2 实用挤出工艺及要求

本章简要介绍了螺杆挤出机的常见应用。本章还试图解释为什么这些应用的要求不同，至少在程度上不同，以便在第二章中将第 5-10 章中的一般理论应用到实践中时，清楚为什么不同的材料、工艺和产品可能需要不同的操作和控制策略。这些要求必须以定性的方式陈述，用户无疑可以举出实践中与本文陈述相矛盾的例子。作者希望后面几章的推导能对大多数情况有所帮助，并在其余情况下提供基于合理分析的正确方法和标准指南。

单螺杆挤出机主要是一种阻力泵，适用于处理高粘度流体，并能在加工热塑性高分子聚合物所需的高压和高温条件下工作。如第 6.2 节所述，阻力机制导致的输出或多或少会受到背压的影响，第 8.5 节表明这也会导致能量平衡的变化，因此变量之间的相互依存关系是性能的一个重要方面。通常的螺杆长径比20 或更大，螺距与螺杆直径相近，这样就形成了一个细长的机器，可以保持和控制较大的纵向温度梯度，并且有相当长的停留时间，可以进行一定程度的端对端混合。除了这种分布式混合外，高剪切应力（尤其是在螺杆顶端）还能提供一定程度的分散混合，以破碎固体团块（如颜料）。正如第 6.2 节所述，在相对狭窄的通道内的复杂流动会导致侧向混合以及成分和温度的均匀性。巧合的是，单螺杆也是一种有效的固体颗粒输送机，其输送量与熔体部分所需的输送量相近，因此通常只需重力进料即可。

阻力机制也会对泵送的粘性材料造成内部剪切，从而导致额外的能耗和聚合物的温升。单螺杆挤出机可用作高粘度材料的连续搅拌反应器，如聚合和有意降解，但不同粘度的组分和产品可能会导致滑移和泵送问题。前面提到的端对端混合也可能导致停留时间分布过宽，这在化学反应中是不可取的。

相比之下，双螺杆挤出机（第 10 章）的停留时间分布要窄得多，对滑移的敏感性也较低，因此更适合反应过程和不同粘度的情况。双螺杆挤出机更接近于正排量作用，在输出和能量平衡方面基本不受背压的影响。与单螺杆挤出机不同，在双螺杆挤出机中，分配性和分散性混合主要是在不同的间隙中进行的。螺杆通道中的内部剪切也较少，从而降低了机械功率输入，聚合物通过机筒壁的热传导而熔化。

挤出机还具有许多其他功能，这些功能或主要或附带地用于各种专门用途。挤出机基本上适用于连续操作，但在许多吹塑机和大多数注塑机中被广泛用于间歇操作。在这种模式下，挤出机的性能出奇地好，但必须考虑到本手册所介绍的因素之外的其他因素；前者不易用分析方法表示。挤出机还具有许多其他功能，这些功能主要或附带地用于各种专门用途。挤出机基本上适用于连续操作，但在许多吹塑机和大多数注塑机中，它被广泛用于间歇操作。在这种模式下，挤出机的性能出奇地好，但必须考虑到本手册所介绍的因素之外的其他因素；前者不易用分析方法表示。

表 2.1 用于挤出的热塑性塑料

简称	中文	英文
非结晶塑料：
ABS	丙烯腈-丁二烯-苯乙烯	acrylonitrile-butadiene-styrene
PMMA	聚甲基丙烯酸甲酯	polymethylmethacrylate
CAB	醋酸丁酸纤维素	cellulose acetate butyrate
PC	聚碳酸酯	polycarbonate
PS	聚苯乙烯	polystyrene
PVAC	聚醋酸乙烯酯	polyvinyl acetate
PVAL	聚乙烯醇	polyvinyl alcohol
SAN	苯乙烯-丙烯腈	styrene-acrylonitrile
UPVC	未增塑（硬质）聚氯乙烯	unplasticized (rigid) polyvinyl chloride
PPVC	增塑（软质）聚氯乙烯	plasticized (flexible) polyvinyl chloride
PPVC	高抗冲聚苯乙烯（橡胶增韧）	high impact polystyrene (rubber-toughened)
半结晶性塑料：
POM	聚甲醛（聚缩醛）	polyformaldehyde (polyacetal)
EVAC	乙烯醋酸乙烯酯共聚物	ethylene vinyl acetate copolymer
PA	聚甲醛（聚缩醛）	polyamide (nylon)
PETP	聚对苯二甲酸乙二醇酯（饱和聚酯）	polyethylene terephthalate (saturated polyester)
PBTP	聚对苯二甲酸乙二醇酯（饱和聚酯）	polybutylene terephthalate
LDPE	低密度聚乙烯	low density polyethylene
LLDPE	线性低密度聚乙烯	linear low density polyethylene
HDPE	高密度聚乙烯	high density polyethylene
HDPE	高密度聚乙烯	high density polyethylene
PP	聚丙烯（均聚物和共聚物）	polypropylene (homo- and copolymers)
PEEK	聚醚醚酮	polyether ether ketone
PTFE	聚四氟乙烯（仅限冲压挤出）	polytetrafluoroethylene (ram extrusion only)

因此，螺杆挤出机非常适合将各种合成热塑性聚合物连续加工成各种成品或半成品。表 2.1 列出了用于挤出的主要热塑性塑料以及标准缩写。大量的 “特种 “聚合物是为特定用途而挤出的；其中包括一些含氟聚合物，但聚四氟乙烯通常不被挤出，因为在高温下会发生体积变化和分解，而在低温下会产生极高的粘度。此外，许多生橡胶和未硫化橡胶也在螺杆挤出机上加工，在特殊情况下，如注塑和团状模塑，酚醛和聚酯热固性聚合物的线性预聚物也能成功加工。真正的热塑性塑料通常是与稳定剂、填料、增塑剂、颜料、加工润滑剂、阻燃剂等预先混合加工而成，或者在挤出机中加入这些添加剂作为成型工艺的一部分。如果需要最终交联形式（如辐射 HDPE），通常是在挤出操作之后进行。橡胶和热固性塑料通常与交联（硫化）剂以及填料、颜料等预先混合，以便在挤出机中加热，开始交联反应；然后是控制温度、停留时间等，使材料在挤出机和模头中保持足够的热塑性，同时在后续操作中完成交联。