颗粒之间，阻碍它们的熔合，塑化时间延迟，塑化速度减慢。 挤压加工时，应适当提高加工温度。

大多数碳酸钙和滑石粉对PVC有辅助稳定作用，滑石粉还起到外润滑剂的作用。 当产品性能要求不同时，填料用量也不同。 如果用量过多，产品的拉伸屈服强度和抗冲击性能会下降。

⑸ 修饰符：

加工助剂ACR和抗冲改性剂CPE的添加往往会增大螺杆扭矩，强化物料的剪切，导致塑化开始时间提早，缩短塑化时间。 ACR和CPE的添加影响材料的熔化和扭矩。 较大的数量也会影响产量。 对于挤出系统剪切能力强的设备，CPE用量减少。

实际生产中，由于各厂家配方中添加剂种类及各种添加剂的使用量不同，相同加工条件下的塑化流动行为有很大差异。 表1是对13家厂家共37个配方进行扭矩流变测试得到的参数统计表。

从表1可以看出，材料达到最大扭矩的平均时间范围为46.67秒至143.31秒，表明塑化所需的时间变化较大。 最大扭矩从22.33NM到37.5Nm变化很大，表明加工过程中挤出机的负载也有很大差异。 由于负载不同，会影响喂料量和挤出产量。

四。 总结：

本文对挤出机中材料的熔化机制和公式调整进行了基本分析。 由于聚合物加工和成型技术是高度实用的，因此产品原材料公式，加工设备和过程条件有许多不同。 因此，在实际生产中，应根据生产设备的结构，尤其是挤出系统，成分组成，产品性能需求和生产量来全面分析添加剂中每个组件对材料熔化的影响，以确定合理的生产过程。