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PVC物料挤出塑化的浅议
哈尔滨中大化学建材有限公司科研部
摘 要：本文围绕PVC物料挤出塑化质量中的内在质量，从挤出机结构与发展、PVC物料在挤出机中挤出塑化的历程与机理、配方与工艺等三方面对PVC物料挤出塑化进行了较详细的讨论，阐述了提高塑化质量的相应措施。
关键词：PVC物料;挤出机;挤出塑化质量
PVC异型材的生产过程中，产品质量与PVC物料挤出塑化质量有直接的关系。所谓PVC物料是指PVC树脂与各种助剂混合后的产物（粉状固体）。PVC物料挤出塑化质量一般包括两个方面，内在质量和外在质量。内在质量指PVC物料的塑化度、PVC异型材的物理性能，外在质量是指型材外表面、断面结构与尺寸。笔者重点对内在质量从硬件（挤出机）和软件（配方、工艺）进行PVC物料挤出塑化机理及影响因素的讨论，对提高PVC物料挤出的塑化质量，进而提高PVC异型材的产品质量有着积极的意义。
一、挤出机是PVC物料挤出塑化的保证
挤出机是PVC物料挤出塑化的硬件部分，是挤出塑化的保证。工业挤出机发明在1795年。十九世纪中叶发展起来的合成聚合物工业，促进了挤出加工的应用，1925年挤出了各种型式的聚氯乙烯，1935年由德国人制造成功的专门为热塑性塑料设计的第一台单螺杆挤出机标志着现代挤出工艺的开始，从第一台单螺杆挤出机发展到今天机型众多的单螺杆和双螺杆挤出机，挤出机经历了70年的发展历程。可以说，挤出机的发展史是PVC物料挤出塑化质量不断提高的历史。
众所周知，工业化生产的挤出机种类较多，按挤出机的用途分为成型用挤出机、混炼造粒用挤出机和供料用喂料挤出机；按螺杆数目的多少分为单螺杆挤出机、双螺杆挤出机和多螺杆挤出机；按可否排气分为排气式挤出机和非排气式挤出机；按螺杆在空间的位置可分为卧式挤出机和立式挤出机。
双螺杆挤出机的发展过程也反映了PVC物料的塑化质量不断提高的需求。双螺杆挤出机发展过程可以分为三个阶段，第一阶段1950年-1960年，双螺杆挤出机作为一种新的设备，功能上不完善；第二个阶段1960年-1970年，性能优异的、成本高的双螺杆挤出机；第三个阶段1970年以后注意加工设备的经济合理性的双螺杆挤出机。双螺杆挤出机按两根螺杆的相对位置，可以分为啮合型。按两根螺杆的结构形状可分为平行双螺杆挤出机和锥形双螺杆挤出机。按两根螺杆相互啮合的螺杆的相对而言旋转方向不同，分为同向旋转和异向（反向）旋转两大类。在PVC异型材生产中，大多数厂家使用的是啮合型锥形导向双螺杆挤出机。螺杆是构成挤出机中影响PVC物料挤出塑化的主要部件，其改进过程也是适应PVC物料塑化提高要求的过程。螺杆主要参数有：螺杆直径；长径比；压缩比螺杆的分段（加料段、压缩段、计量段）螺槽深度；螺距；螺旋升角；螺棱宽；螺纹头数；螺纹断面；螺杆头部型式；螺杆的冷却方式。挤出机生产厂家在制造螺杆时，一般对上述参数有所考虑。这是因为上述参数有所不同会导致PVC物料挤出塑化质量不同。或者说，适应不同的PVC物料挤出塑化质量要求，应改变上述参数。
机筒是构成挤出机中影响PVC物料挤出塑化的另一个主要部件，其加热方式有三种；热载体（油、蒸汽）加热、电阻加热和感应加热，从稳定PVC物料挤出塑化效果考虑，使用后二种较好。其冷却方式有油冷却和鼓风冷却两种。笔者通过实践观察认为，油冷却虽然冷却均匀，但是油管易结碳。油管结碳后不但清理麻烦而且影响冷却效果。所以，控制PVC物料塑化温度采用鼓风机鼓风冷却效果好。目前多数挤出机生产厂家的机筒采用电阻加热、鼓风机鼓风冷却、加料口为矩形较多。
对于生产PVC异型材而言，因采用PVC粉料加工，单螺杆挤出机挤出PVC粉料加工，单螺杆挤出机挤出PVC物料塑化及温度均匀性不如双螺杆挤出机，这是因为物料在单螺杆挤出机中的输送主要是依靠物料与机微内壁及物料与螺杆表面的摩擦作用。双螺杆挤出机则为“正向输送”，具有将物料强制推向前进的作用。双螺杆挤出机中物料由加料斗加入机筒经过螺杆到达口模，在这一过程中，物料在螺纹推动下，通过各部分圆周运动，进行剪切、辊压、捏合，同时也向着口模方向运动。物料在双螺杆内的流动不是由于摩擦牵引作用，而是靠机械的强制输送，这种输送是等量的，减少了逆流，物料在机筒内停留时间短、温度波动小。实践证明，在双螺杆挤出机中，物料的停留时间通常仅为同直径、同周转数的单螺杆挤出机的一半，而热量的传递效率却要提高4倍，从而提高了PVC物料的塑化质量。
要注意的是，螺杆与机筒的装配精度对PVC物料挤出塑化选题有很大的影响。装配精度主要表现在双螺杆挤出机的四种间隙中，这四种间隙是两个螺杆相对位置的间隙、螺杆螺棱之间的间隙、螺杆与机筒的间隙、螺杆尖部与机筒机头断面的距离（间隙）。对于螺杆与机筒的配合间隙一般在0.1-0.6mm，根据螺杆直径不同间隙不同，随着直径增大间隙增加，但是间隙不能过大或螺杆外圆各点与机筒间隙不能相差太大。否则，PVC物料挤出塑化质量会下降。
二、PVC物料挤出塑化机理
根据PVC物料在双螺杆挤出机机筒中的三段塑化历程将螺杆分为三个区域：固体输送区、熔融区、熔体输送（挤出）区。PVC物料挤出塑化机理的讨论就是对物料在筒中的螺杆三段塑化历程机理的讨论。
1、固体输送区塑化机理
在机筒中，把固体聚合物（PVC）及助剂的流动、预热、压实区域定义为固体输送区。首先，料斗内固体聚合物粒子向机筒内流动是靠重力实现的，随着螺杆的转动，粒子向机头方向推进的同时，料斗内粒子不断流动。在固体输送区（机筒以C1区）PVC物料中的高分子、小分子等粒子逐渐被加热，同时，螺杆剪切作用和粒子之间摩擦也使粒子热量增加，从而使粒子在致密状态中充分接触、扩散、渗透。
在这个区域内，由于螺杆的螺距、螺棱宽度等发生变化，PVC物料粒子被致密地压实后，形成在螺槽上滑动的固体床或固体塞。固体塞运动是依靠机筒表面与固体塞之间的摩擦力，而螺杆与固体塞之间的摩擦力却阻止固体塞运动。所以在机筒内，造成PVC物料粒子不在同一方向前进，而是不时地翻滚、打滑，随螺杆旋转、“架桥”，在“桥”后堆积起来，突破“桥”，随着PVC物料挤出和PVC物料在料斗内的流动，这种过程是反复进行的。在这个区域，较好的PVC物料挤出塑化质量是PVC大分子从状态上看是由玻璃态转化为高弹态；从聚集态结构看，是50-60%的PVC树脂颗粒破碎变化为初级粒子充分接触、扩散。
值得指出的是：对于稳定的运转，料斗内固体料的高度无论什么时候都必须在某个临界值以上。在这个临界值以上，料面高度的变化将不影响挤出机的性能，但是，如果料面高度低于此临界值，则固体料面高度的任何变化都会引起底部压力的变化，会改变挤出机的运转状况，引起一个强烈的不稳定因素，导致PVC物料挤出塑化质量的恶化。
2、熔融区塑化机理
在机筒中，把固体聚合区和熔体共存着的区域定义为熔融区或相变区。该区为C2、C3加热区。熔融区是挤出机的主要部分，特别温度是设定（机筒C2、C3区、螺杆芯部）及螺杆转速设定，螺杆与螺杆之间的间隙、螺杆与机筒的间隙等，对PVC物料挤出质量有重要影响。当PVC物料达到熔融区时，由于螺杆的螺距、螺棱宽度等发生变化，PVC物颗粒在被积压致密的同时，已经建立了相当大的压力，这些压力与周围热介质的软化作用一起，把压实的颗粒变成密实的“固体床”。此时的固体床是由一部分PVC高弹态与一部分PVC玻璃态、少量的PVC粘流态组成的混合状态。固体床具有螺旋形螺槽的形状并且在螺槽内滑动。由于这种相对运动，在固体床和机筒表面之间的熔膜内便产生了速度分布。于是，熔膜中的熔体开始向螺纹推进而流动，当它遇到螺棱时，螺棱变将熔体从机筒上“刮下”，并且聚集在推进螺纹前方的螺槽后部的熔池中。当固体床沿着螺槽移动时，越来越多的熔料带入熔池，因此，熔池的尺寸增加，而固体床的尺寸则减少。固体床被逐渐破坏而成为粘流态向前输送。在这个区域，较好PVC物料挤出塑化质量，从状态上看，PVC大分子状态由高弹态转化为粘流态；从聚集态结构来看，由60-70%PVC初级粒子破碎变化为一级粒子，各种助剂分子与PVC一级粒子接触，形成物理与化学的结合。
在熔融区，提高PVC物料挤出塑化质量的因素有：
（1）增加螺杆转速；
（2）提高熔融区机筒设定温度；
（3）合适的螺杆与机筒间隙。对于特定的PVC异型材生产配方，应该有一组最佳的熔融区机筒温度。
3、熔提输送区塑化机理
在机筒中，把固体聚合物完全转化为熔体，熔体被强制输送到机头处的部分定义为熔体输送区（机筒C4加热区）。在这个区域内，熔融大分子在剪切作用下与各种助剂进一步反应、被均化，连续PVC物料粘流体不断地定量挤出，形成熔体压力，保证PVC物料的最终成型产品的密实度。在这个区域，较好的PVC物料挤出塑化质量，从状态上仍保持PVC大分子粘流态，从聚集态结构看，是PVC一级粒子与少量初级粒子共同组成的结晶体，这部分初级粒子可以提高最终材料的强度、韧性。当含有这种结晶体材料被挤出、冷却后，在外力的作用下，初级粒子能够阻碍一级粒子的运动，达到强度的提高；又由于初级粒子表面积大，在受到冲击时可以吸收部分冲击能，韧性提高。
三、最佳配方、工艺是PVC物料挤出塑化的挤出和条件
生产PVC型材的原料有十余种，主要有聚氯乙烯、抗冲剂（氯化聚乙烯）、稳定剂、加工助剂、内外润滑剂、填充剂（碳酸钙）、钛白粉、增塑剂。理论和试验已经证明：原材料的生产厂家不同，其技术指标不同，PVC物料挤出塑化质量不同；原材料用量不同，PVC物料挤出塑化质量不同；各种原材料在配方中的配比不同，PVC物料挤出塑化质量不同。应该针对具体的挤出机、原材料制定相应的配方组份是PVC物料挤出塑化的基础。合理的挤出工艺是PVC物料挤出塑化的条件。我们知道，双螺杆挤出机适宜硬聚氯乙烯异型材的成型，因它能在较大的机头阻力情况下高效的生产优质制品。挤出工艺涉及到机筒温度的设定、主机（螺杆）转速、喂料转速等参数直接影响PVC物料挤出塑化质量。塑化质量可以用塑化度表示。当PVC未塑化或塑化度低时，PVC初级粒子未解体或解体很少；塑化度100%时，塑化过度，所以初级粒子解体、融合，制品冷却后形成了均匀分布，贯穿整个制品的结晶网络。这二种情况都造成PVC物料挤出塑化质量不好，反映在型材上物理性能不好。最佳PVC塑化度在60-70%，此时PVC大部分初级粒子解体、融合，仍然有少数PVC初级粒子存在，制品冷却后内部非结晶网络与结晶网络相互交错，反映在型材上物理性能好。一般来说，提高温度、提高螺杆转速、提高喂料转速均可以提高塑化质量，但有一个三者最佳组合。PVC物料挤出塑化机理来看，机筒C1-C4的温度设定是不同的，通常是C1＞C2＞C3＞C4，但是，也有与这个排序不同的，这与螺杆的参数与装配精度有关系。 如何保证PVC物料塑化质量，应该考虑几个因素：
（1）选择最适合于完成所给定型材的设备，然后必须制定最佳的组合操作条件。（2）适宜的机筒温度的设定，保证产品表面质量。
（3）各种原材料成分的均一性，如挤出一种分子量分布较宽的树脂（聚合物）时会发生成分不均匀性。
（4）适宜的机头及模具温度的设定。一般情况下，在较好的层流状态的情况下，机头及模具上的温度变化不会影响制品的均匀性。如果横着流动方向的温度梯度大，同时模具中流动不是层流，转变为不规则的随时间的波动，适宜的机头及模具温度的设定就很重要了。温度波动和压力之间的相互关系意味着温度被动是问题的根源。在挤出机中的不完全熔化也将引起温度波。
（5）采用分流板。当物料离开螺杆时，如果PVC塑化度较低，固体碎块和熔体一起进入机头，这样其结果不好。分流板可以使这些碎块的大部分破碎，做了一部分螺杆未完成的工作。实践中笔者接触使用过四家挤出机厂家生产的挤出机，其塑化质量是不同的，有的需要加入分流板才能提高塑化质量。
6）改善操作条件。操作条件对不稳定状态质量的影响很重要。当挤出机起动时，必须加入大量的热，螺杆芯部与机筒几个加热段可以将温度设定高一些；当挤出机在稳定状态下工作后，有效部分的热量由粘性耗散所产生，这样产生的热量经常过量，为了维护恒定的温度，必须适当降低螺杆芯部与机筒几个加热段的设定温度。 通过三个方面的讨论可以得出结论，对于PVC物料挤出塑化质量，单纯注重硬件部分——挤出机的性能或软件部分——工艺、配方不能见效的，必须是有机的结合。只有充分认识挤出机的塑化机理，才能正确制定合适的配方与工艺；只有了解PVC型材的配方与工艺才能正确制造、调整好挤出生产线。所以说，挤出机是PVC物料挤出塑化的保证，配方与工艺是PVC物料挤出塑化的基础和条件。
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