目前，聚合物擠出成型技術主要朝著有效、節(jié)能、環(huán)保方向發(fā)展，具有有效塑化能力且低能耗，兼具綠色環(huán)保及可持續(xù)發(fā)展的擠出成型技術越來越成為該領域的研究熱點。

聚合物擠出成型效率的提高包括聚合物流量、擠出機能效、工作壓力、制品質量（分子取向、機械性能、熱性能、分子結構）的提高和能耗的降低，主要受到設備結構和工藝兩個方面的影響。下圖總結了與擠出技術相關聯(lián)的結構鏈條?？梢钥闯?，為了滿足聚合物材料及其制品發(fā)展的要求，擠出技術主要從原理、設備和工藝三個方面跟進。

擠出原理的創(chuàng)新

在結構上提高擠出成型加工效率主要是指在擠壓塑化系統(tǒng)的關鍵元件—螺桿和機筒的結構上做改進。

機筒和螺桿共同組成了擠出機的擠壓系統(tǒng)，完成對聚合物的固體輸送、熔融和定壓定量輸送作用。目前，以螺桿為主要結構標志和原理特征的螺桿機械是國內外廣泛應用的聚合物擠出成型設備，存在塑化輸運熱機械歷程長、能耗高、設備體積和重量大、對物料特性依賴性強等問題。

研究者對傳統(tǒng)的螺桿擠出成型原理進行了思考與創(chuàng)新，反觀傳統(tǒng)塑化元件向“無螺桿化”方面發(fā)展，引入振動、拉伸流變等新原理，引入葉片、磨盤、圓盤、螺筒等新結構元件提高塑化能力。而隨著塑化元件結構的改進，出現了許多新的用于聚合物擠出成型技術及設備。

多螺桿擠出機包括三螺桿、四螺桿、行星螺桿擠出機等，具有排布方式多變、嚙合區(qū)多、長徑比小、產能比高和混合性能優(yōu)異等優(yōu)點，可滿足聚合物的加工質量和產量精細化、系列化、功能化、低成本等方面的要求。多螺桿擠出機的諸多優(yōu)勢已被業(yè)界認可，但由于在螺桿軸承設置、制造工藝、運作機理等方面的特殊性，技術上不夠成熟，許多國內設計制造商還不敢涉足。格諾斯公司開發(fā)的MRS多螺桿擠出機具備非常大的熱能交換面積和無可比擬的排氣功能，能夠直接將回收的PET瓶粉碎料薄片加工成片材，省去了造粒工藝及所需能耗，且無需預先干燥。

振動擠出靠施加振動力場能夠加速分子鏈的解纏，降低熔體黏度和擠出壓力，減少擠出脹大，從而增強產品的力學性能。瞿金平院士及其團隊開發(fā)了塑料動態(tài)加工成型設備，進一步提出了基于拉伸流變的高分子材料塑化輸運新機理，實現了塑料加工成型原理和由“基于剪切流變”到“基于拉伸流變”的方法變革，發(fā)明了拉伸形變支配的無螺桿塑料動態(tài)塑化加工新方法及裝備。其研制出由定子、轉子及葉片組成的無螺桿塑化和具有正位移輸送特性的擠壓系統(tǒng)，突破了傳統(tǒng)螺桿塑化擠出理論。

2008年，北京化工大學賈明印教授等人設計了一種新型嵌套式螺桿擠出結構，將外螺桿和內螺桿嵌置在一起，使外螺桿作為內螺桿的機筒。2010年，潘龍等人通過在單螺桿擠出機固體輸送段機筒內壁開設螺旋溝槽，將機筒與螺桿視為一個對物料協(xié)同作用的整體，建立了新型物理模型－弧板模型。將嵌入機筒溝槽與螺桿螺槽中的物料視為固體塞，提出了新型“雙螺棱推動理論”，彌補了單螺桿擠出機不能實現正位移輸送的傳統(tǒng)理論缺陷。2011年，華南理工大學盧和亮等人設計了螺旋溝槽單螺桿擠出機，以弧板模型和雙螺棱推動理論為基礎，推導了螺旋溝槽單螺桿擠出機的能量消耗方程，指導設計了強制進料螺旋溝槽襯套，應用于實際。

為了加大擠出機產量、提高混煉質量并降低機器的比能耗，結合傳統(tǒng)的螺桿擠出和盤式擠出原理，1999年，北京化工大學江波教授團隊設計了串聯(lián)式磨盤螺桿擠出機，具備單螺桿結構簡單、擠出壓力高、承載扭矩大的優(yōu)點和磨盤擠出機超強的破碎、分散、剪切、混合塑化優(yōu)勢，可制取常規(guī)混煉裝置難以加工的特殊高分子材料和高填充復合材料。

機筒的結構形式關系到熱量傳遞的穩(wěn)定性和均勻性，在擠出/注塑成型的設計中越來越重要。Eberhard Grünschlo?開發(fā)了一種新高性能螺旋溝槽機筒擠出機—Helibar擠出機，整個機筒帶有螺旋溝槽，供料段為深螺旋溝槽，其它部分為淺軸向或螺旋狀溝槽，與專門設計的阻隔螺桿使用構成混煉段，能極大地提高產量。

2011年以來，Emil發(fā)明了機筒旋轉的單螺桿擠出機，研究了旋轉機筒在塑化段不同區(qū)域及不同旋轉機筒內表面形狀對塑化擠出的影響。研究發(fā)現機筒內表面形狀對擠出效率的影響很大，螺旋槽機筒的擠出效率**。后研究了直型溝槽機筒與旋轉套筒共同協(xié)作對擠出塑化的影響，發(fā)現機筒溝槽數量較多時，*終確定了一種較好的旋轉螺筒結構，升溫效果好、建壓能力強、流量大、消耗能量也小。

2008年，本文作者王建結合單螺桿、雙螺桿、嵌套式螺桿和開槽機筒的優(yōu)點，將螺桿和機筒作為統(tǒng)一的研究對象，發(fā)明了一種可實現對聚合物材料進行有效率混煉塑化的旋轉螺筒。旋轉螺筒是在機筒上加工螺旋溝槽的結構，配置驅動裝置形成。其避免了螺桿旋轉過程中的彎曲振動等許多不足，運行更穩(wěn)定可靠，傳熱效果好，同時可提高整個塑化裝置的使用壽命。與螺桿配合使用可以更短的行程取代現有的擠出和注射成型裝置中的塑化裝置，縮小設備體積、減少加工設備的材料用量，實現節(jié)能的目的。

擠出設備的創(chuàng)新

在特種擠出成型技術領域，一方面源于擠出原理的創(chuàng)新在設備結構改進方面不斷發(fā)展，主要包括錐形雙螺桿擠出、多螺桿擠出、排氣擠出、串聯(lián)式磨盤螺桿擠出、往復式銷釘螺桿擠出、串聯(lián)式多階擠出、帶熔體齒輪泵的擠出、木塑擠出、共擠出、發(fā)泡擠出等。

高產擠出成型設備

擠出機的高速高產可使投資者以較低的投入獲得較大的產出和高額的回報，擠出機的高速化在一定程度上也反映了一個**的聚合物加工技術水平。

高速擠出機轉速可在500rpm以上，產量可達250kg/h以上。簡單的提高螺桿轉速會使物料在螺桿內停留時間減少而導致混合塑化不均，物料經受過度剪切易發(fā)生急劇升溫而降解，擠出的穩(wěn)定性降低而造成制品幾何尺寸波動，螺桿、機筒、減速器及軸承等相關零部件壽命降低。因此，高速擠出設備要求重新設計螺桿等零部件，對加工精度及材料性能提出了更高的要求，同時要求高速高扭矩傳動系統(tǒng)及精密控制系統(tǒng)。

目前，國內擠出機廠家還不具備開發(fā)實力。具有代表性的高速擠出機有克勞斯瑪菲的ZEUTX系列雙螺桿擠出機，科倍隆新一代ZSK雙螺桿擠出機ZSK Mc18、ZSK 26 Mc18等。

在K2010展會上，聯(lián)塑展出的GLSS-65X35擠出機利用低速大扭矩交流伺服電機直接驅動螺桿塑化擠出，**轉速達到500r/min，**擠出量達到1000kg/h，節(jié)能達15-20%。

研究表明，在相同的螺桿轉速下，高速擠出機要實現高產量要求螺桿熔融段加長，長徑比要大（一般為30:1~40:1），比常規(guī)擠出機的（24:1~30:1）高出1/3。因此高速擠出機的加料段、壓縮段和計量段均比普通擠出機的長。

BEX公司研究發(fā)現螺桿直徑在75 mm、長徑比在34:1~40:1之間是擁有**產量的**參數。巴頓菲爾辛辛那提公司的Rapidex擠出機的螺桿直徑為60 mm，長徑比為37:1，加工PE的產量可達1000 kg/h，加工PP的產量可達800 kg/h。巴頓菲爾辛辛那提公司開發(fā)的Monos單螺桿擠出機中的**系列Monos90擠出機，長徑比為37:1，產量可達1000 kg/h。巴頓菲爾辛辛那提K展2013展出了由一臺平行 twinEX 78-34 P和一臺圓錐conEX 63 P擠出機組成的分段式擠出機解決方案。

另外，實現擠出成型設備的大型化可以降低成本提高產量，在大型雙螺桿造粒機組、吹膜機組、管材擠出機組等方面優(yōu)勢明顯。中國大型擠壓造粒機組長期依靠進口，在此方面還需提高研發(fā)力度。

特種材料及制品的擠出成型設備

某些特殊材料及其制品擠出加工要求特殊的設計和工藝控制條件。

瑞士麥拉菲爾公司開發(fā)了系列新型耐高溫擠出機，采用了極強抗腐蝕和極強耐磨材料，采用環(huán)形均勻冷卻技術可保證400-500℃的熔融溫度下擠出機內部溫度分布均勻。航空航天用交聯(lián)F40（交聯(lián)乙烯四氟乙烯，XETFE）絕緣導線廣泛應用于軍工領域，仍被國外公司（如美國Raychem及法國Nexans等）壟斷，其對擠出設備的擠出量、擠出速率、牽引線速度、可控性、穩(wěn)定性、可靠性等提出了較高的要求，既能保證熔體塑化充分，又能使熔體在機筒中滯留時間短，擠出流道應平滑、流暢。

木塑復合材料（WPC）是采用低值來源豐富的木材等生物質纖維材料和廢舊塑料為基本原料加工而成，具有環(huán)保、節(jié)能、節(jié)材、可循環(huán)利用等優(yōu)點，其性能集木材和塑料的優(yōu)勢于一身。木塑擠出成型的WPC板材、棒材、異型材等可通過二次加工制造地板、鋪板、柵欄、家俱、門窗、裝飾材料、包裝箱等。

東北林業(yè)大學王清文教授主持完成的“木塑復合材料擠出成型制造技術及應用”項目獲得**科技進步二等獎。日本CTE公司的塑木復合材料配混用型雙螺桿連續(xù)捏合擠出機，研發(fā)了配混WPC的新工藝，不需預干燥，利用螺桿自身剪切熱蒸發(fā)原料中的水分，克服了傳統(tǒng)設備進料不均等弊病，配混木粉質量分數可達75%，可實現高產節(jié)能擠出。

微孔塑料及其制品質輕省料、熱導率低，且具有優(yōu)良的隔熱性、緩沖性、隔音性以及強度。微孔擠出技術的關鍵是聚合物/氣體均相體系的形成、氣泡成核和長大及控制。目前代表公司有美國的Trexel、Mircrocellular Plastics Technology、Axiomatics公司，日本東京Sekisui Plastics公司、加拿大的Engel公司等，國內的微發(fā)泡設備方面還不成熟。研究方向主要在微發(fā)泡連續(xù)擠出機理、發(fā)泡口模設計、工藝優(yōu)化及微孔制品應用領域擴大方面。

共擠出技術可使制品多樣化或多功能化，包括軟硬共擠、芯部發(fā)泡共擠、廢料共擠、雙色共擠等。隨農用薄膜、包裝薄膜功能發(fā)展的需要，共擠出吹塑薄膜趨于向多臺擠出機、多層化發(fā)展，目前多層共擠出吹塑膜可達9層。多層共擠對各種聚合物的流變性能、相粘合性能，各擠出機之間的相互匹配有很高的要求。機頭流道的設計與制造更為關鍵。

目前關于共擠出技術的研究主要集中在多層共擠復合機頭、工藝參數、共擠出界面的穩(wěn)定性、CAD/CAE在共擠出的應用等方面。多層共擠出薄膜技術發(fā)展迅速，包括多流道式共擠出復合技術、喂料塊式共擠出復合技術、微層復合（微層倍增器）技術等。

另外，對一些危險和有毒物料如含紅磷類聚合物復合材料等的加工需要精密擠出裝備。

在軍工領域，擠出機可用于火炸藥的加工，除了塑化系統(tǒng)的合理設計和精密加工外，擠出工藝的嚴格控制也是*關鍵的**要素。

精密擠出成型技術

精密擠出成型是通過對擠出過程要素的**控制實現擠出制品幾何尺寸的高精密化和材料微觀形態(tài)高均勻化的成型過程，近年來擁有了高度重視。一方面可以顯著提高制品的精度，滿足產品的要求（高精密制品成型的需要，以光導纖維、醫(yī)用導管、音像片基、照像膠片片基、投影膠片為代表的一系列高精密制品的巿場需求與日俱增）。另一方面，通過提高制品的均勻性保證產品的合格率，可減少原料浪費，降低成本，增加收益。如果20%的制品采用精密擠出技術和裝備來，中國每年就可以節(jié)約樹脂消耗量 10萬噸左右，經濟效益超過 8 億元人民幣。

通過對精密擠出機理和影響精密擠出因素的不斷深入研究，采用一些必要的控制手段和精密擠出裝備，可實現擠出過程的精密化。應用高精度熔體泵，穩(wěn)定均衡擠出，提高制品尺寸精度和幾何精度。中央統(tǒng)計過程精密控制系統(tǒng)，利用熔體泵入口、出口處采集的壓力、溫度等信息資料，實現整個擠出過程在線監(jiān)測及反饋控制。利用CAE先進設計方法，對精密醫(yī)療導管模具進行科學的設計，采用先進的加工方法進行精密加工。采用電磁加熱系統(tǒng)，精密控制加熱溫度，提高可靠性，降低維修率，減少維修對環(huán)境的污染，同時降低能耗。

醫(yī)療微型精密導管擠出設備在中國還是空白，在此方面實現突破具有巨大的經濟效益和社會效益。GuillTool公司推出用于醫(yī)療領域的新型擠出模具MediFlow系統(tǒng)，可出像頭發(fā)一樣細的醫(yī)療管，專門用于需要極其精細的醫(yī)療用途，包括**的關節(jié)鏡微創(chuàng)外科手術。

氣體輔助擠出成型由英國的R. F. Liang等在2000年***提出，可降低口模與熔體之間的阻力，減小口模壓降，降低擠出制品的內應力和翹曲變形。不僅可以提高擠出制品的質量，還能夠大幅度的降低能量消耗，為自動**控制塑料制品擠出過程提供了前提條件，適用于精密擠出制品，如光導纖維、醫(yī)用透析管、人工血管、介入療法用支架等，是一項具有廣闊應用前景的新技術。

近些年來，中國在對氣體輔助擠出技術的研究方面取得了一定進展，但在具體應用方面還很少。

輔機

除擠出機本身，輔助設備的不斷發(fā)展進步對擠出成型的提高至關重要。輔機主要包括定型裝置、冷卻裝置、牽引裝置、切割裝置、放線裝置、校直裝置、預熱裝置、切斷器、吹干器、印字裝置等。

近年來，輔機的技術水平逐年上升。KraussMaffei公司的ZEUTX系列雙螺桿擠出機配有ZSFE型側邊喂料器，可實現高固體顆粒輸送率。巴頓菲爾辛辛那提的高速擠出機配備合適的壓光輥，可保證*小限度的薄膜尺寸偏差。Argos 173型和twinEX 型異向旋轉平行雙螺桿擠出成型機，配備有機筒APC空氣冷卻系統(tǒng)，可保證高精度的熔體溫度控制。格魯伯擠出技術公司聯(lián)合開發(fā)的節(jié)能真空系統(tǒng)，具有更有效率的干式真空定型和采用可變真空度控制系統(tǒng)的真空箱，可減少能耗達50%?？票堵?/span>ZSK Mc18雙螺桿擠出機可裝上FET喂料器和ZS-EG側脫揮設備達到更好的加工效果。米拉克龍TP75標準配置為節(jié)能交流電動機驅動，以及用于**進程控制的主動式螺桿油冷卻。可選配件包括環(huán)保的干式真空泵等。

MaguireProducts公司推出了著色劑和助劑用改進型MGF重力式加料器，輸出量增加一倍?；炝蠙C配套網絡軟件Gravimetric Gateway，提供詳細的使用報告，在聯(lián)網系統(tǒng)中的任一地點都能顯示警報，可容許遠程控制。

塑料擠出型材雙線輔機設備可提高大擠出量主機的使用效率，并可使一臺主機兩種不同截面型材。輔機設備主要供應商奧地利的Greiner、Technoplast公司及加拿大的CDS‘公司的雙線輔機在巿場上的占有率非常高。萊芬豪舍公司為MIDEX旋轉臂收卷機新推出一款具有特殊的微結構接觸輥，可以幫助降低成本、提高收卷質量。

檢測及控制

隨著控制技術的發(fā)展，擠出工藝在有效、節(jié)能、精度方面也擁有了提高，主要表現在擠出機的加熱冷卻控制、驅動系統(tǒng)控制、口模的控制等。主要配備新的加熱冷卻系統(tǒng)、新的精密控制系統(tǒng)、基于新原理的口模系統(tǒng)及熔體泵等輔助設備等來實現工藝精度的優(yōu)化提高。

發(fā)達**的塑料擠出機都普遍采用高精度的控制系統(tǒng)，對擠出過程中的工藝參數如熔體壓力及溫度、各段機身溫度、主螺桿和喂料螺桿轉速、喂料量、材料配比、電機的電流電壓等參數進行在線檢測，并采用微機閉環(huán)控制，可保證工藝條件的穩(wěn)定及產品精度。

同時，信息技術的提高推動了擠出線的遠程控制技術，擠出線向集成化、遠程化和網絡化方向發(fā)展?；诰W絡的計劃和控制模塊可實現分散的任務準備和控制。指令說明和產品配方可以直接從工廠的ERP系統(tǒng)傳送到擠出線，無需操作人員到設備位置輸入任何指令數據。

擠出技術研究方法

隨著信息技術的發(fā)展，如今科學計算已與理論分析、實驗并列被公認為當代科學研究的三種手段之一。三種方法結合深入開展科研可有效提高研究實力及水平。

在聚合物擠出技術的研發(fā)方面，影響工藝過程和控制產品質量的因素很多。需要開發(fā)的聚合物種類多、物性差別大，設備結構復雜、造型多樣（各種螺桿、混煉原件、模具等），工藝條件復雜（溫度、轉速、扭矩等），產品種類多。這促進了數值模擬技術在聚合物擠出技術開發(fā)方面的應用。

在獲取了物性參數后，基于相應的本構方程和流體力學方程，可通過計算機數值計算各種設備流道中聚合物熔體的流場，包括聚合物的速度、壓力、剪切應力、剪切速率、黏度和溫度場等，進而優(yōu)化材料配方，優(yōu)化螺桿模具等設備結構的設計，優(yōu)化設備的操作工藝條件。因此，數值模擬技術可大大縮短研發(fā)周期、節(jié)省實驗成本、提高**程度和產品質量。