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　　開發(fā)精密擠出成型技術(shù)的必要性

　　精密擠出成型是一種通過對(duì)擠出過程要素的精確控制，實(shí)現(xiàn)制品幾何尺寸高精密化和材料微觀形態(tài)高均勻化的成型過程。精密擠出成型的主要特征為：擠出過程中工藝參數(shù)波動(dòng)很小，擠出設(shè)備工作狀態(tài)非常穩(wěn)定，所成型制品的幾何精度比常規(guī)擠出成型方法提高50%以上。開發(fā)精密擠出技術(shù)的迫切性主要表現(xiàn)在以下方面。

　　(1)高精密制品成型的需要：以光導(dǎo)纖維、醫(yī)用導(dǎo)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市場(chǎng)需求與日俱增。這類制品幾何精度往往比普通制品提高50%以上，普通擠出成型設(shè)備對(duì)這些精密制品是無能為力的，而必須采用精密擠出成型設(shè)備與技術(shù)完成成型加工。

　　(2)特種材料加工成型的要求：對(duì)一些危險(xiǎn)和有毒物料的加工需要精密擠出裝備。如含紅磷類聚合物復(fù)合材料的擠出，就需要嚴(yán)格地控制擠出工藝，因?yàn)榧t磷很容易燃燒，擠出工藝控制不好，具有很大的危險(xiǎn)性。一些工程塑料在高溫下會(huì)分解出對(duì)機(jī)器有腐蝕性、對(duì)人體有害的低分子揮發(fā)物。如聚四氟乙烯(PTFE)和乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFE)在一定溫度下就會(huì)分解出氟化氫氣體，該氣體對(duì)擠出設(shè)備有極強(qiáng)的腐蝕性，對(duì)人體的肝臟有很大的損傷，該氣體還會(huì)引發(fā)PTFE和ETPE的連鎖降解反應(yīng)，因而必須嚴(yán)格加以限制。在軍工領(lǐng)域，擠出機(jī)可以用于炸藥的加工，其危險(xiǎn)性不言而喻，除了塑化系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)和精密加工外，擠出工藝的嚴(yán)格控制是最關(guān)鍵的安全要素之一。在上述類型的危險(xiǎn)和高溫易分解聚合物的擠出成型加工中，精密擠出機(jī)可以發(fā)揮不可替代的作用。

　　(3) 反應(yīng)擠出成型的要求：現(xiàn)代擠出機(jī)除了塑化功能外，還具備化學(xué)反應(yīng)器的功能，物料在擠出機(jī)中可以完成本體聚合、化學(xué)接枝、鍵間共聚物的獲取、偶聯(lián)/交聯(lián)、可控降解、功能化和官能團(tuán)的改性、高分子合金的制備、納米/高聚物復(fù)合材料的制備等。反應(yīng)擠出過程需要嚴(yán)格控制反應(yīng)溫度、壓力、物料停留時(shí)間及其分布等過程參數(shù)，以及反應(yīng)物料與外界的熱量傳遞等，普通擠出機(jī)往往是不能勝任的，精密擠出成型機(jī)為各種復(fù)雜的反應(yīng)擠出工藝提供了必要的裝備條件。

　　(4)高速化擠出的基礎(chǔ)：據(jù)資料報(bào)道，日本池貝公司的D30單螺桿擠出機(jī)的轉(zhuǎn)速高達(dá)3000r/min，產(chǎn)量可達(dá)300kg/h。國外錐形雙螺桿擠出機(jī)用于生產(chǎn)PVC管材，單機(jī)產(chǎn)量可達(dá)1100～1500kg/h;平行雙螺桿擠出機(jī)的螺桿直徑已超過300mm，長徑比最高達(dá)100，螺桿最高轉(zhuǎn)速達(dá)到1500r/min，WP公司的ZSK133系列機(jī)的產(chǎn)量達(dá)到7000～11000kg/h。醫(yī)用導(dǎo)管的線速度可以達(dá)到250m/min，薄膜的線速度可以達(dá)到500m/min，包覆電纜的線速度也可以達(dá)到500m/min以上。在擠出生產(chǎn)高速化的同時(shí)，必須實(shí)現(xiàn)保證成型過程的精密可控。如果不能保證制品成型的精度，則生產(chǎn)速度越高，廢品越多。在此意義上，可以說精密化是高速化的基礎(chǔ)。

　　(5)減少制品材料消耗的需要：擠出成型制品因幾何精度較低造成的浪費(fèi)是十分驚人的，采用常規(guī)擠出裝備生產(chǎn)的板、片、膜、管的壁厚不均勻度一般可達(dá)8%至10%，由此造成的材料浪費(fèi)可達(dá)8%左右。按近年我國塑料制品的產(chǎn)量21000kt為基數(shù)，擠出成型制品的年產(chǎn)量12600kt計(jì)算，我國每年由于擠出制品的幾何精度低就浪費(fèi)掉100多萬噸樹脂。如果20%的制品采用精密擠出技術(shù)和裝備來生產(chǎn)，我國每年就可以節(jié)約樹脂消耗量10萬噸左右，經(jīng)濟(jì)效益超過8億元。

　　國內(nèi)外精密擠出成型技術(shù)及裝備的差距

　　目前國產(chǎn)擠出裝備的銷售量為8000余套/年，銷售額30億元左右，進(jìn)口擠出裝備2000余臺(tái)套/年，進(jìn)口額2億美元左右(約20億人民幣)，進(jìn)口擠出裝備主要為大型和精密設(shè)備，其單價(jià)為國內(nèi)設(shè)備的8～10倍，其附加值明顯高于國內(nèi)設(shè)備。

　　進(jìn)口的擠出設(shè)備主要有大口徑實(shí)壁管和波紋管生產(chǎn)線、土工膜生產(chǎn)線、雙向拉伸膜(BOPP、BOPET、BOPA、BOPS等)生產(chǎn)線、滴灌管生產(chǎn)線、醫(yī)用導(dǎo)管生產(chǎn)線、音像片基和感光片基生產(chǎn)線、石化用大型雙螺桿擠出造粒裝備，以及各種實(shí)驗(yàn)室用多功能擠出機(jī)等。這些進(jìn)口擠出裝備之所以能夠以很高的價(jià)格進(jìn)入中國市場(chǎng)，主要依靠技術(shù)上的優(yōu)勢(shì)，具體表現(xiàn)在高精密度、高速和高效率、高可靠性。

　　美國PEI(Precision Extrusion, Inc.)公司用于生產(chǎn)醫(yī)用導(dǎo)管的精密擠出機(jī)，采用特殊的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)，以及統(tǒng)計(jì)過程控制技術(shù)，使得擠出機(jī)各段溫度偏差可以控制在±1℃，管材的壁厚偏差可以控制在2%以內(nèi)。相比之下，高產(chǎn)擠出設(shè)備的控溫精度一般在5℃～10℃，管材的壁厚偏差在10%以上，根本無法滿足生產(chǎn)醫(yī)用導(dǎo)管、光導(dǎo)纖維等高精度制品的要求。這類高精密擠出設(shè)備目前主要依賴進(jìn)口。

　　高產(chǎn)擠出設(shè)備無論是在實(shí)際水平，還是加工水平上都與國外先進(jìn)水平存在15～20年的差距。在實(shí)時(shí)工藝參數(shù)和制品參數(shù)監(jiān)測(cè)，以及先進(jìn)控制技術(shù)的采用方面存在的差距也很大，先進(jìn)的高精度在線檢測(cè)儀器主要依賴進(jìn)口，國內(nèi)寥寥可數(shù)，且與國外產(chǎn)品的差距在10年以上。

　　◆ 設(shè)計(jì)水平和技術(shù)創(chuàng)新能力上的差距：國外先進(jìn)的塑料機(jī)械加工企業(yè)都有很強(qiáng)的設(shè)計(jì)和技術(shù)創(chuàng)新能力，如日本的Nissei公司設(shè)有五個(gè)技術(shù)研究中心，擁有376名注塑成型技術(shù)工程師，占員工總?cè)藬?shù)的46.1%，獲專利技術(shù)1470項(xiàng)。相比之下，國內(nèi)塑料機(jī)械企業(yè)中大學(xué)以上的專業(yè)技術(shù)人員不足10%，企業(yè)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)少，開發(fā)新產(chǎn)品一般以仿制為主，CAD、CAE、CAM應(yīng)用還處于初級(jí)階段，多數(shù)企業(yè)不具備實(shí)質(zhì)上的技術(shù)創(chuàng)新能力。

　　◆ 國內(nèi)外機(jī)電行業(yè)整體水平上的差距：國外塑料機(jī)械制造行業(yè)普遍采用CAD、CAE、CAM技術(shù)，以及高精密度的數(shù)控加工中心。近年來發(fā)展起來的高速銑床的主軸轉(zhuǎn)速高達(dá)40000～100000r/min，并可獲得Ra≤1mm的表面粗糙度;加工精度超過1mm的超精加工技術(shù)和集電、化學(xué)、超聲波、激光等技術(shù)綜合在一起的復(fù)合加工,將塑料機(jī)械的加工水平大大提升。國外螺桿端面跳動(dòng)誤差不大于0.01mm;螺桿外徑誤差可以控制在0.005mm以下;螺桿外表面和料筒內(nèi)表面的粗糙度Ra不大于0.2mm;注塑機(jī)模板的形位公差不大于±0.02mm/1000mm。國內(nèi)近年來從國外進(jìn)口了一些高精度的機(jī)加工裝備，但整體水平與國外先進(jìn)水平有很大的差距。

　　◆ 在線檢測(cè)和自動(dòng)控制水平上的差距：國外精密擠出裝備上普遍采用基于激光、光學(xué)、電磁、超聲波、感應(yīng)式、氣流感應(yīng)式等原理的測(cè)量裝置。前三種方法主要用于測(cè)量擠出物的外形尺寸，后四種用于測(cè)量產(chǎn)品的壁厚。激光測(cè)量儀經(jīng)常用于測(cè)量管材和包覆電纜的外徑，根據(jù)測(cè)量范圍的不同，分辨率為0.001～0.01 mm。在自動(dòng)控制方面，除了PLC控制以外，模糊控制技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)、統(tǒng)計(jì)過程控制技術(shù)等先進(jìn)控制技術(shù)在精密擠出裝備上發(fā)揮了舉足輕重的作用。而國內(nèi)的擠出裝備控制技術(shù)僅停留在初級(jí)PLC控制階段，多為開環(huán)控制或簡單的聯(lián)動(dòng)控制，由于缺少在線測(cè)量儀器和先進(jìn)的控制軟件，所以閉環(huán)控制很少采用。

　　精密擠出成型技術(shù)在塑料管材生產(chǎn)中的應(yīng)用

　　據(jù)有關(guān)部門預(yù)測(cè)，2005年我國塑料管材的產(chǎn)量將達(dá)到120萬噸，其中建筑內(nèi)給排水管材、室外給水管材、埋地排水管材、電工套管的用量占塑料管材的60%以上。目前，上述建筑用塑料管材中的絕大部分都是采用國產(chǎn)管材生產(chǎn)設(shè)備來生產(chǎn)。

　　塑料管材精密擠出系統(tǒng)的其特點(diǎn)是在普通管材擠出機(jī)組的基礎(chǔ)上增加了失重式計(jì)量料斗、熔體泵、管材壁厚在線測(cè)量儀等裝置，同時(shí)采用統(tǒng)計(jì)過程控制系統(tǒng)(SPC系統(tǒng))取代傳統(tǒng)的儀表控制系統(tǒng)或PLC控制系統(tǒng)?，F(xiàn)代精密擠出生產(chǎn)線的主機(jī)和牽引機(jī)還采用伺服電動(dòng)機(jī)取代直流電機(jī)和變頻調(diào)速電機(jī)，以實(shí)現(xiàn)真正的數(shù)字化控制。

　　精密擠出成型技術(shù)的應(yīng)用前景

　　擠出成型理論的發(fā)展使得人們能夠根據(jù)制品成型的要求，精密設(shè)計(jì)擠出成型工藝和擠出成型設(shè)備。以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定擠出為目的的新型擠出裝備的創(chuàng)新、現(xiàn)代機(jī)械加工技術(shù)水平的不斷提高、先進(jìn)控制技術(shù)的采用，為精密擠出技術(shù)的發(fā)展提供了極大的發(fā)展空間。而精密制品成型、功能性制品成型、反應(yīng)擠出制品成型的要求，以及雙向拉伸、功能梯度材料、微發(fā)泡制品成型工藝的要求，是精密擠出技術(shù)發(fā)展的強(qiáng)大動(dòng)力。精密擠出技術(shù)的發(fā)展，將對(duì)塑料加工業(yè)產(chǎn)生巨大的影響，應(yīng)用前景十分廣闊。

　　◆ 精密擠出成型將成為高附加值加工產(chǎn)業(yè)：在人們的概念中，擠出成型是高效、低附加值的塑料加工方法，但精密擠出成型技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用將改變這一狀態(tài)，在一些精密制品的成型加工中，可以帶來高附加值，甚至能夠起到點(diǎn)石成金的作用。以醫(yī)用塑料導(dǎo)管為例，國外一些公司已經(jīng)能夠生產(chǎn)透析管、人工血管、介入療法用支架等精密制品，這些制品的售價(jià)一般是其原材料價(jià)值的數(shù)百倍以上，有的超過一萬倍。

　　精密擠出裝備是生產(chǎn)精密擠出制品的必備條件，開發(fā)精密擠出成型裝備將為塑料機(jī)械廠家?guī)砭薮蟮纳虣C(jī)和豐厚的利潤。目前精密擠出成型裝備的價(jià)值是通用擠出成型裝備售價(jià)的5～10倍以上，我國精密擠出成型裝備還處在起步階段，發(fā)展空間很大。

　　◆ 用于精密反應(yīng)擠出成型和功能梯度高分子材料的加工：現(xiàn)代反應(yīng)擠出機(jī)除了塑化功能外，還具備化學(xué)反應(yīng)器的功能，物料在擠出機(jī)中可以完成本體聚合、化學(xué)接枝、鍵間共聚物的獲取、偶聯(lián)/交聯(lián)、可控降解、功能化和官能團(tuán)的改性、高分子合金的制備、納米/高聚物復(fù)合材料的制備等。反應(yīng)擠出過程需要嚴(yán)格控制反應(yīng)溫度、壓力、物料停留時(shí)間及其分布等過程參數(shù)，以及反應(yīng)物料與外界的熱量傳遞等，而普通擠出機(jī)往往是不能勝任的。精密擠出成型機(jī)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)擠出過程參數(shù)的精密控制，滿足不同反應(yīng)體系的要求。

　　自從1957年發(fā)現(xiàn)聚合物單晶，以及提出分子鏈折疊理論以來，聚合物的形態(tài)與微觀結(jié)構(gòu)引起人們的極大關(guān)注。伴隨著X射線衍射、電子顯微鏡、小角中子散射、新表面探針、原子力顯微鏡等先進(jìn)測(cè)試技術(shù)的應(yīng)用，人們對(duì)聚合物的結(jié)構(gòu)-形態(tài)-性能之間的認(rèn)識(shí)不斷深化。人們已經(jīng)能夠通過擠出成型過程剪切方向和強(qiáng)度的控制(或拉伸場(chǎng)的控制)，制備出單軸或雙軸取向結(jié)構(gòu)的自增強(qiáng)材料 ;通過冷卻工藝的控制，以及剪切、拉伸和振動(dòng)場(chǎng)的誘導(dǎo)，獲得不同的結(jié)晶結(jié)構(gòu)。通過成型加工過程的控制，獲得聚集態(tài)結(jié)構(gòu)按一定規(guī)律變化的功能梯度材料，實(shí)現(xiàn)力學(xué)、光學(xué)、電學(xué)等性能梯度分布的要求。上述聚集態(tài)結(jié)構(gòu)控制技術(shù)，均要求對(duì)擠出成型過程進(jìn)行精密控制，可以預(yù)期精密擠出成型技術(shù)將在功能梯度材料制備方面發(fā)揮重要的作用。