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      PVC木塑擠出生產(chǎn)技術(shù)由于森林資源日益緊缺，國(guó)內(nèi)外木塑制品的技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用發(fā)展迅速。木塑復(fù)合材料具有堅(jiān)硬、強(qiáng)韌、持久、耐磨、尺寸穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。一般來(lái)說(shuō)，木塑復(fù)合材料的硬度較未處理的木材高出2～8倍，耐磨性高出4～5倍，各種添加劑的應(yīng)用還賦予其許多特殊的性能。它還是一種環(huán)保材料，可回收重復(fù)使用，且原料廉價(jià)豐富，在減少環(huán)境污染、保護(hù)森林資源、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展方面都有良好的效益，受到了眾多研究者關(guān)注。此外，木塑復(fù)合材料還具有二次加工性，制作的各種產(chǎn)品外形美觀。是木材理想的替代品之一。

      國(guó)外對(duì)木塑復(fù)合材料早已開始研究，但高含量的術(shù)粉填充近兒年才有較大發(fā)展。如在日本有著名的“愛(ài)因木”；奧地利辛辛那提公司及PPT模具公司開發(fā)出了各種木塑板材制品；美國(guó)一些公司也正在積極開發(fā)和推廣這類產(chǎn)品。在國(guó)內(nèi)，唐山塑料研究所、國(guó)防科技大學(xué)、廣東工業(yè)大學(xué)等曾在低含量木粉改性填充樹脂體系中進(jìn)行過(guò)一些研究。北京化工大學(xué)也在進(jìn)行木塑產(chǎn)品設(shè)備的開發(fā)。

      木塑復(fù)合材料擠出技術(shù)是在傳統(tǒng)塑料異型材配方的基礎(chǔ)上，加人木屑、刨花、邊角廢料及農(nóng)作物纖維等填料，得到低成本的綠色材料，并設(shè)計(jì)出和該種配方相適應(yīng)的模具，應(yīng)用**的擠出加工方法制成木塑制品。在此筆者探討了聚氯乙烯（PVC）／木粉復(fù)合材料的擠出技術(shù)。

      PVC木塑擠出實(shí)驗(yàn)1 實(shí)驗(yàn)部分1.1 原料選擇木粉主要是使用木制品加工行業(yè)的邊角余料和木屑，經(jīng)機(jī)械粉碎、研磨制得。PVC選擇K值為57～60（平均分子量650～750）的原料。另外還應(yīng)加人發(fā)泡劑、偶聯(lián)劑、助發(fā)泡劑、增塑劑、成核劑、潤(rùn)滑劑、著色劑、紫外線穩(wěn)定劑等助劑。

      1.2 試樣制備試樣制備流程見(jiàn)圖1.[m] 擠出機(jī)各段溫度設(shè)置見(jiàn)表1.[m] 2 配方及工藝參數(shù)確定2.1 配方確定配方設(shè)計(jì)的依據(jù)是制品的性能、原輔材料、成型工藝及其設(shè)備。這是一種復(fù)雜而繁瑣的工作，為了穩(wěn)妥起見(jiàn)，通常只是在原有成熟配方的基礎(chǔ)上根據(jù)經(jīng)驗(yàn)作些小改革，然后再通過(guò)試驗(yàn)來(lái)確定其中符合要求的*方案。筆者是以普通PVC門窗異型材的配方為基礎(chǔ)，加人木粉、發(fā)泡劑、助發(fā)泡劑、著色劑等，再根據(jù)正交試驗(yàn)確定不同原輔材料的用量。

      木粉的加人一般會(huì)使材料的流動(dòng)性能變差。隨著木粉含量的提高，塑化時(shí)間延長(zhǎng)，流動(dòng)性也會(huì)越來(lái)越低。若材料的流動(dòng)性太差，木粉將受到較大的剪切作用力，增加在擠出機(jī)中的停留時(shí)間，使木粉容易燒焦，不利于擠出；反之，如果流動(dòng)性過(guò)大，不能形成足夠的擠出壓力，也會(huì)造成制品的強(qiáng)度缺陷和表面缺陷。所以，在擠出過(guò)程中，體系的流變特性對(duì)加工過(guò)程和zui終制品的各種性能都有較大的影響。表2示出不同木粉含量時(shí)復(fù)合材料的加工性能。[m] 由于試驗(yàn)所使用的木粉粒徑較大、密度小，隨著填充量的增加，木粉填料在體系中所占體積比增大，對(duì)潤(rùn)滑劑、增塑劑、加工助劑等吸附量大。加工過(guò)程中雖能產(chǎn)生較大的摩擦熱使塑化速度加快，但不足以抵消由于增塑劑、加工助劑等被吸附而使塑化速度減慢致使塑化時(shí)間增加的影響，從而使PVC的塑化延遲。而木粉含量越大，吸收的加工助劑越多，這樣會(huì)使塑化時(shí)間增長(zhǎng)，加工性能變差。zui終確定選擇木粉含量為30份。

      其它原料用量為PVC 100份、三鹽基性鉛3份、二鹽基性鉛1.5份、硬脂酸鉛0.5份、硬脂酸鈣0.4份、硬脂酸0.8份、聚乙烯蠟。。3份、丙烯酸酷類共聚物5份、氯化聚乙烯6份、CaCO30份、AC發(fā)泡劑0.9份、ACR-530 5份、鐵黃0.31份、鐵棕0.15份。

      2.2 螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)擠出成型的影響從固體輸送理論公式和粘性流體輸送理論公式可知生產(chǎn)能力與轉(zhuǎn)速成正比。

      提高轉(zhuǎn)速可以有效地增加擠出產(chǎn)量、降低成本和提高生產(chǎn)效率，是工業(yè)化生產(chǎn)的需要。但轉(zhuǎn)速的提高受到功率、塑化質(zhì)量和擠出溫度的限制。從粘性流體輸送理論中的功率計(jì)算公式可知，隨著轉(zhuǎn)速的提高，功率消耗增加。

      試驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速逐漸提高的過(guò)程中有如下現(xiàn)象：①螺桿轉(zhuǎn)速很小時(shí)，物料以層流向前推進(jìn)，擠出物出口模后制品表面光滑，只是產(chǎn)量很低；②螺桿轉(zhuǎn)速增加，物料在口模中逐漸向滑流過(guò)渡，如果滑流不順利或受阻就會(huì)出現(xiàn)制品質(zhì)量問(wèn)題。所以隨著螺桿轉(zhuǎn)速的不斷提高，物料的受熱歷程縮短及其在口模中的融合效果變差而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，出口模后造成制品表面粗糙甚至破裂；其次，螺桿轉(zhuǎn)速的升高會(huì)使物料在擠出機(jī)內(nèi)停留時(shí)間縮短，物料的混合質(zhì)量有所降低，影響zui終產(chǎn)品的強(qiáng)度；再次，PVC和木粉都是熱敏性材料，過(guò)高的螺桿轉(zhuǎn)速容易導(dǎo)致物料的降解和糊化；zui后，針對(duì)木塑擠出模具，在口模的出口段設(shè)計(jì)一段冷卻板，若用較高的螺桿轉(zhuǎn)速時(shí)，物料來(lái)不及冷卻就被頂出來(lái)，這樣會(huì)使制品冷卻不均勻造成制品表面出現(xiàn)波紋，影響制品外觀和擠出成型的質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)造成制品不成型，使生產(chǎn)間斷，不能連續(xù)生產(chǎn)。因此，只有在滿足物料的擠出溫度、混合質(zhì)量及生產(chǎn)線設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的前提下，才能zui大限度地提高轉(zhuǎn)速以提高生產(chǎn)率。zui終確定加料轉(zhuǎn)速為8.2 r/min；主機(jī)轉(zhuǎn)速為8.8 r/min.2.3擠出溫度對(duì)擠出成型的影響由于木粉的吸水率高，一般含水率在40%a以上，這容易使材料在受熱或長(zhǎng)時(shí)間放置時(shí)變形，特別是在成型加工過(guò)程中水分的蒸發(fā)和木質(zhì)素等成分的分解，在180℃以上時(shí)易發(fā)生“燒傷”而成褐色，使制品外觀不良、彎曲強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度下降。所以擠出機(jī)的溫度控制十分重要。

      試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，木塑復(fù)合體系的粘度對(duì)溫度非常敏感。隨著溫度的升高，復(fù)合體系的熔體表觀粘度大為降低。在同一剪切速率下，160℃的熔體粘度要比200℃的熔體粘度高一個(gè)數(shù)量級(jí)。從分子運(yùn)動(dòng)的角度來(lái)看，粘度與物料流動(dòng)時(shí)分子的內(nèi)摩擦擴(kuò)散和取向等因素有關(guān)，當(dāng)溫度升高時(shí)，分子鏈段的活動(dòng)能力增加，體積膨脹，分子問(wèn)的相互作用力減弱，流動(dòng)性增加，粘度降低。

      木塑復(fù)合材料在擠出加工過(guò)程中常受機(jī)筒溫度和口模溫度的影響。

      機(jī)筒溫度對(duì)復(fù)合材料的混煉塑化效果具有決定性的影響，而口模溫度則對(duì)擠出成型有重要的影響。由于擠出機(jī)各段職能及粘流狀態(tài)不同，片面地采用全冷卻或全加熱的方式都是不適宜的，必須適當(dāng)?shù)剡x擇擠出機(jī)各段溫度范圍。從固體輸送理論中摩擦系數(shù)的分析，并結(jié)合試驗(yàn)體會(huì)可以發(fā)現(xiàn)，加料段溫度的高低會(huì)影響物料與機(jī)筒的摩擦系數(shù)的大小，摩擦系數(shù)隨加熱溫度的變化而變化。生產(chǎn)時(shí)，機(jī)筒與螺桿的溫度應(yīng)根據(jù)不同的物料作相應(yīng)的選擇和控制，保證物料與機(jī)筒有較大的摩擦力，以滿足固體輸送的需要。對(duì)塑化段而言，由于它是加料段向擠出段的過(guò)渡區(qū)，對(duì)生產(chǎn)能力的影響不十分明顯，但由于此段是起塑化作用的，它的加熱溫度必須保持在物料的粘流溫度范圍內(nèi)，以保證滿足塑化溫度及擠出段起始溫度的要求。擠出段的溫度受到前兩段溫度的影響，一般根據(jù)不同的物料可選擇在其相應(yīng)的粘流溫度與分解溫度之問(wèn)的某一范圍內(nèi)。

      口模溫度過(guò)高或過(guò)低都會(huì)造成熔體破裂。如果溫度過(guò)低，則會(huì)加大熔體與流道之間的摩擦作用，影響滑移，造成熔體破裂；還會(huì)增大木塑復(fù)合材料的粘度，造成流動(dòng)困難，使流道壁面處的料流過(guò)早冷卻固化，不能充滿機(jī)頭流道，難以擠出成型；還會(huì)使物料塑化不良，不能充分包裹木粉，使制品的強(qiáng)度受到影響。若將溫度升高，則擠出制品的表面質(zhì)量會(huì)有很大改善，物料通過(guò)過(guò)渡段進(jìn)人定型段流道時(shí)呈熔融狀態(tài)。為保證擠出順利進(jìn)行，機(jī)頭的溫度應(yīng)分段控制，即溫度逐漸降低。

      2.4 擠出壓力對(duì)擠出成型的影響擠出機(jī)的擠出壓力和溫度有密切的關(guān)系。擠出溫度高，機(jī)頭壓力低，使擠出的型材不密實(shí)，因此導(dǎo)致制品性能缺陷，破壞木粉作為填充劑的優(yōu)良性質(zhì)，并且嚴(yán)重影響外觀。當(dāng)機(jī)頭壓力較低時(shí)，制品表面出現(xiàn)條紋，并產(chǎn)生分段現(xiàn)象，擠出不成型，出現(xiàn)物料堆積現(xiàn)象，得不到連續(xù)的外觀質(zhì)量好的制品，影響生產(chǎn)的連續(xù)性。在壓力許可范圍內(nèi)，擠出壓力越高，擠出制品越密實(shí)，擠出品質(zhì)就越好。對(duì)排氣擠出機(jī)而言，機(jī)頭壓力與第二計(jì)量段的充滿長(zhǎng)度有關(guān)。該段充滿程度取決于供料量，當(dāng)充滿長(zhǎng)度超過(guò)排氣口時(shí)，擠出機(jī)的螺桿扭矩上升并且從排氣口冒料，影響擠出的穩(wěn)定，則擠出制品出現(xiàn)“波紋狀”，即不穩(wěn)定的壓力使物料不能均勻地流過(guò)機(jī)頭流道，這種時(shí)快時(shí)慢的熔體流動(dòng)造成了擠出成型制品中存在著一段一段的裂紋，嚴(yán)重影響了制品的物理力學(xué)性能。

      當(dāng)機(jī)頭溫度下降時(shí)，機(jī)頭壓力升高，這時(shí)擠出物成型性較好，制品表面較光滑。但機(jī)頭壓力很大時(shí)，機(jī)頭擠出的物料得到很好的冷卻，制品較硬，后面還沒(méi)冷卻的物料較軟，頂不動(dòng)前面的硬制品，導(dǎo)致物料大部分在排氣口溢出，使機(jī)頭處供料不均勻，擠出不穩(wěn)定，制品表面出現(xiàn)分段的條紋，影響制品外觀質(zhì)量。

      所以，合理地增加擠出機(jī)的擠出壓力，使得熔融物料平穩(wěn)順利擠出，既可保證制品的外觀質(zhì)量又可使制品致密、強(qiáng)度高。

      3 模具設(shè)計(jì)3.1 口模設(shè)計(jì)口模是和擠出機(jī)接口相連的部件，其主要作用是使熔融物料由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生必耍的成型壓力，成型出所需截面形狀的塑料制品。木塑復(fù)合材料模具除以上作用外，還必須在模具的平直段以前給熔融物料提供足夠的壓力，以保證物料在擠出機(jī)、合流芯、機(jī)頭等模具人口部分不發(fā)泡，在口模出口部分將機(jī)頭壓力緩慢釋放，出口模前在成核劑周圍形成均勻的微泡。

      異型材機(jī)頭的流道結(jié)構(gòu)一般分為過(guò)渡段、分流段、壓縮段和定型段4個(gè)部分。

      3.2 定型裝置設(shè)計(jì)定型裝置是用來(lái)將物料山高彈態(tài)按制品要求zui終成型到固態(tài)。應(yīng)考慮到出口模后物料的溫度還很高，在定型模內(nèi)發(fā)泡并未*停止，物料仍繼續(xù)膨脹；木塑復(fù)合材料冷卻收縮率較差，后期收縮較大。

      定型裝置分為干濕定型兩部分。其中干定型部分即通常所說(shuō)的定型模，濕定型部分則是指水箱。

      型材通過(guò)定型模時(shí)是靠真空吸附使型材與定型模緊密接觸，冷卻水流經(jīng)水孔帶走熱量，與型材完成熱交換，使型材冷卻，但是型材本身不與水接觸。濕定型部分采用浸浴式真空渦流水箱，zui大限度地對(duì)制品進(jìn)行冷卻和定型。圖2、圖3分別為定型模和水箱的總裝圖。[m] 3:3 軟件分析Flow2000是Compu Plast公司專為塑料擠出工業(yè)開發(fā)的工業(yè)應(yīng)用軟件。該系統(tǒng)共有12個(gè)模塊（包括三維流動(dòng)、擠出機(jī)、型材模頭、型材冷卻等。）現(xiàn)利用異型材模頭系統(tǒng)分析口模設(shè)計(jì)方案。異型材口模系統(tǒng)是基于有限元方法的任意形狀異型材模頭的設(shè)計(jì)和分析，適用于PVC門框窗框型材?，F(xiàn)以口模出口處的斷面（圖4）進(jìn)行分析，分析過(guò)程為：① 輸入。將斷面圖存為dxf格式并輸入；②有限元?jiǎng)澐帧Ｔ诰庉嫀缀螆D形的環(huán)境下將斷面圖劃分成小單元，并自動(dòng)生成網(wǎng)格；③計(jì)算。輸入材料、設(shè)備擠出量、擠出速度等參數(shù)，進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖5.[m] 3.4 模具方案確定從圖5可看出，由于邊界效應(yīng)，物料靠近模腔外壁和內(nèi)壁的部分流速較慢，中心部分流速較快，在內(nèi)筋與主壁的交匯處及拐角處物料流速也較快。

      從Flow2000的分析結(jié)果看，采用zui初的設(shè)計(jì)方案，料流基本均勻，能夠符合擠出要求，確定該方案為zui終方案。如在調(diào)試過(guò)程中制品仍有缺陷，可以在調(diào)試過(guò)程中予以修整。

      4 結(jié)語(yǔ)擠出加工是改性塑料的重要成型方法之一，在擠出加工過(guò)程中必然要涉及到加工對(duì)象性能的問(wèn)題。加工物料的性能不僅對(duì)制品的使用性能起著決定性的作用，而且對(duì)擠出質(zhì)量、產(chǎn)量有*的影響。因此，研究改性塑料的性能與擠出過(guò)程的關(guān)系有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。木塑復(fù)合材料擠出技術(shù)的擠出過(guò)程是非常復(fù)雜的，影響因素很多，工藝、配方和模具的綜合作用造成了變量之間的不確定性。木塑復(fù)合材料擠出技術(shù)的關(guān)鍵問(wèn)題是：①原材料選擇（如木粉的品種）及如何提高塑料基體與木粉之間的接口結(jié)合力；②成型設(shè)備和成型工藝選擇③成型模具設(shè)計(jì)。木塑復(fù)合擠出技術(shù)是未來(lái)zui為重要的發(fā)展方向之一，其擠出產(chǎn)品具有很大的市場(chǎng)潛力，但在zui終生產(chǎn)出窗用型材之前，還需要很多人的辛勤工作。