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共挤出技术的研究进展

共挤出技术的研究进展 2011年12月04日 来源： 引言：复合共挤出片材使多层具有不同特性的物料在挤出过程中彼此复合在一起，使制品兼有几种不同材料的优良特性，在特性上进行互补，从而得到特殊要求的性能和外观，如防氧和防湿的阻隔能力、着色性、保温性、热成型和热粘合能力及强度、刚度、硬度等机械性能。高聚物被誉为20世纪人类最重大的20项发明之一。由于高聚物本身具有良好的物理机械特性，因此，广泛地应用于工农业生产、交通运输、医疗、国防及日常生活中。随着高聚物新型材料的不断出现和市场上对高聚物挤出产品性能要求的不断提高，单一组分的制品往往具有局限性，无法满足制品的使用和加工性能、外观等方面的特殊要求，因此，多组分的复合材料制品应运而生。目前，人们已经开发出多种方法制取多组分片材制品，采用共挤出工艺是最简便易行的一种方法，该方法已成为当代最先进的塑料成型加工方法之一。高聚物片材共挤出工艺是一种使用数台挤出机分别供给不同的熔融料流，在一个复合机头内汇合共挤出得到多层复合片材的加工过程。利用共挤出技术生产的具有综合性能的多层复合材料在许多领域中有着极其广泛的应用价值。此外，它可以大幅度地降低制品成本，简化流程，减少设备投资，而且在复合过程不使用溶剂，不产生三废物质，因此共挤出技术被广泛用于板材、片材和平膜的生产。吹膜共挤出高性能多层复合薄膜主要由基材、阻隔材料、粘合剂等三种材料组成，它的特点是：对氧和水汽的阻隔性好，薄膜的强度和耐穿刺性高，热封性好，粘结性强，有良好的防雾性、防滑性、着色性。生产多层复合膜主要生产方法有：涂布法、层合法、共挤流延法和共挤吹膜法。吹膜共挤出主要用于生产高阻隔性包装膜、收缩膜、中空保鲜膜、土工膜等，它在食品、药品、日化产品包装、农用大棚、水利工程、环境工程等领域有着广泛的应用。采用吹膜共挤出生产工艺，通过厚度的有效调整使膜的功能得到量化控制，膜的各层结构组合方便灵活，基材选用范围更加广泛。另外，利用这种技术生产复合膜能够降低成本、提高强度、增加膜的阻隔性和附加值，从而使复合膜的市场适应性得到提升。为此，英国BramptonEngineering、德国BattenfeldGloucester、Barmag、加拿大MarcoEngineering、意大利Dolci、美国MA等公司分别研究成功多层圆盘式环形共挤出机头、同心螺旋芯轴式共挤出机头和多层圆锥盘环形共挤出机头等，其每层流道的结构形状有环形流道、心型包络式流道、螺旋支管式流道等多种型式。目前吹膜共挤出机头的最新技术为多层圆锥盘环形共挤出机头和螺旋支管式流道的组合型式，相邻层间温差可达80℃，制品厚度误差在5%以内。在此用已二醇制冷机组来替代冷却水机，冷却采用模体内冷和风环外冷结合，提高冷却和结晶速度，以增加薄膜的透明度、强度和韧性。复合膜的最多层数为11层，大棚膜最大幅宽达24m。目前，吹膜共挤出尚存在一些技术难点急待解决：层数不允许有较多的变化；各层膜的比率不允许有大幅的波动；对同心圆筒吹膜机头而言，随着层数的增加，机头外径的增加，外层膜的熔体在机头内停留时间增加，物料有分解的危险；当相邻层树脂熔点、粘度相差较大时，若各层温度控制不当，对某些热稳定性较差的树脂，有可能形成分解层。平膜(板)和流延膜共挤出流延膜成型原理是将在挤出机中塑料熔体经T型模头挤出，直接进入水溶液或骤冷辊经冷却、牵引后制得流延膜。意大利Dolci公司流延平膜机头可用于PP、LDPE、HDPE、PA、PET、EVA、EVOH等原料的生产，平膜的净宽可以达到1.2～3m，膜厚10～180μm，线速度200～500m／min，复合层数1～9层。用于PET流延膜挤出的挤出机螺杆直径最大为350mm，长为12m，产量可达6000kg／h．平膜(板)挤出的成型原理是将在挤出机中已经塑化均匀的塑料熔体从平膜(板)机头挤出，经冷却辊接触而冷却固化，最后剪裁成一定宽度的膜(板)，卷取成卷。在平膜(板)和流延膜的共挤复合成型中，为了提高薄膜的精度，目前多采用熔体齿轮泵向机头供料。理论计算和试验表明，采用熔体齿轮泵后有三个优点：首先，能实现稳定挤出，提高复合膜(板)尺寸精度，提高成品率；其次，提高产量，降低能耗，增加机器寿命；第三，具有线性输出特性，便于上下游设备和复合膜(板)各组成层之间操作工艺的协调。平膜(板)和流延膜共挤出机头通常有四种型式：多流道共挤出机头，它适用流动性和熔点相差较大的物料；带喂料块共挤出机头，它适用于流动性和加工温度相近的物料，但各相邻层物料调节时容易产生干扰；带阻尼板的可调节喂料块共挤出机头，它改善了各层料流在调节时易产生干扰的现象；多流道机头和喂料块组合的共挤出机头，它适用于表层材料与基层材料相差较大的复合膜挤出，但多层的基体材料，各层的流动性要求较为相近。共挤出复合成型机头设计的技术难点一般有三点：各层厚度的控制和调节比较困难；层间界面不够清晰；界面处两层料流有可能发生相互干扰，尤其是机头内各层物料流汇合处到口型之间距离比较长的情况下更容易发生干扰现象。PVC芯层发泡复合板材共挤出聚氯乙烯发泡板材是近年来国外迅速发展和推广的“以塑代木”化学材料，分为表层不结皮的自由发泡和表层结皮的内向发泡板材两种。聚氯乙烯发泡板材的成型方法主要有共挤复合芯层发泡法、内向结皮(路赛卡)发泡法、自由发泡法三种，目前国际上多采用共挤复合芯层发泡成型方法。共挤复合芯层发泡成型方法采用两台挤出机共挤，表层挤出硬质PVC，芯层采用低发泡配方，生产出来的板材表面强度和硬度得到了提高，色母料的用量也可相应地减少。PVC芯层发泡板材挤出成型设备的配置一般为：●由一台大规格的双螺杆挤出机挤出发泡物料，通过精确控制内外皮层的温度，使其低于发泡温度而产生结皮。此种方法内层控制困难，模具昂贵，大量的发泡剂被作为填料使用，成本高。●两台挤出机共挤，其中一台挤出机挤出PVC不发泡料，在共挤出机头中将料流分成两股，这两股熔融的料流形成板材的内外皮层，另一台挤出机将发泡PVC料输入到同一共挤出机头中，处于内外层的中间，即为发泡芯层。●由三台小型的单螺杆挤出机或一台双螺杆挤出机和两台单螺杆挤出机挤出PVC芯层发泡板材，内层、外层和芯层均由独立的挤出机挤出。这样发泡芯层和板内层就不必使用TiO２，节约了原料成本。芯层可用回收废料作填充，并可根据板材的特殊使用环境独立地设计内外皮层的配方。例如，意大利Amut公司利用该方法生产的PVC结皮发泡(木塑)板生产线参数为：板宽1220～1600mm，厚度3～30mm，比重0.45～0.75g/cm3。目前，PVC芯层发泡板材生产中需解决的问题有：三层物料之间要有良好的熔接强度：三层物料的流速必须同步，发泡层的泡孔必须细腻均匀，三层物料的分配必须均匀稳定。片材共挤出技术的理论研究共挤出技术的关键是共挤出机头的设计，而聚合物熔体共挤出时流动状态数值模拟的研究是机头流道设计的理论基础。聚合物熔体共挤出时流动状态数值模拟的研究是从70年代开始的，由于复合共挤出加工所涉及的过程很复杂，至今仍有许多问题没有解决，所以进展缓慢。研究的难点主要表现在：●物料的流变性能以及本构方程如何用于复合共挤出的实际加工；●共挤出产品与周围环境的热交换会影响熔体的流变特性，此外不同的熔体之间性质、温度的差异以及它们之间的相互影响，使定量分析、计算复杂化；●不同熔体之间的界面受工艺条件(流率、温度)和物料本身的性质影响，会产生界面不稳定，以及异常的压力梯度下降等现象，这给分析、计算带来困难。因此，共挤出流动分析需解决的技术难点主要集中在：在机头出口处每种聚合物的不规则分布，在相邻层间的界面变形；粘度低的聚合物对粘度高的聚合物的包裹现象。通过上面的分析，共挤出技术理论研究的发展趋势也可见一斑。首先，近年来的理论研究大多集中在等温流动的研究上，由于复合过程是在口型出口处很小的范围内进行的，等温假设是可行的；其次，粘性流体有限元(FEM)分析方法和迭代算法具有很大的优越性，被广泛地用来模拟共挤出流动；再次，对共挤出界面的位置、稳定性的影响因素的研究一直是该领域理论研究的核心。(end)

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