典型塑料制品挤出成型技术

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和口模、改变挤出机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、吹塑薄膜和塑料电线电缆。

（一）管材的挤出

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，主要有聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚酰胺、ABS和聚碳酸酯等。

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物料，经过过滤网、粗滤器到达分流器，并被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形成管子。接着经过定径套定径和初步冷却，由牵引装置引出并根据要求切割得到所需要的制品。图10-16为管材挤出工艺示意图。

图10-16　挤管工艺示意图

1-螺杆　2-机筒　3-多孔板　4-接口套　5-机头体　6-芯棒　7-调节螺钉　8-口模　9-定径套　10-冷却水槽　11-链子　12-塞子　13-牵引装置　14-夹紧装置　15-塑料管

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。

挤出管材所用机头的形式较多，常见的是直通式和直角式两种。图10-17和图10-18分别是直通式和直角式管材机头。在图10-17的直通式机头中，熔体在机头中流动方向与螺杆轴向一致，该机头结构简单，适用于硬、软PVC、PE、PA管材等。而在图10-18的直角机头中，熔体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，流料稳定，出料均匀。但其结构复杂，占地面积大，主要适用尺寸要求严格的管材。

图10-17　直通式机头

图10-18　直角式机头

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。

其中外径定型又可用两种方式实现：其一是在挤出物外壁与定径套内壁紧密接触的情况下，往夹套内通水使挤出物冷却定型，而为保证这种紧密接触需要往管状物内部通入压缩空气，并使管状物内部维持高于0.1MPa的压力，这种外径定型方式如图10-16所示；其二是在定径套部分内壁上钻孔，用抽真空的方法使管状物外壁和定径套内壁紧密接触，这种外径定型方式所用的定径套如图10-19所示。前者称内压法外径定型，后者称真空法外径定型。

图10-19　真空定径套

1，2-水出口　3-接真空泵　4-定径套　5-衬垫密封圈

内径定型法如图10-20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挤出机才能使用。

图10-20　内径定型装置

1-芯模　2-口模　3-定径套　4-管子

两者相比，外径定型装置结构比较简单，操作也较为方便，加之目前我国硬管产品标准均以外径尺寸表示管材规格，故硬管成型以外径定型为主。

常用冷却水槽和喷淋水箱作为挤出管状物的冷却装置。冷却水槽通常分作2～4段分别控制水温，借以调节冷却强度。冷却水一般是从最后一段进入水槽，然后再逐段前进，即水流方向与管材前移方向相反，这样可使管状物降温比较缓慢，以避免因降温过快而在管壁内产生较大内应力。由于水槽中上、下层水温不同，管状物在冷却过程中会因上、下收缩不均而出现弯曲；而且管状物通过水槽时会受到水的浮力作用，也是使管材出现弯曲的原因之一。用在管材径向上均匀布置的喷水头对大直径管进行喷淋冷却，是避免管状物因水槽冷却而出现弯曲变形的有效方法。

常用的挤管牵引装置有滚轮式和履带式两种，不论采用哪一种牵引装置，牵引速度都必须与挤出速度相适应，一般情况是前者比后者大1%～10%。牵引速度与挤出速度之比过大，会在管壁中产生不适当的聚合物大分子取向，从而降低硬管的爆破强度。牵引速度必须稳定，避免因牵引速度的波动而导致管壁厚度不均。

对挤出硬管切断装置的要求是：切下的管材尺寸准确而且切口均匀整齐。小直径管材可用手工锯断，大直径管材多用自动式或手推式圆锯切割机切断。

棒材和各种中空异型材的挤出成型工艺与管材挤塑无本质上的差别，只是所用机头口模的模孔截面形状有所不同。因此，棒材和中空异型材可采用与管材挤塑大致相同的工艺流程和挤塑机组成。

（二）板材的挤出

用挤塑技术可以成型厚度为0.02～20mm的热塑性平面型材，即包括平膜、片材和板材，三者一般按厚度划分，通常将厚度在1mm以上者称为板材，厚度在0.25～1mm之间者称为片材，厚度在0.25mm以下者称为平膜。以下着重介绍板材的挤出成型工艺，但由于板、片和膜之间并无严格界限，故挤板工艺也适用于片材和平膜的挤出成型。

典型的挤板工艺流程如图10-21所示。由图可见，物料经挤出机塑化均匀后，由狭缝机头挤出成为板坯，板坯立即进入三辊辊光机降温定型；从辊光机出来的板状物先在导辊上进一步冷却，冷却定型后的板用切边装置切去废边后，由二辊牵引机送入切断装置裁切成所需长度的板材。如果在三辊辊光机后面加设加热装置、压波纹装置和冷却装置，就是成型塑料瓦楞板的流程。

图10-21　挤出板材工艺流程图

1-高速混合机　2-储料槽　3-挤出机　4-三辊辊光机　5-牵引装置　6-切割装置　7-成品板材

板材挤出所用狭缝机头均具有宽而薄的出料口，熔体由料筒挤入机头，由于流道由圆形变成狭缝形，因而必须采取措施使熔体沿口模宽度方向有均匀的速度分布。在整个口模宽度方向上熔体以相同的流速离开出料口，这是保证挤出的板材厚度均匀和表面子整的重要条件。

从口模挤出的板坯温度较高，应立即引入三辊辊光机压光并降温，故辊光机在挤板流程中起定型装置的作用。辊光机对板坯还起一定的牵引作用，在将板坯引进辊光机辊隙的过程中，应将板坯宽度方向上各点速度调整到大致相同，这是保证板材平直的重要条件之一。辊光机与机头的距离应尽可能靠近，若二者之间的距离过大，从口模出来的板坯会下垂而发皱，还会由于进入辊隙前散热降温过多而对压光不利。由于挤出的热板坯较厚，故应适当控制辊光机各辊筒的温度，使板坯上、下表面的降温速度尽量一致，以便使板坯上、下面层和内外层之间的凝固收缩与结晶速率尽量接近，从而降低板材的内应力和减少翘曲变形。

熔融态的板坯经三辊辊光机压光、降温而定型为一定厚度的固体板状物后温度仍比较高，故只有用导辊继续冷却至接近室温才能最后成为板材。导辊在挤板流程中起冷却装置的作用，其冷却输送部分的总长度主要由板坯的厚度和塑料的比热大小决定。板坯越薄和塑料的比热越小降温就越快，所需导辊的冷却输送部分的长度就越小。板坯在冷却时由于两侧边与空气接触面积大而降温较快，板坯厚度较小的地方热容量小降温也快，所有降温快的地方都会产生较大的内应力。带有较大内应力的板材，当再次加热进行二次成型时，往往会变得翘曲不平而无法成型。要制得内应力小的板材，必须使热板坯冷却时各处的降温速率尽可能一致，而且在冷却过程中不应受到强制性牵伸。

冷却定型后的板材往往两侧边厚薄不均，板的纵向上各处宽窄不一致，故需将两侧边各切去一部分以满足产品标准的要求；这项操作称为切边，是板材挤塑特有的工序。常用的切边装置为圆盘切刀，切边装置通常都安装在牵引辊之前。

在板材挤塑流程中牵引装置的作用是将已定型的板材引进切断装置，以防止在辊光辊处积料并将板压平整。牵引速度应与辊光辊的出料速度同步或稍小于压光辊送出板状物的线速度，这有利于在导辊上冷却时板在长度方向上的收缩，也不会由于强制牵伸而导致板内聚合物大分子的进一步取向。

板材成型的最后一道工序为切断，切断板材的方式有电热切和锯切，但以锯切最为常用。锯切装置工作时，应同时有横向的送进运动和与板材前移等速的向前运动。

为了将挤塑板材、片材和平膜的厚度控制在给定的范围内，挤出成型中多采用β射线测厚仪连续检测板、片和膜的厚度。这种先进的厚度测定仪并不直接与型材接触，且测量和显示快而准确，其测量精度可达0.002mm。

（三）薄膜的挤出吹塑

借助环形隙缝机头挤出筒坯，再将处于塑性状态的筒坯横向吹胀和纵向拉伸成圆筒形薄膜的工艺称为薄膜挤出吹塑或简称薄膜吹塑。用这种工艺方法可成型厚度0.01～0.3mm、展开宽度从几十毫米到几十米的筒膜。薄膜吹塑工艺根据从卧式挤出机机头引出筒坯方向的不同，可分为上吹、下吹和平吹三种方法，目前工业上最常采用的是上吹法。(www.xing528.com)

图10-22　上吹法薄膜吹塑装置示意图

1-挤出机　2-机头　3-膜管　4-人字板　5-牵引架　6-牵引辊　7-风环　8-卷取辊　9-进气管

上吹法薄膜吹塑装置如图10-22所示，用这种装置成型筒膜的基本过程是：成型物料经挤出机塑化均匀后，自机头的环形隙缝挤出成筒坯，筒坯被从机头下面进气管引入的压缩空气横向吹胀，同时被机头上方的牵引辊纵向拉伸，并由机头上面的冷却风环吹出的空气冷却；充分冷却定型后的筒膜被人字形板压叠成双折，再经牵引辊压紧封闭并以均匀的速度引入卷取辊；进到卷取辊的双折筒膜，当达到规定长度时即被切断成为膜卷。

薄膜吹塑机组主要由挤出机、环形狭缝机头、吹胀系统、冷却风环、人字板、牵引辊、卷取辊和切断装置等组成。

筒坯在吹胀和牵引双重作用下形成泡状物的过程中，其纵横两个方向都在伸长，因此两方向上都会产生聚合物大分子的取向。为制得性能良好的筒膜，纵、横两方向上的大分子取向程度最好取得平衡，为此应使纵向上的牵伸比与横向上的吹胀比尽可能保持相等。牵伸比是指牵引速度与挤出筒坯的线速度之比；而吹胀比则是指筒膜直径与模孔直径之比。由于在机头模孔尺寸一定的情况下，吹胀比受筒膜预定直径的限制，加之吹胀比过大会导致泡状物的不稳定和促使筒坯上已存在的缺陷扩大，故吹胀比可调整的范围不大。既然吹胀比（α）不可能在较大范围内作变动，而且由于它和牵伸比（β）、口模环形隙缝宽度（b）和筒膜平均厚度（δ）四者之间存在有δ=b/αβ的关系，故要使筒膜的厚度减小就只能按该式规定的关系增大牵伸比，这就使在实际生产中经常是吹胀比远小于牵伸比。在这种情况下，如果仍然希望维持筒膜纵、横两向大分子取向程度的一致，就只能依靠调整口模温度和冷却系统的冷却能力来实现。这是因为提高口模温度与降低冷却速率，能够适当延长挤出物在其凝固温度以上的停留时间，从而有利于降低泡状物在纵向上的大分子取向度。

薄膜吹塑的一个显著特点是吹胀、牵伸和冷却三者同时进行，用冷却风环吹出的空气冷却泡状物时的降温速率不仅对筒膜的生产率有直接的影响，而且与所制得筒膜的外观、尺寸和性能有密切关系。实际生产中常用冷固线（也称冷冻线或起霜线）高度来判断所选定的冷却条件是否适当。冷固线高度是指泡状物纵向上的温度下降到塑料固化温度的点到模口的距离。对于结晶能力强的聚合物，可用泡状物纵向上透明区和混浊区的交界线来确定冷固线高度。因泡状物在上升到冷固线以上之后，其直径和厚度均不再变化，故冷固线高度有时也被称作“定径高度”。影响冷固线高度的因素很多，大致情况是冷却速率大、挤出的筒坯温度低、吹胀比大和牵引速度低时冷固线高度减小；反之，则高度增大。对于结晶性塑料，为了得到透明度高和强度好的筒膜，应适当降低冷固线高度。这是因为快速降温到熔点以下的泡状物，结晶过程难于充分进行，筒膜内的晶粒细、结晶度也比较低；而且泡状物上升超过冷固线之后仍可在聚合物的玻璃化温度之上保持一段时间，加之泡状物这时仍处在紧张状态，这二者均有利于大分子通过链段运动消除应力但又不至于降低取向程度。实际生产中，由于降低冷固线高度必须采用高效的冷却装置并使成型过程的能耗明显增大；加之为保持纵、横向的取向度接近而无法将牵引速度大幅度增高，一般并不要求冷固线高度过小。

牵引辊的牵引速度对吹塑薄膜成型过程和对筒膜性能的影响已如前述，而牵引辊到口模的距离对成型过程和对筒膜性能也有不可忽视的影响。这是因为这一距离在牵引速度一定时决定了泡状物在压叠成双折前的冷却时间，而不同热塑性塑料由于热物理性能的不同，其泡状物在进入牵引辊前所需冷却时间也不相同，冷却不充分的泡状物被牵引辊压叠双折后会发生“自粘”。自粘是指折叠后筒膜内表面相互贴合在一起难以分离开的现象，自粘严重的筒膜对后加工（如剖分）和使用都不利。出现自粘现象，表明泡状物在进入牵引辊时的温度仍比较高。降低或消除自粘的办法，一是降低冷固线的高度；二是加大牵引辊到模口的距离，即延长泡状物未被折叠前的冷却时间。

热塑性塑料薄膜除用挤出吹塑法成型外，还可以用压延、平挤和流延成型。挤出吹塑法成型薄膜的主要特点是成型设备简单，在同一套机组上只要适当改变成型工艺条件即可生产出多种规格的薄膜，而且成型过程产生的废料很少、成本低、膜的强度也比较高，主要不足之处是所制得的薄膜的厚度均一性差。

（四）电线电缆的挤出包覆成型

在挤出机上通过直角式机头挤出成型，可在金属芯线上包覆一层塑料作为绝缘层。当金属芯线是单丝或多股金属线时，挤出产品既为电线；当金属芯线是一束互相绝缘的导线或不规则的芯线时，挤出产品既为电缆。电线电缆挤出包覆工艺流程见图10-23。

图10-23　十字机头线缆包覆工艺过程

1-放线输入转筒　2-输入卷筒　3-预热　4-电线包覆机头　5-料斗　6-挤出机　7-冷却水槽　8-击穿检测　9-直径检测　10-偏心度检测　11-输出卷筒　12-张力控制　13-卷绕输出转筒

与其他制品挤出不同的是电线电缆挤出用的机头。通常是用挤压式包覆机头（内包式）生产电线，用套管式包覆机头（外包式）生产电缆，见图10-24。

图10-24　电线电缆机头

典型的挤压式包覆机头结构见图10-25，这种机头呈直角式，俗称十字机头。通常被包覆物出料方向与挤出机呈90°。物料通过挤出机的多孔板进入机头体中转过90°，与芯线导向棒相遇。芯线导向棒一端与机头内孔严密配合，不能漏料，物料从一侧流向另一侧，汇合成一个封闭的物料环后，再向口模流动，经口模成型段，最终包覆在芯线上。由于芯线是连续地通过芯线导向棒，因此电线包覆挤出可连续地进行。

典型的套管式包覆机头结构见图10-26。这种机头也是直角式机头，其结构与挤压式包覆机头相似。挤压式包覆机头将塑料在口模内包覆在芯线上，而套管式包覆机头将塑料挤成管，在口模外包覆在芯线上，一般靠塑料管的热收缩贴覆在芯线上，有时借助于真空使塑料管更紧密地包在芯线上。

图10-26中，物料通过挤出机的多孔板，进入机头体内，然后流向芯线导向棒。它的结构具有桃形通道，其顶部相当于塑料管挤出机头的芯棒，成型管材的内表面。挤出的塑料管与导向棒同心，挤出口模后马上包覆在芯线上。因芯线是连续地通过导向棒，所以电缆挤出生产能连续进行。

图10-25　线缆包覆机头

（五）塑料单丝的挤出成型

各种网、纱、滤布、刷子等塑料制品都是由塑料单丝编织而成的。这些单丝直径0.1～0.7mm。适用于加工成单丝的原料有聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚酰胺等。

聚乙烯单丝生产的工艺流程如图10-27所示。塑料粒子经螺杆熔融塑化后挤出，经由机头内的喷丝板喷出熔体细流，这些熔体细流通过冷却水槽冷却，再经加热拉伸而成为单丝制品。

喷丝板是单丝成型的口模，其上均匀分布多个小孔（喷丝孔），常见有12孔、18孔、24孔、48孔甚至更多，孔径大小根据单丝直径和拉伸比决定。

图10-26　套管式包覆机头

1-螺旋面　2-芯线　3-挤出机　4-多孔板　5-电热圈　6-口模

图10-27　聚乙烯单丝生产工艺流程

1-挤出机　2-机头　3-冷却水箱　4-橡胶轧辊　5-第一拉伸辊　6-热拉伸水箱　7-第二拉伸辊　8-热处理烘箱　9-热处理导丝辊　10-卷取辊筒

图10-28　冷却水箱结构

1-挤出机　2-机头口模　3-蒸汽管　4-冷水管　5-水箱　6-导向滑轮　7-溢流及排水管　8-未拉伸丝

离开喷丝板喷丝孔的熔融单丝以适当的拉伸速度进入水箱迅速冷却定型。冷却水箱的尺寸应视拉伸速度而定，单丝冷却时喷丝板与水面距离小于50mm。为便于操作，水箱中的导向滑轮应能够升降，其结构见图10-28。一般第一拉伸辊的线速度与喷丝孔挤出速度之比为2.5左右。

拉伸装置一般由几对辊筒和两个热水箱组成。两个辊筒为上下排列，三个辊筒呈品字型排列，五个辊筒呈M型排列。

冷却后的单丝由第一拉伸辊（绕5～10圈防止单丝在拉伸中打滑）经第一热箱进入第二拉伸辊（绕5～10圈）。由于第二拉伸辊的线速度大于第一拉伸辊，单丝被拉伸，然后经第二热箱热定型处理（温度比第一热水箱高2～5℃）进入第三拉伸辊，（速度比第二拉伸辊降低5%左右），使拉伸取向后的单丝应力得到充分松弛及收缩定型，随后进入分丝卷取装置。拉伸装置结构见图10-29。

图10-29　拉伸装置结构

图10-30　分丝卷取装置

1-第三拉伸辊　2-分丝辊　3-卷取装置

卷取装置由卷取筒和卷取轴组成。为使单丝均匀、平整地绕在卷取筒上，一般借用凸轮排丝。卷取方法有两种，一种是将几十根单丝分开，每根单丝卷取在一个卷取筒上，每卷重约1kg，见图10-30。另一种是将几十根单丝合股卷取在一个卷取筒上，每卷重5～8kg，然后再用分丝机将复丝分成单丝。也有不分丝而直接将复丝捻丝制绳的。