PVC木塑擠出技術
由于森林資源日益緊缺，國內外木塑制品的技術開發(fā)和應用發(fā)展迅速。木塑復合材料具有堅硬、強韌、持久、耐磨、尺寸穩(wěn)定等優(yōu)點。一般來說，木塑復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，可回收重復使用，且原料廉價豐富，在減少環(huán)境污染、保護森林資源、促進經濟發(fā)展方面都有良好的效益，受到了眾多研究者關注。此外，木塑復合材料還具有二次加工性，制作的各種產品外形美觀。是木材理想的替代品之一。
   國外對木塑復合材料早已開始研究，但高含量的術粉填充近兒年才有較大發(fā)展。如在日本有的“愛因木”；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；美國一些公司也正在積極開發(fā)和推廣這類產品。在國內，唐山塑料研究所、國防科技大學、廣東工業(yè)大學等曾在低含量木粉改性填充樹脂體系中進行過一些研究。北京化工大學也在進行木塑產品設備的開發(fā)。
   木塑復合材料擠出技術是在傳統(tǒng)塑料異型材配方的基礎上，加人木屑、刨花、邊角廢料及農作物纖維等填料，得到低成本的綠色材料，并設計出和該種配方相適應的模具，應用**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）／木粉復合材料的擠出技術。
1 實驗部分
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，經機械粉碎、研磨制得。PVC選擇K值為57～60（平均分子量650～750）的原料。另外還應加人發(fā)泡劑、偶聯(lián)劑、助發(fā)泡劑、增塑劑、成核劑、潤滑劑、著色劑、紫外線穩(wěn)定劑等助劑。
1.2 試樣制備
   試樣制備流程見圖1。[m]    擠出機各段溫度設置見表1。[m] 2 配方及工藝參數(shù)確定
2.1 配方確定
   配方設計的依據是制品的性能、原輔材料、成型工藝及其設備。這是一種復雜而繁瑣的工作，為了穩(wěn)妥起見，通常只是在原有成熟配方的基礎上根據經驗作些小改革，然后再通過試驗來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，加人木粉、發(fā)泡劑、助發(fā)泡劑、著色劑等，再根據正交試驗確定不同原輔材料的用量。
   木粉的加人一般會使材料的流動性能變差。隨著木粉含量的提高，塑化時間延長，流動性也會越來越低。若材料的流動性太差，木粉將受到較大的剪切作用力，增加在擠出機中的停留時間，使木粉容易燒焦，不利于擠出；反之，如果流動性過大，不能形成足夠的擠出壓力，也會造成制品的強度缺陷和表面缺陷。所以，在擠出過程中，體系的流變特性對加工過程和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復合材料的加工性能。[m]    由于試驗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，對潤滑劑、增塑劑、加工助劑等吸附量大。加工過程中雖能產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，這樣會使塑化時間增長，加工性能變差。zui終確定選擇木粉含量為30份。
   
   從固體輸送理論公式和粘性流體輸送理論公式可知生產能力與轉速成正比。
   提高轉速可以有效地增加擠出產量、降低成本和提高生產效率，是工業(yè)化生產的需要。但轉速的提高受到功率、塑化質量和擠出溫度的限制。從粘性流體輸送理論中的功率計算公式可知，隨著轉速的提高，功率消耗增加。
   試驗中還發(fā)現(xiàn)當螺桿轉速逐漸提高的過程中有如下現(xiàn)象：①螺桿轉速很小時，物料以層流向前推進，擠出物出口模后制品表面光滑，只是產量很低；②螺桿轉速增加，物料在口模中逐漸向滑流過渡，如果滑流不順利或受阻就會出現(xiàn)制品質量問題。所以隨著螺桿轉速的不斷提高，物料的受熱歷程縮短及其在口模中的融合效果變差而產生內應力，出口模后造成制品表面粗糙甚至破裂；其次，螺桿轉速的升高會使物料在擠出機內停留時間縮短，物料的混合質量有所降低，影響zui終產品的強度；再次，PVC和木粉都是熱敏性材料，過高的螺桿轉速容易導致物料的降解和糊化；zui后，針對木塑擠出模具，在口模的出口段設計一段冷卻板，若用較高的螺桿轉速時，物料來不及冷卻就被頂出來，這樣會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量，嚴重時造成制品不成型，使生產間斷，不能連續(xù)生產。因此，只有在滿足物料的擠出溫度、混合質量及生產線設計的經濟指標的前提下，才能zui大限度地提高轉速以提高生產率。zui終確定加料轉速為8.2 r/min;主機轉速為8.8 r/min。
2.3擠出溫度對擠出成型的影響
   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時間放置時變形，特別是在成型加工過程中水分的蒸發(fā)和木質素等成分的分解，在180℃以上時易發(fā)生“燒傷”而成褐色，使制品外觀不良、彎曲強度和沖擊強度下降。所以擠出機的溫度控制十分重要。  
   試驗發(fā)現(xiàn)，木塑復合體系的粘度對溫度非常敏感。隨著溫度的升高，復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℃的熔體粘度高一個數(shù)量級。從分子運動的角度來看，粘度與物料流動時分子的內摩擦擴散和取向等因素有關，當溫度升高時，分子鏈段的活動能力增加，體積膨脹，分子問的相互作用力減弱，流動性
增加，粘度降低。
   木塑復合材料在擠出加工過程中常受機筒溫度和口模溫度的影響。
   機筒溫度對復合材料的混煉塑化效果具有決定性的影響，而口模溫度則對擠出成型有重要的影響。由于擠出機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?shù)剡x擇擠出機各段溫度范圍。從固體輸送理論中摩擦系數(shù)的分析，并結合試驗體會可以發(fā)現(xiàn)，加料段溫度的高低會影響物料與機筒的摩擦系數(shù)的大小，摩擦系數(shù)隨加熱溫度的變化而變化。生產時，機筒與螺桿的溫度應根據不同的物料作相應的選擇和控制，保證物料與機筒有較大的摩擦力，以滿足固體輸送的需要。對塑化段而言，由于它是加料段向擠出段的過渡區(qū)，對生產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，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，一般根據不同的物料可選擇在其相應的粘流溫度與分解溫度之問的某一范圍內。
    口模溫度過高或過低都會造成熔體破裂。如果溫度過低，則會加大熔體與流道之間的摩擦作用，影響滑移，造成熔體破裂；還會增大木塑復合材料的粘度，造成流動困難，使流道壁面處的料流過早冷卻固化，不能充滿機頭流道，難以擠出成型；還會使物料塑化不良，不能充分包裹木粉，使制品的強度受到影響。若將溫度升高，則擠出制品的表面質量會有很大改善，物料通過過渡段進人定型段流道時呈熔融狀態(tài)。為保證擠出順利進行，機頭的溫度應分段控制，即溫度逐漸降低。
2.4 擠出壓力對擠出成型的影響
   擠出機的擠出壓力和溫度有密切的關系。擠出溫度高，機頭壓力低，使擠出的型材不密實，因此導致制品性能缺陷，破壞木粉作為填充劑的優(yōu)良性質，并且嚴重影響外觀。當機頭壓力較低時，制品表面出現(xiàn)條紋，并產生分段現(xiàn)象，擠出不成型，出現(xiàn)物料堆積現(xiàn)象，得不到連續(xù)的外觀質量好的制品，影響生產的連續(xù)性。在壓力許可范圍內，擠出壓力越高，擠出制品越密實，擠出質量就越好。對排氣擠出機而言，機頭壓力與第二計量段的充滿長度有關。該段充滿程度取決于供料量，當充滿長度超過排氣口時，擠出機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機頭流道，這種時快時慢的熔體流動造成了擠出成型制品中存在著一段一段的裂紋，嚴重影響了制品的物理力學性能。
   當機頭溫度下降時，機頭壓力升高，這時擠出物成型性較好，制品表面較光滑。但機頭壓力很大時，機頭擠出的物料得到很好的冷卻，制品較硬，后面還沒冷卻的物料較軟，頂不動前面的硬制品，導致物料大部分在排氣口溢出，使機頭處供料不均勻，擠出不穩(wěn)定，制品表面出現(xiàn)分段的條紋，影響制品外觀質量。
   所以，合理地增加擠出機的擠出壓力，使得熔融物料平穩(wěn)順利擠出，既可保證制品的外觀質量又可使制品致密、強度高。
3 模具設計
3.1 口模設計
   口模是和擠出機接口相連的部件，其主要作用是使熔融物料由旋轉運動變?yōu)橹本€運動，產生必耍的成型壓力，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、合流芯、機頭等模具人口部分不發(fā)泡，
在口模出口部分將機頭壓力緩慢釋放，出口模前在成核劑周圍形成均勻的微泡。
   異型材機頭的流道結構一般分為過渡段、分流段、壓縮段和定型段4個部分。
3.2 定型裝置設計
   定型裝置是用來將物料山高彈態(tài)按制品要求zui終成型到固態(tài)。應考慮到出口模后物料的溫度還很高，在定型模內發(fā)泡并未*停止，物料仍繼續(xù)膨脹；木塑復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的定型模，濕定型部分則是指水箱。
   型材通過定型模時是靠真空吸附使型材與定型模緊密接觸，冷卻水流經水孔帶走熱量，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大限度地對制品進行冷卻和定型。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)應用軟件。該系統(tǒng)共有12個模塊（包括三維流動、擠出機、型材模頭、型材冷卻等。）現(xiàn)利用異型材模頭系統(tǒng)分析口模設計方案。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計和分析，適用于PVC門框窗框型材?，F(xiàn)以口模出口處的斷面（圖4）進行分析，分析過程為：① 輸入。將斷面圖存為dxf格式并輸入；②有限元劃分。在編輯幾何圖形的環(huán)境下將斷面圖劃分成小單元，并自動生成網格；③計算。輸入材料、設備擠出量、擠出速度等參數(shù)，進行計算。計算結果見圖5。[m] 3.4 模具方案確定
   從圖5可看出，由于邊界效應，物料靠近模腔外壁和內壁的部分流速較慢，中心部分流速較快，在內筋與主壁的交匯處及拐角處物料流速也較快。
   從Flow2000的分析結果看，采用zui初的設計方案，料流基本均勻，能夠符合擠出要求，確定該方案為zui終方案。如在調試過程中制品仍有缺陷，可以在調試過程中予以修整。
4 結語
   擠出加工是改性塑料的重要成型方法之一，在擠出加工過程中必然要涉及到加工對象性能的問題。加工物料的性能不僅對制品的使用性能起著決定性的作用，而且對擠出質量、產量有極大的影響。因此，研究改性塑料的性能與擠出過程的關系有著重要的現(xiàn)實意義。木塑復合材料擠出技術的擠出過程是非常復雜的，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。木塑復合材料擠出技術的關鍵問題是：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界面結合力；②成型設備和成型工藝選擇③成型模具設計。木塑復合擠出技術是未來zui為重要的發(fā)展方向之一，其擠出產品具有很大的市場潛力，但在zui終生產出窗用型材之前，還需要很多人的辛勤工作