我国塑料挤出成型机及辅机的发展现状与技术水平分析

我国塑料挤出成型机及辅机的发展现状与技术水平分析中国玻璃钢综合信息网日期:2005-08-16阅读:2179字体:大中小双击鼠标滚屏半个世纪以来，我国的塑料工业经历了从无到有，从小到大的发展过程，尤其是改革开发二十年来得到高速发展，已初步形成了部类齐全的工业体系，从产量上己跻身于世界先进行列。据有关资料介绍，我国1999年塑料原料的产量为760万t，仅次于美、日、德、韩，居世界第五位:而塑料制品的产量己超过1500吨，仅次于美国，跃居世界第二位。塑料机械行业是为塑料工业提供技术装备的行业，强劲的市场需求促进塑料机械工业的发展。以2000年为例，我国塑料机械工业总产值为85.28亿元，进口设备耗费外汇l3－l5亿美元，超过国内塑机总产值。其中挤出机组产量7784台，同向平行双螺杆挤出机844台、异向平行及锥形双螺杆挤出机1255台，挤出机组进口1817台，耗资1.16亿美元，出口1625台，创汇0.15亿美元，产品的总体技术水平相当于先进国家的八十年代水平。当然也不乏一批具备九十年代乃至当今国际领先水平的产品，但一些专用性强的高新技术产品还需依赖进口。据海关统计，近年来我国挤出机的进口量呈现出逐年递减之势，2000年比1999年进口台数减少了5.3%，外汇支出减少了32.7%，而出口台数减少了73%，创汇却增加了12.3%，这说明国产挤出机技术含金量有一定的提高，出口的价格也相对上涨。在我国塑料加工业中，几乎1/3－1/2的塑料制品是通过挤出成型来完成。作为塑机的第二大类产品，挤出成型机组的产量和销售额约占塑料机械的20－25%，其生产厂家分布在机械、轻工、化工、石化、建材、军工等行业，在地域上多集中在塑料加工业发达地区，如江浙、辽宁、山东、广东等东南沿海地区。全国124家主要塑机企业工业总产值为38.7亿，东南沿海就占了70%以上:全国生产挤出机的厂家超过百家，多数为民营或乡镇企业，约占塑机行业厂家的60%，挤出机的品种占塑料机械品种的30%，这个比例还有逐年上升趋势。全国每年能够生产300台(套〉以上挤出机机组的厂家仅有3、4家，大部分企业只能生产低档次的老产品，难以达到经济规模，尤其在控制水平、效率、精度、可靠性和成套性等方面与发达国家相比差距较大。由于专业水平和产品技术含量低，决定了产品的附加值低，从而使企业的整体效益不高，在国际竞争中处于劣势。1．常规单螺杆挤出机组现状和技术水平分析在常规单螺杆挤出机组的性能方面，我国己能生产螺杆直径为∮12－∮250mm多种规格、门类齐全的挤出机组，长径比太多在25－30范围。一些新型的混炼元件如分离型、屏障型、分流型、变流道型以及流束位置变换型等说炼元件得到了较为广泛的应用:螺杆最高转速:直径∮150－∮200的大型挤出机加工烯烃类物料时为50－75r/min，加工PVC等热敏性物料时为5－42r/min:直径∮30以下的小型机器加工烯烃类物料时为l60－200r/min，加工PVC等热敏性物料时为18－l20r/min:北京化工大学研制成功的∮l2mm手提式单螺杆排气挤出机为1200r/min。而国外单螺杆挤出机螺杆直径最小∮6mm，最大为∮700mm，最大长径比达60。日本池贝公司∮30单螺杆挤出机最高螺杆转速为3000r/min，挤出机300kg/h，远远高于我国同规格机器实际产量l4kg/h的水平.由于常规单螺杆挤出机与其它挤出机相比，具有结构简单、坚固耐用、维修方便、价格低廉、操作容易等特点.在我国相当长时间内仍有很大市场，因此如何使常规单螺杆挤出机优质、高效、多功能化，仍然是我国塑机研究工作者的艰巨任务。2.特种挤出机现状和技术水平分析在特种挤出机的研究领域，经我国广大科技工作者努力，在一些主要的机种如排气挤出机、串联式磨盘螺杆挤出机、往复式销钉螺杆挤出机、发泡挤出机、带熔体齿轮泵的挤出机、串联式多阶挤出机、行星螺杆挤出机等在国内均有厂家生产，具备了独立研发的能力，并享有自主知识产权，目前己进入系列化开发研制阶段。华南理工大学发明并研制成功的塑料电磁动态塑化挤出机以及系列产品，己投入批量生产。北京化工大学最新研制成功的三类特种挤出机∮l2手提式高速排气挤出机，∮28熔体齿轮泵挤出机和CPJ75/l35串联式磨盘挤出机。综上可以看出，经过十几年的努力，我国在特种挤出成型技术与装备的研究水平和开发能力方面与国际先进水平的差距并不是很大，一些新型混炼装备的主要机种国内基本都能生产，在某些领域还有所突破。但是如何将样机转化为定型产品，进而实现系列化生产，尚需一段时间。2．异向旋转双螺杆挤出成型机的现状与技术水平分析3.1异向旋转平行双螺杆挤出机异向旋转双螺杆挤出机有许多种类型，可分为平行和锥形两大类，前者两根螺杆的轴线互相平行，后者两根螺杆的轴线相交成一角度。目前流行的平行异向双螺杆挤出机多为在啮合区纵横向都封闭，即共轭型的。锥形双螺杆挤出机与啮合型平行异向双螺杆挤出机的工作机理基本相同。如果将其设计成啮合区螺槽纵横向皆封闭的，则其输送能力和建压能力都很强，因其加料端两螺杆轴线间有较大的空间，可以采用大的止推轴承和扭矩分配齿轮，从而能承受高扭矩和高推力负荷，很适合硬聚氯乙烯类制品的挤出成型。鉴此，目前国内PVC制品挤出成型加工中大多采用锥形双螺轩挤出机。但当螺杆直径大到一定程度时，锥形双螺杆挤出机需要大尺寸的止推轴承和扭矩分配齿轮，使得机器结构过于庞火，因此大型设备多采用平行异向双螺杆挤出机。目前串联式轴承的设计制造已不成为问题，因而锥形和平行双螺杆挤出机两者传动系统制造难易的差异正在缩小，较突出的问题是锥形双螺轩机螺杆及机筒的加工制造难度较大，且磨损较大，制造成本比平行机要高，因此目前螺杆直径在∮55－80mm范围内的异向双螺杆挤出机多采用锥形双螺杆机。而直径∮80以上者多采用平行异向双螺杆机，直径∮30左右的平行异向双螺杆机，多用于实验室等场合。异向双螺轩挤出机与单螺杆挤出机的主要差别有两点:首先，是它们的输送机理不同。单螺杆挤出机中的物料传送是拖曳型流动，国体输送过程为摩擦拖曳，熔体输送过科为粘性拖曳，国体物料与金属表面之间摩擦系数的大小以及熔体物料的粘度在很大程度上决定了单螺杆挤出机输送能力的强弱:啮合型异向双螺杆挤出机中物料的传送是正位移输送，随着螺杆的回转，物料被相互啮合的螺纹强制性地向前推进，其正位移输送的程度取决于一根螺杆的螺棱与另一根螺杆的螺槽的接近程度。用紧密啮合的异向旋转双螺杆挤出机可获得最大的正位移输送。其次，二者的速度场不同。单螺杆挤出机中速度分布相对来说比较明确并且易于描述，双螺杆挤出机中的情况则相当复杂且描述困难，这主要是由于双螺杆挤出机中啮合区的存在造成的。许多研究者通过忽略双螺杆挤出机中啮合区的漏流对其流场做了分析，然而发生在啮合区的漏流与双螺杆挤出机的混合特性和总体行为有很大关系，因此在不计啮合区漏流的情况下所做的流场分析虽然具有一定的参考价值，但其实用价值不大。由于发生在啮合区的复杂流动使得双螺杆挤出机具有混合充分、热传递均匀、熔融能力强、排气性能良好等诸多优点，所以仍有许多科研工作者为了更准确地分析啮合区的流动正在做着不懈的努力。与单螺杆挤出机相比异向双螺杆挤出机具有很多优点:①加料容易。由于双螺杆挤出机是靠正位移原理输送物料，因此可以加入粘度很高或很低的物料以及带状料、糊状料、粉料等。②物料在双螺杆挤出机中停留时间短，滞留时间分布窄，因此双螺杆挤出机适于加工热敏性物料。③优异的排气性能。这是啮合型双螺轩的自洁功能使得物料在排气段获得完全的表面更新所致。④优异的混合、塑化效果。⑤低的比功耗。双螺杆挤出机的比功耗比单螺杆挤出机低百分之三十左右。这使得双螺轩挤出机在节能、降耗方面具有明显的优势。双螺杆挤出机中两根螺杆的旋转方向和啮合程度的不同，导致了同向旋转双螺杆挤出机和异向旋转双螺挤出机不同的泵送、混合和流动机理，同时也决定了这两类挤出机不同的用途。在啮合型同向旋转双螺杆挤出机中，物料在螺槽中的流动?quot;∞字形螺旋流动。并且同向双螺杆挤出机转速较高，使得物料所受剪切作用较大。这些特点使得同向双螺杆挤出机具有优异的分散混合及分布混合能力、较窄的停留时间分布、优良的自清理效果等优点，因而被广泛应用于聚合物配混(共混、填充、增强)、排气(脱挥〉及反应挤出(聚合物聚合及反应型改性)等领域。但与异向双螺杆挤出机相比同向双螺杆挤出机的输送效率较低，建压能力比较差，因此一般不能用来直接挤出成型。若想获得高的挤出压力，则需在下游接聚合物熔体齿轮泵或接第二阶单螺杆挤出机，这会使机器设备成本提高。在啮合型平行异向旋转双螺杆挤出机中，物料被封闭在绕每根螺杆的C型小室中，作类似于齿轮泵中的正位移输送。异向双螺杆挤出机转速较低，物料剪切发热量小，因此它对物料的热稳定性要求不高，可以在物料成刚满度范围的下限进行操作，因此物料不容易分解，特别适用于热敏性物料(PVC)的成塑加工。与同向双螺轩挤出机相比，异向双螺杆挤出机输送效率高、排气效果及熔融效果好，对物料的分散混合效果较差，但建压能力强，因而可用来直接挤出制品。另外异向双螺杆挤出机特别适于加工PVC粉料，可直接加入粉料而省去造粒工序，使制品成本下降百分之二十左右。异向旋转双螺轩挤出机主要用于挤出PVC管材，型材，板材和造粒。近几年来，异向旋转双螺杆挤出机在国内外得到了突飞猛进的发展。现在国外异向双螺杆挤出机的研究重点为扩大其应用范围，提高其技术性能指标，提高整个机组的配套性和应用先进的测控系统。与发达国家相比，我国在双螺杆挤出机的设计制造及应用方面存在很大的差距。国内观螺杆挤出机开发及研究工作起步较晚，因此产品档次较低，系列化程度低，多数产品的技术水平、螺杆、机筒的精度、整机性能和质量与目前发达国家的发展水平有一定差距。目前，我国生产的异向旋转双螺轩挤出机多为锥形双螺杆挤出机，平行异向双螺杆挤出机很少，并且多为中、小型机，国内所需的大型异向双螺杆挤出机几乎全部依赖进口。在双螺杆挤出机的设计、计算以及制造技术方面仍有不少难点需要克服，这些都制约了我国双螺杆挤出技术与装备的发展。随着国民经济的发展，大型塑料管材、型材、板材在石化、建筑、农业、国防等领域的应用日渐广泛。大型平行异向双螺杆挤出机的开发研制必将受到越来越多的重视。3.2异向旋转锥形双螺杆挤出机锥形双螺杆挤出机自1967年问世以来己经三十多年了，其螺杆基本结构先后经历了三种形式:普通型、双锥型、高效双锥型。(l)普通型普通型是锥形双螺杆的初级结构形式，其特点是:螺杆大端与小端自径之比小于2，螺槽深度沿全长不变。如奥地利CincinnatiMilacron公司九十年代以前的CM系列螺针。(2)双锥刑双锥型是德国的kraussMaffei公司在普通型结构的基础上发展起来的，其特点是:螺杆大端与小端直径比于2，大端螺槽深，小端螺槽浅，螺槽深度沿螺杆全长渐变，直径与螺槽之比不变，构成了外径的外锥角和螺槽底径的内锥角。由于加料段螺槽深度较普通型深，故加料量大:螺杆表面积大，冷料停留时间延长，增加了外加热向物料的传热，有利于物料升温，如该公司得KMD一KK系列的螺杆。(3〉高效双锥型高效双锥型是CincinnatiMilacron公司八十年代末在双锥型设计原理的基础上发展起来的。其特点是:螺杆大端与小端直径之比大于2，螺槽深度沿螺杆全长渐变，螺杆长度比双锥型适当加长。这样使物料在加料段置于外加热作用下的时间延长，能充分地吸收热量，加快升温，促进塑化。加料段螺槽容积和表面积的增加不仅意味着高的挤出产量，而且也意味着高的应用灵活性，如CM公司九十年代推出的CMT系列。高效双锥型的问世被称为锥形双螺杆挤出机发展上引人注目的技术进步，其挤出产量较同规格普通型高出一倍或一倍以上。无论是哪一种形式的螺杆，在国内外螺杆设计皆处于经验设计阶段。由于锥形双螺杆的锥度很小，在很短的螺杆长度上可以近似地认为异向平行双螺杆，故可利用平行双螺杆挤出机的计算公式近似计算。对于螺轩各段参数设计，也仅给出经验设计取值范围:对于防止螺杆咬合，也只给出了定性的方案：增大两螺杆间的侧隙。