塑料挤出加工，作为塑料制品加工中应用最广泛的加工方法，在片材、板材、薄膜、电线电缆、异型材等制品的加工过程中起着具足轻重的地位，在注塑、混炼造粒、中空成型等成型加工过程中也起到了核心的作用。挤出加工性能直接关系到制品的质量、生产工程的能耗大小和生产效率的高低。因此，挤出加工技术的发展直接关系到塑料加工工业的发展，一直是塑料加工行业发展的重点与热点。目前，塑料加工正向着极限化、精密化、高速化的方向发展，塑料挤出技术和与之相关的塑料挤出机也不例外。

挤出过程的高效化

随着各种塑料制品在国民经济各个领域得到广泛地应用，对挤出加工过程提出了越来越高的要求。提高挤出机的产量和挤出效率，已经成为挤出机发展的重点和热点。目前提高挤出机产量和加工效率主要体现在以下几个方面。

高的长径比

克劳斯玛菲（KraussMaffei）公司推出了螺杆长径比长达41的单螺杆挤出机MNE60-41，该公司采用专利技术解决了高长径比螺杆的高精度加工难题，在大幅度提高了挤出机的产量，同时降低了熔体温度，提高了产品的质量，降低了单位产品的能耗。

高的螺杆转速

人们常常通过提高螺杆转速达到提高挤出机产量的目的。20世纪90年代，美国HPM公司曾经生产了螺杆直径为50~115mm，长径比达50：1的单螺杆挤出机，用于高浓缩色母粒的生产。这些采用了专利技术的螺杆最高转速可达800~1000r.p.m。其中螺杆直径为65mm的单螺杆挤出机，以850r.p.m的转速生产HDPE时，产量可达1090kg/h。

2010年，巴顿菲尔和辛辛那提整合，组成巴顿菲尔辛辛那提集团。Momos系列单螺杆挤出机也被新型单螺杆挤出机所取代，新型单螺杆挤出机具有更高的产能和更好的熔体均匀度。比如， solEX 单螺杆挤出机系列可生产高性能的HDPE和PP管道。

在K 2016 上，巴顿菲尔辛辛那提集团发布了solEX NG挤出机系列，产能可高达2,750kg/h。

新型的挤出机结构

为了适应新的加工工艺要求，人们推出了许多新型挤出机结构，满足加工过程对挤出机高效低耗的要求。

高性能螺杆结构

华南理工大学提出的混沌型单螺杆，采用多边螺槽结构，在螺杆挤出过程中建立起混沌流动，通过建立离散熔融和高效混沌混合状态，提高了熔融、塑化、混炼效率，降低了挤出过程的能量消耗，实现了高产低耗。采用该技术所开发的挤出机名义比功率达到了0.17kw/kg，具有挤出熔体温度低、物料适应性广、能耗低、产品质量好的特点，获得国家科学技术进步二等奖。

新型机筒结构

开槽机筒技术虽然是已经有几十年的老技术，但是，随着开槽结构的优化并配合优化的螺杆结构，使得其在高速高产量挤出机中得到越来越广泛的应用。

德国Extrudex公司运用Paderborm大学开发了一种新型挤出机，该设备在机筒上采用全开槽结构，只不过在进料段采用深槽、其余部分采用浅槽结构，并配合相应的屏障式螺杆，使得该设备的产量远高于一般的常规单螺杆挤出机，已经被成功应用于管材和中空成型加工。

基于拉伸流变的挤出机

华南理工大学瞿金平教授基于拉伸流变原理，提出了全新的具有拓扑结构的转子挤出机。该挤出机利用转子与机筒间的拓扑结构和独特的转动方式，实现了聚合物熔体在挤出机中的正位移，使得聚合物熔体在挤出过程中只承受拉伸应变，避免了剪切作用对聚合物分子链的影响，与此同时，利用拉伸应变的高效率，实现了对分散相的高效分散与分布。该设备具有工作效率高、物料在加工过程中所经历的热过程短、加工温度低等特点，具有极为广泛的应用前景。

电机直联技术

电机直接驱动是目前高速单螺杆挤出机发展的一个方向。

所谓直接驱动，就是电机不再通过齿轮箱变速后驱动螺杆转动，而是直接驱动螺杆转动。采用电机直接驱动的优势在于：由于不再采用齿轮箱，因此整机效率得到了提高，设备的噪音下降，设备重量降低，维护成本下降。电机直连驱动可以采用大扭矩交流电机、直流电机，也可以采用永磁同步电机或大功率伺服电机。螺杆的转速直接由电机转速所决定。

德国K&A Knoedler等公司率先采用该技术生产的多台挤出机已经成功应用于PP、PS片材挤出和HDPE管材挤出。国内也有诸多企业跟进，生产出了多种电机直接驱动的挤出机，简化了设备结构，降低了生产能耗和设备运行噪音。

精密挤出技术

由于螺杆挤出机螺杆的特点的限制，导致其输出的压力总是存在一定的波动。另一方面，螺杆挤出机还存在挤出特性较弱，产量与机头阻力关联较大的缺点。导致其挤出精度受到了较大影响，导致挤出产品尺寸精度受到较大影响。因此，提高挤出产品的尺寸精度和形状精度，满足高精度光纤、医用导管、人造血管等高精度挤出制品的需求，已经成为国内外科研机构和生产厂商关注的重点。

挤出机串联熔体泵技术

国外高精密挤出装备中大多配备熔体齿轮泵。

熔体齿轮泵一般是被安装在挤出机与机头之间的串联式稳压装置。齿轮泵由两个设计精密的相互啮合的齿轮构成。把熔体齿轮泵安装在挤出机与机头之间可以把挤压系统产生的压力波动与机头及下游设备隔离开来，使它们之间不发生相互影响。

这主要是因为齿轮泵具有单独的驱动电机，是一种正位移输送设备。同时，它也是一个“熔体增压器”，无论挤出机内的压力如何波动，只要泵入口处的熔体能充分充满齿轮泵入口，它就始终能够以稳定的压力和流量向机头输送物料，并保证机头无波动地挤出，从而生产出密实且尺寸精度较高的制品。

总体来讲，与挤出机串联使用后，熔体齿轮泵将在以下几个方面发挥作用：①提高熔体压力稳定性，从而有效地提高制品精度，降低制品废品率；②增加挤出机产量，降低能耗；③减小挤出机的磨损，延长机器寿命；④降低成型所需的熔体温度。然而其中最值得一提的就是，熔体齿轮泵以其显著的稳压效果为实现精密挤出成型提供了有力的技术保障。

美国Normag Corp of Nipkory N.C公司所进行的实验研究结果证明：在进入齿轮泵熔体压力增大43%的情况下，挤出机头中的压力变化不大于0.7%。该公司采用该技术生产出厚度误差不超过0.37%的PVC医用薄壁软管。而Luwa Corp of Charlotte公司的设备可使PET薄膜厚度误差从3%降到0.5%。

SPC控制技术

严格地控制挤出工艺条件对挤出流率的稳定极为重要。

其中，挤出流率对控温精度的稳定性极为敏感。为了实现精密挤出，应该将挤出温度的波动控制在0.5℃以内。电机转速稳定性则是保证挤出过程稳定地另一个重要因素。采用变频电机、无刷直流电机等可以将螺杆的转速波动降至0.01%。但是，现有的PLC控制技术常常借助于静态控制模型对挤出过程进行开环控制，及齿轮泵的出口压力、进口压力和螺杆转速之间并没有形成闭环控制，一定程度上影响了挤出精度。

基于静态控制模型的控制方式，也只能事后发现误差，而无法预测误差和实现采取纠偏措施，因此，对于实现高精密度挤出帮助不大。

SPC（Statistical Process Control）技术是一种基于统计过程的控制技术。该技术利用统计技术将数据转化成信息、形成文件，以便纠正并改进过程的性能，确保生产过程始终处于统计控制状态，保证产品质量。在挤出机工作过程中，过程温度、压力以及聚合物粘度的变化，都会导致挤出过程的不稳定，最终直接影响制品的质量和精度。

引用SPC控制技术，对挤出机生产过程进行监控，对检测所得到的各种质量数据进行统计分析，实时生成所需的图形、曲线，并提出改进措施，以保持整个生产过程的稳定性和产品品质，确保挤出产品的几何精度。

国外在医用管材等精密制品的挤出装备上已开始采用SPC系统，有效地保证了产品的质量和精度。北京化工大学吴大鸣领导的课题组采用该技术研发的高精度挤出机组，已经成功地应用于光纤、医用导管的生产。

挤出过程的数值模拟与虚拟制造技术

单螺杆挤出过程常常需要和其它设备配合，以完成某个特定的加工工艺过程。例如：在挤出管材、板材、片材过程中，就需要与相应的辅机配合，完成整个生产工艺过程。因此，主机（挤出机）与辅机之间的配合也是保证产品质量的必要条件。尤其整个生产工艺系统闭环控制，对于保证生产过程的高速、高效、高品质，显得尤为重要，也是各大设备供应商的设备研发的重点。

传统的分析方法对于精密加工已显得力不从心，无法满足需要。为了使各种成型加工过程进行更精确的模拟，目前各国学者都不断研究新模型、新算法及新的成型模拟系统，并将模拟软件与制品设计、制造紧密结合，开发一体化的集成技术，使模拟技术呈现出集成化和智能化的趋势。

目前商业上提供的挤出机模拟分析软件主要有美国的EXTRUD、PASS，德国的PEX，法国的CHEMEX-TRUD，加拿大的EXTRUCAD等。这些软件不仅可以模拟常规挤出机的挤出塑化过程，而且可以模拟一些复杂的如带混合单元的螺杆、多级螺杆以及带排气孔的螺杆等挤出塑化过程。

常用的粘度模型包括牛顿模型、幂律模型、Carreau模型、多项式对数模型等。用于挤出口模内流动过程分析的常用分析软件主要有：FI-DAP、POLYFLOW FLATCD、PROFILECAD及LAYERCAD等。用于挤出胀大分析的软件主要有POLYCAD-2D、POLYCAD-3D等。这些数值分析软件为挤出机螺杆、挤出口模的设计和流动过程分析提供了有利的工具。对于新型螺杆结构的开发、精密挤出口模的流道结构设计具有极其重要的指导意义。

塑料挤出加工，作为塑料制品加工中应用最广泛的加工方法，在片材、板材、薄膜、电线电缆、异型材等制品的加工过程中起着具足轻重的地位，在注塑、混炼造粒、中空成型等成型加工过程中也起到了核心的作用。挤出加工性能直接关系到制品的质量、生产工程的能耗大小和生产效率的高低。因此，挤出加工技术的发展直接关系到塑料加工工业的发展，一直是塑料加工行业发展的重点与热点。目前，塑料加工正向着极限化、精密化、高速化的方向发展，塑料挤出技术和与之相关的塑料挤出机也不例外。

挤出过程的高效化

随着各种塑料制品在国民经济各个领域得到广泛地应用，对挤出加工过程提出了越来越高的要求。提高挤出机的产量和挤出效率，已经成为挤出机发展的重点和热点。目前提高挤出机产量和加工效率主要体现在以下几个方面。

高的长径比

克劳斯玛菲（KraussMaffei）公司推出了螺杆长径比长达41的单螺杆挤出机MNE60-41，该公司采用专利技术解决了高长径比螺杆的高精度加工难题，在大幅度提高了挤出机的产量，同时降低了熔体温度，提高了产品的质量，降低了单位产品的能耗。

高的螺杆转速

人们常常通过提高螺杆转速达到提高挤出机产量的目的。20世纪90年代，美国HPM公司曾经生产了螺杆直径为50~115mm，长径比达50：1的单螺杆挤出机，用于高浓缩色母粒的生产。这些采用了专利技术的螺杆最高转速可达800~1000r.p.m。其中螺杆直径为65mm的单螺杆挤出机，以850r.p.m的转速生产HDPE时，产量可达1090kg/h。

2010年，巴顿菲尔和辛辛那提整合，组成巴顿菲尔辛辛那提集团。Momos系列单螺杆挤出机也被新型单螺杆挤出机所取代，新型单螺杆挤出机具有更高的产能和更好的熔体均匀度。比如， solEX 单螺杆挤出机系列可生产高性能的HDPE和PP管道。

在K 2016 上，巴顿菲尔辛辛那提集团发布了solEX NG挤出机系列，产能可高达2,750kg/h。

新型的挤出机结构

为了适应新的加工工艺要求，人们推出了许多新型挤出机结构，满足加工过程对挤出机高效低耗的要求。

高性能螺杆结构

华南理工大学提出的混沌型单螺杆，采用多边螺槽结构，在螺杆挤出过程中建立起混沌流动，通过建立离散熔融和高效混沌混合状态，提高了熔融、塑化、混炼效率，降低了挤出过程的能量消耗，实现了高产低耗。采用该技术所开发的挤出机名义比功率达到了0.17kw/kg，具有挤出熔体温度低、物料适应性广、能耗低、产品质量好的特点，获得国家科学技术进步二等奖。

新型机筒结构

开槽机筒技术虽然是已经有几十年的老技术，但是，随着开槽结构的优化并配合优化的螺杆结构，使得其在高速高产量挤出机中得到越来越广泛的应用。

德国Extrudex公司运用Paderborm大学开发了一种新型挤出机，该设备在机筒上采用全开槽结构，只不过在进料段采用深槽、其余部分采用浅槽结构，并配合相应的屏障式螺杆，使得该设备的产量远高于一般的常规单螺杆挤出机，已经被成功应用于管材和中空成型加工。

基于拉伸流变的挤出机

华南理工大学瞿金平教授基于拉伸流变原理，提出了全新的具有拓扑结构的转子挤出机。该挤出机利用转子与机筒间的拓扑结构和独特的转动方式，实现了聚合物熔体在挤出机中的正位移，使得聚合物熔体在挤出过程中只承受拉伸应变，避免了剪切作用对聚合物分子链的影响，与此同时，利用拉伸应变的高效率，实现了对分散相的高效分散与分布。该设备具有工作效率高、物料在加工过程中所经历的热过程短、加工温度低等特点，具有极为广泛的应用前景。

电机直联技术

电机直接驱动是目前高速单螺杆挤出机发展的一个方向。

所谓直接驱动，就是电机不再通过齿轮箱变速后驱动螺杆转动，而是直接驱动螺杆转动。采用电机直接驱动的优势在于：由于不再采用齿轮箱，因此整机效率得到了提高，设备的噪音下降，设备重量降低，维护成本下降。电机直连驱动可以采用大扭矩交流电机、直流电机，也可以采用永磁同步电机或大功率伺服电机。螺杆的转速直接由电机转速所决定。

德国K&A Knoedler等公司率先采用该技术生产的多台挤出机已经成功应用于PP、PS片材挤出和HDPE管材挤出。国内也有诸多企业跟进，生产出了多种电机直接驱动的挤出机，简化了设备结构，降低了生产能耗和设备运行噪音。

精密挤出技术

由于螺杆挤出机螺杆的特点的限制，导致其输出的压力总是存在一定的波动。另一方面，螺杆挤出机还存在挤出特性较弱，产量与机头阻力关联较大的缺点。导致其挤出精度受到了较大影响，导致挤出产品尺寸精度受到较大影响。因此，提高挤出产品的尺寸精度和形状精度，满足高精度光纤、医用导管、人造血管等高精度挤出制品的需求，已经成为国内外科研机构和生产厂商关注的重点。

挤出机串联熔体泵技术

国外高精密挤出装备中大多配备熔体齿轮泵。

熔体齿轮泵一般是被安装在挤出机与机头之间的串联式稳压装置。齿轮泵由两个设计精密的相互啮合的齿轮构成。把熔体齿轮泵安装在挤出机与机头之间可以把挤压系统产生的压力波动与机头及下游设备隔离开来，使它们之间不发生相互影响。

这主要是因为齿轮泵具有单独的驱动电机，是一种正位移输送设备。同时，它也是一个“熔体增压器”，无论挤出机内的压力如何波动，只要泵入口处的熔体能充分充满齿轮泵入口，它就始终能够以稳定的压力和流量向机头输送物料，并保证机头无波动地挤出，从而生产出密实且尺寸精度较高的制品。

总体来讲，与挤出机串联使用后，熔体齿轮泵将在以下几个方面发挥作用：①提高熔体压力稳定性，从而有效地提高制品精度，降低制品废品率；②增加挤出机产量，降低能耗；③减小挤出机的磨损，延长机器寿命；④降低成型所需的熔体温度。然而其中最值得一提的就是，熔体齿轮泵以其显著的稳压效果为实现精密挤出成型提供了有力的技术保障。

美国Normag Corp of Nipkory N.C公司所进行的实验研究结果证明：在进入齿轮泵熔体压力增大43%的情况下，挤出机头中的压力变化不大于0.7%。该公司采用该技术生产出厚度误差不超过0.37%的PVC医用薄壁软管。而Luwa Corp of Charlotte公司的设备可使PET薄膜厚度误差从3%降到0.5%。

SPC控制技术

严格地控制挤出工艺条件对挤出流率的稳定极为重要。

其中，挤出流率对控温精度的稳定性极为敏感。为了实现精密挤出，应该将挤出温度的波动控制在0.5℃以内。电机转速稳定性则是保证挤出过程稳定地另一个重要因素。采用变频电机、无刷直流电机等可以将螺杆的转速波动降至0.01%。但是，现有的PLC控制技术常常借助于静态控制模型对挤出过程进行开环控制，及齿轮泵的出口压力、进口压力和螺杆转速之间并没有形成闭环控制，一定程度上影响了挤出精度。

基于静态控制模型的控制方式，也只能事后发现误差，而无法预测误差和实现采取纠偏措施，因此，对于实现高精密度挤出帮助不大。

SPC（Statistical Process Control）技术是一种基于统计过程的控制技术。该技术利用统计技术将数据转化成信息、形成文件，以便纠正并改进过程的性能，确保生产过程始终处于统计控制状态，保证产品质量。在挤出机工作过程中，过程温度、压力以及聚合物粘度的变化，都会导致挤出过程的不稳定，最终直接影响制品的质量和精度。

引用SPC控制技术，对挤出机生产过程进行监控，对检测所得到的各种质量数据进行统计分析，实时生成所需的图形、曲线，并提出改进措施，以保持整个生产过程的稳定性和产品品质，确保挤出产品的几何精度。

国外在医用管材等精密制品的挤出装备上已开始采用SPC系统，有效地保证了产品的质量和精度。北京化工大学吴大鸣领导的课题组采用该技术研发的高精度挤出机组，已经成功地应用于光纤、医用导管的生产。

挤出过程的数值模拟与虚拟制造技术

单螺杆挤出过程常常需要和其它设备配合，以完成某个特定的加工工艺过程。例如：在挤出管材、板材、片材过程中，就需要与相应的辅机配合，完成整个生产工艺过程。因此，主机（挤出机）与辅机之间的配合也是保证产品质量的必要条件。尤其整个生产工艺系统闭环控制，对于保证生产过程的高速、高效、高品质，显得尤为重要，也是各大设备供应商的设备研发的重点。

传统的分析方法对于精密加工已显得力不从心，无法满足需要。为了使各种成型加工过程进行更精确的模拟，目前各国学者都不断研究新模型、新算法及新的成型模拟系统，并将模拟软件与制品设计、制造紧密结合，开发一体化的集成技术，使模拟技术呈现出集成化和智能化的趋势。

目前商业上提供的挤出机模拟分析软件主要有美国的EXTRUD、PASS，德国的PEX，法国的CHEMEX-TRUD，加拿大的EXTRUCAD等。这些软件不仅可以模拟常规挤出机的挤出塑化过程，而且可以模拟一些复杂的如带混合单元的螺杆、多级螺杆以及带排气孔的螺杆等挤出塑化过程。

常用的粘度模型包括牛顿模型、幂律模型、Carreau模型、多项式对数模型等。用于挤出口模内流动过程分析的常用分析软件主要有：FI-DAP、POLYFLOW FLATCD、PROFILECAD及LAYERCAD等。用于挤出胀大分析的软件主要有POLYCAD-2D、POLYCAD-3D等。这些数值分析软件为挤出机螺杆、挤出口模的设计和流动过程分析提供了有利的工具。对于新型螺杆结构的开发、精密挤出口模的流道结构设计具有极其重要的指导意义。