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3.6 几种塑料制品挤出工艺
3.6 几种塑料制品挤出工艺
各种塑料挤出制品的成型，均是以挤出机为主机，使用不同形状的机头口模，改变挤出辅机的组成来完成的。典型的塑料挤出制品包括管材、棒材、板材、片材、异型材、薄膜和塑料电线电缆等。
3.6.1 塑料管材的挤出成型
管材是塑料挤出制品中的主要品种，有硬管和软管之分。用来挤管的塑料品种很多，主要有 PVC、PE、PP、PS、PA、ABS 等。
管材挤出的基本工艺是：由挤出机均化段出来的塑化均匀的塑料，先后经过过滤网、粗滤器而达分流器，并为分流器支架分为若干支流，离开分流器支架后再重新汇合起来，进入管芯口模间的环形通道，最后通过口模到挤出机外而成管子，接着经过定径套定径和初步冷却，再进入冷却水槽或具有喷淋装置的冷却水箱，进一步冷却成为具有一定口径的管材，最后经由牵引装置引出并根据规定的长度要求而切割得到所需的制品，工艺流程如图 3-20 所示。
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图 3-20 塑料硬管挤出成型工艺流程
管材挤出装置由挤出机、机头口模、定型装置、冷却水槽、牵引及切割装置等组成，其中挤出机的机头、口模和定型装置是管材挤出的关键部件。
1．机头与口模
按物料在挤出机和机头中的流动方向，机头可分为直向机头和角向机头。直向机头又称为直通式机头，角向机头又可分为直角式机头和偏心式机头。
（1）直通式机头。熔体在机头中流动方向与螺杆轴向一致，结构简单易制造，适于硬或软 PVC、PE、PA 管材等，如图 3-21 所示。
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图 3-21 直通式管材机头
直向机头结构简单，是一种常用的机头。但由于分流器支架造成的拼缝线较明显，故挤出的管材强度不及角向机头。
（2）直角式机头。熔体在机头中流动方向与螺杆轴向垂直，从料筒流出的熔体绕过芯模再向前流动，流动阻力小，料流稳定，出料均匀，但其结构复杂，占地面积大。适于 PP、PE 及尺寸要求严格的管材，如图 3-22 所示。
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图 3-22 直角式机头
挤出机挤出的熔融塑料进入机头由芯棒、口模外套所构成的环隙通道流出后即成为管状物。芯棒和口模外套均按制品尺寸的大小而给出其相应尺寸。口模外套在一定范围内可通过调节螺栓作径向移动，借以调整挤出管材的壁厚，以保证芯模和口模同心。机头的压缩比是指分流器支架出口处有效截面积与口模、芯模环形截面积之比。机头压缩比能消除分流器支架造成的拼缝线，并保证管材密实和有一定强度。同时，适当延长口模平直部分的长度，以保证因多脚架而分束的料流能完全熔接。按照所用挤出机和塑料的种类以及产品的规格的不同，平直部分的长度也不同，通常取平直部分为管材壁厚的 10～30 倍，熔体黏度较大时取值较小。
（3）偏心（旁侧）式机头。熔体经过一个近似直角的过渡区才流入机头，阻力大，结构更复杂，生产的管材制品质量高，如图 3-23 所示。
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图 3-23 偏心式机头
三种形式机头的特征列于表 3-2。
表 3-2 不同机头的特性
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2．定径
物料从口模中挤出时，基本还处于熔融状态，为了得到正确的尺寸和几何形状以及表面光洁的管子，应立即进行定径和冷却，以使其定型。定型方式有定外径和定内径两种，定径方法的选择取决于管材的要求。若管材外径尺寸要求高，宜选用外径定型法；反之，则选用内径定型法。
外径定型是使挤出的管子的外壁与定径套的内壁相接触而起定型作用的，为此，可用向管内通入压缩空气的内压法或在管子外壁抽真空法来实现外径定型。
（1）内压法定径。内压法进行外径定型的定径套如图 3-24 所示。定型时，可通过分料筋的孔道通入一定压力的压缩空气（一般为 0.05～0.3MPa 表压）。并在挤出的管端或管内封塞。定径套的外壁为夹套，内通冷却水以冷却管子，经定径后的管子离开定径套时不再变形。
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图 3-24 内压法外径定径装置
（2）真空法定径。用抽真空的方法进行外径定型的定径套如图 3-25 所示，定径套上开有很多抽真空用的小孔，用抽真空方法使管状物外壁与定径套内壁紧密贴合。
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图 3-25 真空定径装置
内径定型法如图 3-26 所示，定径套装于挤出的塑料管内，即从机头挤出的管子内壁与定径套的外壁相接触，在定径套内通以冷水，将管子冷却定型。由于定径套内的冷却水管是从管芯处插入的，所以，这种定型法只有直角式机头或偏移式机头的挤出机才能使用。
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图 3-26 内径定型装置
1—芯模；2—口模；3—定径套；4—管子
定径套的尺寸目前主要凭经验确定。对外径定型来说，定径套内径通常比机头的口模内径略大，例如，对外径为 100～300mm 的管子，约大 0.5～1 mm。定径套过大，会降低管子的光洁度，过小则会引起过大的阻力，使管子因不易挤出而引起变形。同时，定径套应有一定的长度，以保证挤出的管子离开定径套时能冷却到一定的程度而不再变形。但定径套不能太长，否则牵引功率增加。一般定径套的长度约为内径的 3 倍。
3．冷却
经过定径后的管子进入冷却水槽或喷淋水箱，进一步冷却。冷却装置应有足够的长度，一般在 1.5～6m 之间，管子直径较大时采用较大值。冷却方式有喷淋水冷却和浸没式冷却（见图 3-27）。前者冷却效率高，冷却均匀，对管材尺寸精度要求严格或大口径、厚壁管材特别适合，但设备成本较高；后者成本低，但冷却效果不如前者。
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图 3-27 管材冷却设备
4．牵引、切割或盘卷
管材经充分冷却后，经过牵引即可定长切割（硬管）或盘卷（软管）。采用的牵引装置有履带式和滚轮式，如图 3-28 所示。前者牵引力大，牵引速度均匀，不易打滑，对管材表面的损伤较小，适合于精度要求较高的管材；后者牵引速率高，成本低，适合一般管材的牵引。
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图 3-28 管材牵引设备
3.6.2 塑料薄膜的挤出成型
塑料薄膜可以用挤出吹塑、压延、流延、挤出拉伸以及使用狭缝机头直接挤出等方法制造，各种方法的特点不同，适应性也不一样。其中吹塑法成型塑料薄膜比较经济和简便，结晶型和非晶型塑料都适用，吹塑成型不但能成型薄的包装薄膜，也能成型厚达 0.3mm 的重包装薄膜，既能生产窄幅，也能得到宽度达 20m 的薄膜，这是其他成型方法无法比拟的。吹塑过程塑料受到纵横方向的拉伸取向作用，制品质量较高。因此，吹塑成型在薄膜生产上应用十分广泛。
用于薄膜吹塑成型的塑料有 PVC、PE、PP、PA 以及 PVA 等。目前国内外以前两种居多，但后几种塑料薄膜的强度或透明度较好，已有很大发展。
1．挤出吹塑薄膜工艺
在吹塑薄膜成型中，根据牵引的方向不同，吹塑法一般又分为平挤上吹、平挤下吹和平挤平吹三种方法。此外，还有将挤出机垂直安装的竖挤上吹和竖挤下吹法。其中以平挤上吹法应用最广，目前国内 PE 薄膜主要是以这种方法生产的。
图 3-29 为吹塑薄膜工艺示意图，在挤出机的前端安装吹塑口模，黏流态的塑料从挤出机口模挤出成管坯后用机头底部通入的压缩空气使之均匀而自由地吹胀成直径较大的管膜，膨胀的管膜在向上被牵引的过程中，被纵向拉伸并逐步被冷却，并由人字板夹平和牵引辊牵引，最后经卷绕辊卷绕成双折膜卷。
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图 3-29 吹塑薄膜生产工艺示意图
在吹塑过程中，塑料从挤出机的机头口模挤出以至吹胀成膜，经历着黏度、相变等一系列的变化，与这些变化有密切关系的是挤出过程的各段物料的温度、螺杆的转速是否稳定，机头的压力和口模的结构、风环冷却及室内空气冷却以及吹入空气压力，膜管拉伸作用等相互配合与协调都直接影响薄膜性能的优劣和生产效率的高低。
（1）管坯挤出。挤出机各段温度的控制是管坯挤出最重要的因素。通常，沿机筒到机头口模方向，塑料的温度是逐步升高的，且要达到稳定的控制。对 LDPE 吹塑，原则上机筒温度依次是 140℃、160℃、180℃ 递增，机头口模处稍低些。熔体温度升高，黏度降低，机头压力减少，挤出流量增大，有利于提高产量。但若温度过高和螺杆转速过快，剪切作用过大，易使塑料分解，且出现膜管冷却不良，这样膜管的直径就难以稳定，将形成不稳定膜泡「长颈」现象，所得泡（膜）管直径和壁厚不均，甚至影响操作的顺利进行。因此，通常挤出温度和速度控制得稍低一些。
（2）机头和口模。吹塑薄膜的主要设备为单螺杆挤出机，其机头口模的类型主要有转角式的直角型和水平向的直通型两大类，作用是挤出管状坯料。直通型适用于熔体黏度较大和热敏性塑料，工业上用直角型机头居多。由于直角型机头有料流转向的问题，模具设计时须考虑不使近于挤出机一侧的料流的速度大于另一侧，使薄膜厚度波动减少。为使薄膜的厚度波动在卷取薄膜辊上得到均匀分布，常采用直角型旋转机头，口模缝隙的宽度和平直部分的长度与薄膜的厚度有一定的关系，如吹塑 0.03～0.05 mm 厚的薄膜所用的模隙宽度为 0.4～0.8mm，平直部分长度为 7～14mm。
吹塑机头种类繁多，主要有从侧面进料的芯棒式机头、从中心进料的「十字形」机头和螺旋芯棒式机头，以及莲花瓣式机头、旋转机头和复合薄膜（又称共挤）机头等。
① 侧进料芯棒式机头（简称芯棒式机头）。如图 3-30 所示为芯棒式机头的基本结构。熔体自多孔板挤出，通过机颈到达芯棒轴。在芯棒轴的阻挡下，熔体被分成两股沿芯棒分料线流动，在芯棒尖处又重新汇合。汇合后的料流沿机头环形缝隙挤出形成管坯。最后在芯棒中通入压缩空气，使管坯得到吹胀。
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图 3-30 芯棒式机头
1—芯棒轴；2—口模；3—调节螺钉；4—压缩空气入口；5—机颈
熔体在芯棒式机头的流道中发生 90° 的转向。在转向处物料流动距离不一样，机身一侧物料的流动距离小于芯棒尖一侧物料的流动距离。因此，熔体的黏度也就不一致，从而影响薄膜厚度的均匀性。所以采用平衡槽式芯棒可以弥补这一点。熔体在芯棒尖汇合后，容易产生接缝痕迹（合流线），使薄膜强度在接缝处变弱，这必须靠合理设计机头和恰当的工艺条件来解决。
② 中心进料螺旋芯棒式机头：中心进料式机头的特点是熔体从挤出机进入机头后，料流相对模芯（芯棒轴）而言沿轴线方向流动，因此模芯不存在不对称的侧向压力，不会产生「偏中」现象。同时出料的均匀性较好，薄膜厚度易控制。目前，在中心进料式机头中，螺旋芯棒式机头是最主要的形式，它已获得愈来愈广泛的应用，并已逐步取代侧向进料的芯棒式机头。基本结构如图 3-31 和图 3-32 所示，在螺旋芯棒端部的中心开设一个直径较大的通孔，并由此开设若干等分孔通向螺旋形螺槽流道的始端。一般螺槽是多头（根据机头直径有 4 头、6 头、10 头）均布于芯棒表面的，并且其深度沿熔体流动方向逐渐变浅，即图 3-31 中的（b）逐渐减小，因此沿螺槽底部形成一坡度角（螺旋消退角）Φ。与此相反，螺旋芯棒与机头体之间的环形间隙 h2则沿挤出方向逐渐增加，从而形成一锥角 β。
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图 3-31 螺旋芯棒式机头
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图 3-32 S 型内冷式螺旋芯棒式机头
1—螺旋芯棒；2—调节螺钉；3—进料口；4—进气口
当熔体均匀分配到各螺槽流道以后，每一股熔体流束q1又被分成两股料流：在h2所形成的环形间隙上的轴向料流q2和在螺旋槽中继续向前流动的螺旋料流q3，在挤出方向上，越来越少，则在垂直机头方向上越来越多。因此，在螺旋流道的起点和终点存在着一个由纯粹的螺旋流动连续地过渡到一个纯粹的轴向流动的过程。结果，熔体得到进一步充分有效的混合，使熔体在口模圆周方向上的压力、温度和速度分布基本达到均匀一致的目的。而螺旋分配器（主要由机头体和螺旋芯棒组成）的分配效果则采用单位口模圆周长度上的漏流量q2与螺槽初始流量Q之比来表示，即以单位口模圆周长度上的纯粹轴向流量的比率来表示。如果螺旋分配器能加宽漏流量分布，就意味着它可以使料流分配均匀，从而得到厚度均匀的薄膜。
③ 旋转机头：旋转机头的主要优点是使卷取平整。旋转机头能改善薄膜厚度均匀性的机理在于：口模或芯棒的旋转使物料产生旋转运动，使流道中的熔体得到混合和均匀化，并使物料沿圆周均匀分布压力和流速的不均匀性。物料的旋转运动从环形流道一直延续到环形间隙（见图 3-33），所挤出的膜管也绕其轴线转动。旋转部件的转速越高，物料的黏度越低，则这种旋转作用就越强，其结果是膜管厚度的不均匀性得到改善，并使这种不均匀性均匀分布于膜管的整个圆周上。
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图 3-33 内旋转机头
1—挤出机；2、10—搅拌器；3—支持环；4—口模；5—芯捧；6—薄膜；7—进风道；8—机头环形间隙；9—锥形尖端；11—转轴；12—衬套；13—连轴器；14—传动马达；15—流道
旋转机头可分为：口模转动、芯棒不动；芯棒转动，口模不动；口模与芯棒一起同向或反向旋转（同速或不同速）等几种形式，其转速一般在 1～5r/min 的范围内。但由于熔体的压力高、温度高，因而不论哪一种形式，旋转部件的密封都是一个极为关键的问题。密封元件一般由青铜或聚四氟乙烯制成，密封处的间隙大约在 0.06～0.07（或 0.08）mm 范围内。
图 3-33 是一种内旋转（芯轴旋转）机头，在芯轴元件上装有搅拌器 2 和 10。搅动元件可以是搅动翼或搅动棒，一般加工成平的或螺旋桨式的。传动马达 14 通过连轴器带动搅动器转动。
④ 共挤出复合机头。多层复合薄膜的最大优点是各层物料可以取长补短，从而获得具有特定性能的薄膜制品，因此大大拓展了薄膜的用途。此外，多层复合薄膜一般都是一些功能性薄膜，因而附加值极高。
多层复合薄膜开始多采用贴合或涂层工艺进行加工，自 20 世纪 70 年代开始采用多台挤出机同时供料，将几种物料同时从一个机头挤出成型的方法来制备多层复合薄膜，此即「共挤出复合」法。多层复合薄膜的共挤出，可用 T 型机头或吹塑机头，以后一种方法居多。因为后一种方法具有设备简单、制品调整容易、原料处理方便以及制品性能好等优点。
图 3-34 是共挤出复合机头的基本结构原理。
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图 3-34 共挤出复合机头
（3）吹胀与牵引。在机头处有通入压缩空气的气道，通入气体使管坯吹胀成膜管，调节压缩空气的通入量可以控制膜管的膨胀程度。衡量管坯被吹胀的程度通常以吹胀比a来表示，吹胀比是管坯吹胀后的膜管直径D2与挤出机环形口模直径D1的比值，即
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吹胀比的大小表示挤出管坯直径的变化，也表明了黏流态下大分子受到横向拉伸作用力的大小。常用吹胀比在 2～6 之间。
吹塑是一个连续成型过程，吹胀并冷却过程的膜管在上升卷绕途中，受到拉伸作用的程度通常以牵伸比来表示，牵伸比是膜管通过夹辊时的速度与口模挤出管坯的速度之比，即
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这样，由于吹塑和牵伸的同时作用，使挤出的管坯在纵横两个方向都发生取向，使吹塑薄膜具有一定的机械强度。因此，为了得到纵横向强度均等的薄膜，其吹胀比和牵伸比最好是相等的。不过在实际生产中往往都是用同一环形间隙口模，靠调节不同的牵引速度来控制薄膜的厚度，故吹塑薄膜纵横向机械强度并不相同，一般都是纵向强度大于横向强度。
吹塑薄膜的厚度 δ 与吹胀比和牵伸比的关系可用下式表示：
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式中，b——机头口模环形缝隙宽度，mm； δ——薄膜厚度，mm。
（4）薄膜的冷却。吹塑薄膜是连续成型过程，管坯挤出吹胀成膜管后必须不断冷却定型为薄膜制品，以保证薄膜的质量和提高产量。因此，膜管在吹胀成型后要马上得到良好的冷却。目前最常用的方法是在挤出机头之后，在管膜外面设冷却风环。
风环装置有空气冷却风环和喷雾风环两种。前者以一般的空气作冷却介质，是目前吹塑成型应用最广的方法；喷雾风环以雾状水气为冷却介质，大大强化了薄膜的冷却效果。
在吹塑聚乙烯薄膜时，接近机头处的膜管是透明的，但在约高于机头 20cm 处的膜管就显得较混浊。膜管在机头上方开始变得混浊的距离称为冷凝线距离（或称冷却线距离）。膜管混浊的原因为大分子的结晶和取向。从口模间隙中挤出的熔体在塑化状态被吹胀并被拉伸到最终的尺寸，薄膜到达冷凝线时停止变形过程，熔体从塑化态转变为固态。如果其他操作条件相同，随着挤出物料的温度升高或冷却速率降低，聚合物冷却至结晶温度的时间也将延长，所以冷却线也将上升。这样，薄膜从机头挤出后到冷却卷取的行程就要加长；在相同的条件下，冷却线的距离也随挤出速度的加快而加长，冷却线距离高低影响薄膜的质量和产量。实际生产中，可用冷却线距离的高低来判断冷却条件是否适当。用一个风环冷却达不到要求时，可用两个或两个以上的风环冷却。对于结晶型塑料，降低冷却线距离可获得透明度高和横向撕裂强度较高的薄膜。
（5）薄膜的卷绕：膜管经冷却定型后，先经人字导向板夹平，再通过牵引夹辊，而后由卷绕辊卷绕成薄膜制品。人字形夹板用来稳定泡管，引导泡管运动，并逐渐将其压扁后送进牵引辊，形状如图 3-35 所示。
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图 3-35 人字形夹板
人字夹板可用金属板或木板，导辊式夹板用数个金属导辊排列成人字形。为防止膜面与夹板的摩擦产生皱褶，可在板内侧附着一层毛毡类有绒毛的软布。如果是金属辊，辊体内可通冷却水，对薄膜的冷却效果会更好。人字板的夹角可在 10°～40° 之间，由螺栓支杆任意调整。较小角度用于平挤平吹法，大角度用于平挤上吹法、平挤下吹法。夹角小，产生皱褶现象较少。
（6）牵引装置。牵引装置是把从模口挤出的管坯经吹胀、冷却定型后送入人字板薄膜，用两根辊夹紧，按一定的牵伸速比，牵引薄膜运行，然后输送到卷取装置卷取成捆。牵引夹辊是由一个橡胶和一个金属辊组成，一根是表面经磨光镀铬的主动钢辊，另一根是表面挂一层橡胶的从动辊。橡胶辊面要磨削光滑平整，用弹簧或汽缸支撑，使其紧压在主动钢辊上，随钢辊同步转动。钢辊转速可按牵引膜速度要求无级调速。牵引辊到口模的距离对成型过程和管膜性能有一定影响，其决定了膜管在压叠成双折前的冷却时间，这一时间与塑料的热性能有关。
牵引辊工作时要注意以下几点：① 两辊的接触线应与机头、风环及人字板的中心对应，避免产生牵引皱褶。② 牵引辊与口模的距离不能小于泡管直径的 3～5 倍。③ 两辊接触后，各接触点的压紧力应均匀，阻止泡管内空气泄漏；牵引拉力应均匀，避免膜被牵引时跑偏；牵引速度稳定，并能随薄膜的挤出速度平稳地无级调速，与一定的牵伸速比匹配。④ 在牵引辊和卷取辊之间，应加几根导辊和展平辊，使薄膜冷却、松弛、平整地被卷取。
（7）卷取装置。薄膜的卷取方法有芯轴卷取和摩擦卷取。
① 芯轴卷取。芯轴卷取是由电机传动来的扭矩，通过摩擦离合器装置，直接带动卷取芯轴转动，把成品薄膜卷在芯轴上的纸管芯上。这种卷取方法不受卷曲薄膜直径大小限制，卷取线速度和胀紧力由摩擦力调整。保证薄膜的卷取捆内外松紧一致。有两个卷取芯轴的双工位卷取方法，目前国内也应用得较多。卷取芯轴由直流串激电机驱动，两卷取轴的换位转动由普通交流电动机带动。这种卷取适合高速挤出吹塑薄膜生产。
② 摩擦卷取。是主动辊的转动，通过摩擦力带动卷取芯轴转动卷取薄膜。正常工作时是主动辊与托辊合作，共同转动，托动上面的薄膜捆，用两辊转动与膜捆间的摩擦力来带动膜捆连续卷取。
2．挤出流延薄膜
（1）工艺流程。挤出流延薄膜与挤出吹塑薄膜相比，薄膜透明度好，厚度均匀。流延薄膜挤出机的口模开口是一条狭缝，称为狭缝机头，通过狭缝形成一个截面为长方形的连续体，其截面宽度远大于通过机头挤出的熔融薄膜，向下流延至冷却辊表面，冷却定型，牵引、切边和卷取，制得单层流延薄膜，薄膜厚度为 0.05～0.1 mm。如图 3-36 所示为骤冷辊法平挤流延薄膜生产示意图。
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图 3-36 挤出流延薄膜工艺流程
熔体从狭缝口离开向下或呈一定角度流延到冷却辊上，沿切线方向接触辊子。辊子的表面非常光滑，使得制成的薄膜表面的光洁度也非常好。通常，薄膜要通过一组呈 S 形分布的辊子冷却，并至少要经过两个骤冷辊，第一个冷却辊的工作的温度至少 40℃，用空气吹嘴冷却。这种方法生产的薄膜有较好的透明性和较高的韧度，并且产量高，薄膜尺寸主要取决于挤出速率和牵引速度。
采用这种加工方法，薄膜由于冷却而收缩，所以制成的薄膜或片材的尺寸比口模的尺寸小，边缘部分厚，厚的这部分必须裁掉。薄膜卷取时，由于薄膜厚度的不均匀性，导致厚度变化进一步被增大，产生暴筋，给后面的操作造成困难。薄膜厚度正常偏差为 ±3%。
有两种方法可以减少暴筋。一般传统的方法是在卷取过程中摆动薄膜使之产生随机厚度变化，其缺点是减少了薄膜的宽度，并且增加了废料的数量，但是这些废料可以作为回料重新加以利用。一种更先进的方法是利用传感器，实时地检测薄膜的厚度，通过计算机控制，自动调整口模间隙。
通过在一定条件下拉伸薄膜，使树脂分子在拉伸方向重新排列而取向，当外力去掉后仍能保持这种排列。取向能增加结晶度，改善阻隔性能，强化拉伸方向的强度。
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