复合材料的挤出成型
摘要：简单的回顾了挤出成型的机械设备，成型基本工艺，并以木塑复合材料和聚丙烯／纳米复合材料为例，介绍了复合材料的挤出工艺及挤出不同复合材料的不同之处。

关键词：挤出成型木塑材料超声混合
1.序言
挤出成型是使高聚物的熔体（或黏性流体）在挤出机的螺杆或柱塞的挤压作用下通过一定形状的口模而连续成型，所得的制品为具有恒定断面形状的连续型材。

挤出成型，尤其在塑料制品的成型加工中运用广泛。

采用挤出成型，可以制备塑料管材，板材，片材，棒材，薄膜，以及塑料的共混改性。

其技术较为成熟，应用广泛，在日常生活中发挥了非常大的作用。

并且，随着技术的进步，挤出成型制品的种类不断增长，新的工艺也展露头角，这一经典的成型技术正呈现出光明的发展前景。

如今，复合材料正欣欣向荣的发展，挤出成型用之于复合材料也必是一大发展的热点。

2.基础理论和基础知识
2.1挤出成型的设备
成型加工中，其设备包括了挤出机，机头口模以及冷却定型，牵引，切割，卷曲等附属设备。

而其中，最为重要的当然是挤出机。

挤出机大致分为螺杆式挤出机以及柱塞式挤出机。

其中，柱塞式挤出机由于生产非连续，且对物料的混合分散作用较差，所以生产上使用并不多。

而螺杆式挤出机，则由于能较好的给予物料剪切力，塑化能力高，而得到了广泛的运用。

对于螺杆挤出机，又可以细分为单螺杆挤出机，双螺杆挤出机以及多螺杆挤出机。

其中单螺杆挤出机设计简单，制造容易，价格便宜，通常都能有效的完成成型任务而得到广泛的应用。

双螺杆挤出机混炼效果更佳，能用于粉料的加工；而行星挤出机和四螺杆挤出机则大幅
度增加了螺杆对物料的捏合，挤
压和剪切，生产效率极高。

不过
综合其性能和价格，大多情况下
是使用单螺杆挤出机。

2.2挤出机基本结构和作用
螺杆式挤出机包括以下几个部分：加料装置，料筒，螺杆，机头和口模，其中螺杆是挤出机的核心。

2.2.1螺杆的结构和几何参数
螺杆是一根笔直的有螺纹的金属圆棒，其表面光洁，并具有很高的硬度。

其几何参数包括螺杆直径，长径比，压缩比，螺槽深度，螺旋角等等。

其中螺杆直径增大，挤出机生产能力提高；长径比越大，混合均匀塑化更好；压缩比大，制品密度高；螺槽深度小，剪切力大塑化好。

2.2.2螺杆的作用
螺杆主要起到3个作用，分别为输送物料，传热塑化物料以及混合均化物料。

这三种作用分别体现在螺杆的三段中，分别为
加料段，压缩段和均化段。

加料段对料斗送来的
物料进行加热同时输送到压缩段；压缩段对加料
段送来的料起挤压和剪切作用，同时使物料继续
受热，由固体逐渐转变为熔融体，赶走塑料中的
空气及其他挥发成分，增大塑料的密度，其中对
于非晶聚合物宜用渐变螺杆，对于晶态聚合物宜
用突变螺杆；而均化段则是将塑化均匀的物料在
均化段螺槽和机头回压作用下进一步搅拌塑化均匀，并定量定压的通过机头口模成型。

2.3挤出工艺流程
对原料进行准备和一定的预处理；然后进入挤出机，控制好各种工艺参数，进行挤出成型；对成品进行定型与冷却；通过牵引，卷曲或者切割进行收集；辅之以后处理即可得完整的制品了。

其中，挤出步骤是重中之重。

在复合材料成型中，两种或以上的原料要有良好的结合，相互间的分散和作用力是非常重要的。

而这体现在原料的预处理和挤出中。

3.复合材料的挤出实例
3.1木塑复合材料的挤出成型
木塑复合材料(WPC)一般是指木质填料／热塑性塑料复合材料。

WPC比相应的塑料具有更好的拉伸强度、模量、硬度、弯曲性能和耐蠕变性能，更自然的外观，比木材具有更好的尺寸稳定性、耐水性、可维护性和加工性能，有一定的生物降解性和可回收性，环保性较好；可大量利用废旧塑料和木粉、秸杆、稻糠等农、林业的废弃物，成本低廉。

这种复合材料在很早以前就得以生产和运用，当前人们正对这种材料进行进一步的优化和发展。

3.1.1挤出成型工艺
原料的预处理：对于木粉，首先进行研磨和粉碎，满足挤出机的要求；其二木粉是易吸湿、受潮的材料，水分的存在会导致WPC在挤出过程中内部出现泡孔、表面出现水迹、生成不稳定的分解产物，使材料表面性能和力学性能劣化。

因此，WPC在挤出成型前，木粉必须进行干燥处理。

（木粉一般在100℃左右鼓风干燥数小时即可达到成型要求。

）；其三，木粉表面还有极性官能团而热塑性塑料常为非极性的，需要进行表面改性，如进行酯化，醚化以达到良好的表面相容性；进行偶联剂处理，使材料与材料之间有良好的结合性，偶联可以再熔融复合时加入，也可以在预处理时加入，通常在挤出前就加入了（在高速混合机中进行）。

挤出成型：可以选用锥形双螺杆挤出机（低速低能耗）。

其加料段直径较大，可以对物料连续地进行压缩，尤其有利于像堆积密度低和比较蓬松的木粉，尅缩短物料在机筒内的停留时间，可实现木料的高添加量。

且剪切发热小，适宜加工低温挤出的制品，尤其有利于热敏性的木塑复合材料。

将木质纤维原料预处理后，加入助剂预混合，混炼造粒得到木塑颗粒。

将木塑颗粒干燥，加入挤出机中，挤出成型，经过定型和冷却后，牵引切割得到木塑制品。

虽然分为了两步，但是也因此具有了一定的灵活性。

参数控制：螺杆转速较慢，从而抑制热敏性的木粉和热塑性材料的降解；加料中，由于木质结构蓬松，可能会发生架桥，故采用强制加料装置，以保证挤出的稳定；而温度也需特别控制，过低树脂无法包裹木粉而过高则会发生降解。

从本例子中可以看出，复合材料中非常简单的一种木塑复合材料，在挤出时特别需要关注到原料相互之间的结合性。

而这种结合性主要体现在原料的预处理上；第二，复合材料的挤出时，要特别关注填充材料的性质，从而选取合理的挤出机和挤出时的工艺参数，如木塑材料中选用低速大容量的锥形双螺杆挤出机，严格控制温度和转速等。

3.2纳米复合材料的挤出成型
聚合物纳米复合材料是指分散相尺度至少有一维小于100nm数量级的聚合物基复合材料。

聚合物基纳米复合材料在通用大品种塑料的工程化、高性能化和工程塑料的功能化方面的有着重要作用，存在巨大的潜在市场。

比如聚丙烯／纳米复合材料的超声挤出
3.2.1挤出工艺
将超声发生器与单螺杆挤出机相结合，在挤出机口模处加上超声装置，达到纳米粒子的混合。

PP基体和纳米粒子首先通过双螺杆挤出机预混，制得粒料（双螺杆三段温度分别为185、195、195"C）。

然后通过本超声一挤出一体化装置制得聚丙烯纳米复合材料（单螺杆三段温度分别为100、195、200℃，螺杆转速16rpm）
从本例子中可以看出，对于纳米复合材料的成型，尤其要注意到粒子的分散性。

通过引入超声波，从而能够使纳米粒子分散为小颗粒，并且可以直接连续挤出，既解决了分散性的问题，又使得生产效率较高。

4.小结
挤出成型操作简单，工艺易控，应用范围广，可以连续化，自动化生产。

而复合材料则发展迅速，渗透于生活中的各个地方。

通过挤出来制备复合材料，是一种非常好的方法。

挤出的关键在于挤出机，温度，转速，分散，塑化的控制；而复合材料的性质则由不同材料间的结合，填充物的分散，及彼此的相容性有关。

故对于挤出成型而言，如何针对复合材料的性质选取合适的工艺参数，以及正确的预处理和更好的分散塑化能力是及其重要的。

引入振动场，或是加入超声混合都能增加分散性和设计一些有针对性的新型的挤出机械都将对复合材料的挤出工艺大有裨益。

5.参考文献
（1）挤出成型新技术齐贵亮机械工业出版社
（2）高分子材料成型加工周达飞唐颂超中国轻工业出版社
（3）超声挤出过程中聚丙烯/无机纳米复合材料结构和性能变化的研究赵丽娟四川大学硕士学位论文
（4）超声振动对聚合物挤出过程及制品性能的影响彭响方，高文龙，林逸全高分子材料科学与工程2005.7
（5）木塑复合材料挤出成型研究进展陈兴华应用化工2011.6
（6）塑木复合材斛的挤出成型加工工艺研究赵秀琴科学时代。