塑料擠出工藝溫度優化的思考和實踐

摘要：

塑料相關制品是人們日常生活不可缺少的合成材料之一，而想要生產出性能優良的塑料制品，不僅需要優質的原材料、先進的加工設備和優良的生產工藝，而且各項工藝參數的選用也非常關鍵。通常在將原料的物料化學性能轉移至塑料產品的過程中，為確保其盡可能不被損壞，在不同的生產階段都對物料的溫度有著較為嚴格的要求。因此，控制好擠出機料筒及機頭各段的溫度對于提高塑料產品的質量、保證產品性能具有積極的意義。基于此點，本文就塑料擠出工藝溫度優化的思考與實踐進行淺談。

關鍵詞：塑料；擠出機；溫度控制

一、塑料擠出工藝溫度控制的必要性

通常情況下，可擠出的塑料基本都屬于熱塑性塑料，在加熱的過程中塑料會熔化成為熔體，擠出后經過定型冷卻成為最終制品。塑料轉變為熔體時的熱量主要是由擠出機料筒或是機頭加熱器提供，在這一過程中，電機也會輸入能量，即電機帶動螺桿轉動時螺桿為了克服黏稠熔體的阻力而產生出來的摩擦熱量。根據有關試驗結果表明，熱塑性塑料的降解量與其自身受熱時間成正比。因而，為了進一步提高塑料的擠出質量，應采取有效地措施降低或消除熔體產生的熱降解，避免熔體在模頭中停留時間過長。熔體在模頭中的停留時間，除了與模頭本身的特定設計外，與熔體溫度的控制有很大的關系。

溫度可以影響塑料的熔融過程和熔體的流動性，對擠出溫度和擠出工藝制品的質量有著密切的關系。溫度過低，擠出口出料不暢，熔體失去光澤，并出現波紋、不規則皸裂等現象；另外溫度過低，使得熔融區延長，從均化段出來的熔體中仍夾雜著固態物料，這些未熔物料一起成型于制品上，其對制品的影響就不言而喻了。溫度過高，熔體的形狀穩定性差，收縮率增加，還有可能改變原料特性，導致成品報廢。

溫度控制的好壞直接決定了塑料制品的性能，其優化的意義可見一斑。

二、塑料擠出工藝溫度優化的有效途徑

（一）不同階段物料對溫度控制的要求

在塑料擠出工藝的溫控研究中，通常會將粒料在料筒當中的運動、性能、狀態這三者的變化分為以下三個階段進行研究。

1.物料輸送段（給料段）。粒料首先通過加料口進入到輸送段當中，該段基本的任務是開始將粒料壓實，并向前輸送。該段要產生足夠的推力，機械剪切并攪拌混合，如溫度過高，使塑料早期熔融，不但導致擠出過程中的分解，還會引起“打滑”，造成擠出壓力波動，并因過早熔融，而導致混合不充分，塑化不均勻。

2.壓縮熔融段。在該段中，螺桿螺槽的深度會變得越來越淺，而螺距也會隨之越變越小，物料逐漸被壓得很密實，同時，在料筒外熱和螺桿、料筒對物料的混合、剪切作用所產生的內摩擦熱的作用下，塑料的溫度不斷升高，，固體物料便會慢慢開始融化，在該段結束全部物料熔融并轉變為粘流態，但此時各點的溫度未達到完全統一。

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化段。該段的主要作用是接受熔融后的物料，并使其溫度、密實度、粘度、應力以及流速等趨于均勻，為物料順利從口模中擠出做準備。當熔融段的物料經過口模后，便會在牽引裝置的作用下通過定型裝置，最終獲得精確的截面尺寸和、形狀以及光滑的表面。

（二）溫度優化控制措施

1.給料段溫度控制。通常情況下，該段的顯示溫度僅表示電加熱器傳遞給螺筒的溫度，卻并不代表物料的實際溫度，物料溫度一般都要比這個溫度低很多。當物料剛進入到擠出機當中時，其溫度約為30°左右，而由螺桿產生出來的剪切熱遠遠沒有達到這一溫度。為了有效預防物料在加料口位置處形成架橋或是在機筒內形成粘壁等情況，溫度的設定值也不宜過高，應當盡量控制在顯示溫度為150℃以下為宜。需要闡明一點，給料段的溫度設定稍低一點時，如130℃左右，通常也可以生產出質量達標的型材，但是因為外熱供給的較少，則需要過多的剪切熱來提升熔體的溫度，這樣一來便會對螺筒造成一定的磨損，從而降低擠出機的使用壽命。

2.壓縮熔融段溫度控制。壓縮段是剪切作用相對較大的一個工作階段，當物料通過給料段進入該階段后，在螺桿的剪切作用下，其溫度會快速升高。所以，在這一階段應當設定在比給料段高20-40℃的溫度，這樣有助于加快物料的流動性，并降低物料的粘度，可以顯著降低剪切熱對物料造成的危害。

3.均化段溫度控制。當物料進入到熔融段以后基本都處于完全融化的狀態，此時由于螺槽容積發生變化，從而會導致熔壓急劇下降。因此，該階段的溫度也應當盡可能設定的高一些，與壓縮段保持一致或略高10-20℃，這樣有利于避免熔體溫度降低影響擠出質量。

5.口模溫度控制。設定口模溫度最主要的作用是為物料成型以及調整流速和壁厚提供服務。當熔體進入到口模之后，已經形成薄壁熔體，所以僅僅憑借外加熱便可以將熔體的溫度均勻提升至最佳的塑化溫度。需要注意的是當型材塑化不良時，不可僅憑提高口模溫度來進行調整，這種做法是不可取的，因為過度提高口模溫度會使熔體從口模當中被擠出，從而發生不均勻膨脹。

（三）利用擠出機溫控系統對工藝溫度進行優化

1.系統硬件。①溫度控制器。在擠出機溫控系統中，溫度控制器的選擇是最為重要的環節之一，其直接關系整個系統的控制效果。目前，較為常用的溫度控制器主要有工業控制計算機、專用溫控儀以及PLC等。本系統選用PLC控制器，其優點如下：可靠性高、抗干擾能力強、功能完善、組合靈活、編程簡單易行、安裝維護方便。按照塑料擠出工藝的要求，溫控系統設計為八回路溫度控制，其中四路用于對料筒加熱的控制，另外四路則用于機頭加熱的控制。②加熱執行器。較為常用的加熱驅動器有固態繼電器、接觸器和可控硅等等。由于本系統選用的溫度控制器的輸出為數字量，所以驅動控制器需要選擇與之相匹配的，本著經濟性的設計原則，決定選用接觸器作為驅動控制器件。

2.溫控方案。采用斷序PID調溫原理，即在一個采樣周期內，熱電偶輸出的信號經模擬量輸入到數字量輸出模塊，然后由CPU進行讀取，并與設定值進行比較，按照偏差的大小及PID參數進行運算，再將運算結果轉化為占空比，以此來獲得繼電器在該周期內的導通時間，通過對導通時間的控制便可以控制加熱器的加熱功率，進而達到優化調節溫度的目的。

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