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1. 前言
聚氯乙烯挤出工艺在电缆制造业与配混料加工业中占有极其重要的地位。随着电缆制造业、配混料加工业以及各种挤出成型、挤吹中空成型工艺的持续发展，聚氯乙烯的挤出效益问题日益受到重视。提高单位时间内电缆或配混粒料的生产速率，对于电缆或粒料生产线的使用者而言，意味着单位租金、单位工资和单位能耗的减少。对于电缆或配混粒料生产线的投资者而言，意味着投资回报率的提高或投资问报速度的加快。
本文实验选用当前亚太地区聚氯乙烯工业界最常用的增塑翻苯二甲酸二辛酯(BOP)为参照标准，与DINP进行比较。并选用生产上有代表性的若干混料配方进行实验。下述各节归纳报告这些实验中观察到的挤出效益的改进，并对这些观察结果进行讨论。
２.实验
2.1 实验设备
挤出机为单螺杆型Haake PolYLab 5ystem，螺杆长径比：25，模口直径：3 mm。
2．2原材料和配方
原料和试剂来源
聚氯乙烯树脂(K＝70)Singapore Polymer Co
邻苯二甲酸二辛酯Singapore Polymer Co
邻苯二甲酸二异壬酯(DINP)埃克森美孚化工
碳酸钙Malaysia Calcium Corp Sdn Bhd
三碱式硫酸铅Sun Ace Kakoh Pte Ltd
硬脂酸铅Sun Ace Kakoh Pte Ltd
二苯酚一A(日PA)Ciba Specialty Chemicals(S)Pre Ltd 实验配方
（图片）2.3性能测试
对挤出物的混炼均匀性和表面光洁程度的检验通过对挤出物表面的连续观察和对挤出物横截面的抽样观察完成。对挤出物横截面的抽样观察在显微镜下进行。
3.结果与讨论
3.1 在不同配方和温度条件下，测得的增塑剂对螺杆扭矩、模口压力的影响
从表1所示对螺杆扭矩和模口压力值可以看出，与使用DOP相比较，使用DINP增塑剂可以明显降低扭矩和模口压力。同样地，由表2可知，在挤出机温度参数、转速设置以及挤出速率相同的情况下，机筒内挤出压力的大小依增塑剂而异。使用DINP时，所需挤出压力较小；使用DOP时，达到相同挤出速率所需消耗的挤出压力则较大。表1不同增塑剂对扭矩和模口压力的影响
实验序号 | 挤出机 | 增塑剂 | 机筒温度/℃ | 扭矩/Nm | 模口压力/MPa | 1 | #1 | DOP | 155 | 18 | 50 | 2 | #1 | DINP | 155 | 15 | 44 | 3 | #2 | DOP | 155 | 19 | 62 | 4 | #2 | DINP | 155 | 12 | 41 | 5 | #2 | DOP | 170 | 12 | 45 | 6 | #2 | DINP | 170 | 3.5 | 28 |
3.2 增塑剂对能耗、挤出速率的影响
表2为不同配方和转速下测得的模口压力、能耗和挤出速率的实测值。比较表2中数据不难看到，为挤出相同重量的产品所需消耗的总能量随所用的增塑剂而异。事实上，模口压力、螺杆扭矩和总体能耗随增塑剂而变化的规律相似。螺杆扭矩对增塑剂的变化最敏感，模口压力其次，而总体能耗的敏感度最低。模口压力与扭矩对增塑剂或熔体粘度变化敏感的差异主要与所用的挤出机的机械参数(例如长径比以及模口孔径等)有关。不同的机器设置可以使这两者敏感度的差异增大或缩小。总体能耗对增塑剂的改变较不敏感，这是因为总体能耗中有一部分是以热能的形成传递给配混物熔体的。这一部分能量的传递基本不受熔体粘度的影响。受熔体粘度影响较大的只是与螺杆剪切作用有关的机械能部分。这部分能量通过剪切作用转化为热能，传递给熔体。表2 不同增塑剂对能耗和挤出速率的影响
实验序号 | 挤出机 | 增塑剂 | 螺杆转速 | 模口压差/MPa | 能耗/KJ/m | 挤出速率/g/m | 1 | #1 | DOP | 90 | 62 | 11.3 | 99.8 | 2 | #1 | DINP | 110 | 43 | 11.5 | 121.0 | 3 | #1 | DINP | 125 | 45 | 11.3 | 135.1 | 4 | #2 | DOP | 90 | 50 | 11.0 | 107.3 | 5 | #2 | DINP | 100 | 40 | 10.5 | 120.6 |
不论能量传递的细节如何，本实验数据显示：选用DINP取代DOP可以使模口受到的压力显著降低。在生产实践中，如果挤出机的挤出速率受限于模口所能承受的最大压力，那么选用不同增师剂所带来的模口压力之差就定量地描述了选用不同增塑剂所能达到的不同的挤出效益(上限)。
类似地，如果挤出机螺杆的扭矩上限(或与之相关的配混料在机筒中的降解程度)决定了挤出机挤出速率的上限，则挤出DINP配混料所需的扭矩与挤出相同量的DOP配混料所需的扭矩之差就与相应的挤出效益之差成正比。在实际生产过程中，挤出机挤出速率受控于螺杆扭矩的情况极少出现。
与产品生产成本直接相关的是挤出机运转过程中的总体能耗。与前类似，若以总体能耗的差别作为对挤出效益提高之潜力的一种粗略估计，由表4数据可以看出：与DOP配混料相比，相应的DINP配混料可使挤出机的挤出潜力提高约21％-35％(随对最终产品的质量要求而异)。
本文的贡献并不在于发现了使用增塑剂可以提高挤出机的挤出速率。事实上，增塑剂可以发挥辅助润滑剂的作用，这早已是不争的事实。在生产实践中基于价格的考虑(增塑剂的价格通常高于相应润滑剂的价格)，一般优先选用价格低廉的润滑剂以改进挤出机的挤出速率。不同的产品所能接纳的润滑剂的含量略有不同，但均有限。通常在1％-3％的范围内。超出规定的范围就会损害产品的外观、手感和质量。
本文的贡献在于发现了简单地更换增塑剂类型就可以在不增加投资成本、不改变工艺条件和能量消耗的情况下提高生产率。本文报告的数据主要适用于软质聚氯乙烯塑料。增塑剂类型对硬质聚氯乙烯挤出效益的影响尚在进一步的研究之中，其结果当另文报道。
3.3 不同增塑剂对挤出制品质量的影响
表3和表4所示为在其他条件相同时，不同增塑剂对挤出制品质量的影响。几个能够降低配混料熔体粘度的因素，诸如增塑剂的性能、增塑剂的用量以及熔体的温度均可用于提高挤出机的挤出速率。但这些参数各自的可变范围是有限制的。在许多情况下增塑剂类型的选择取决于产品的技术规格。以电缆电线为例，美国的UL标准、日本的JIS标准、中国的国标(GB)、英国的BS标准、德国的DIN标准以及澳洲的AS标准均对产品中的增塑剂的性能有不同的要求。增塑剂的用量通常取决于最终产品的硬度(肖氏A硬度)规格以及对拉伸强度、断裂伸长率以及耐老化能力的要求。表3 表观挤出速率及产品质量
实验序号 | | 增塑剂 | 螺杆转速 | 挤出速率/g/m | 外观质量 | 横截面质量 | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | 6 | #2 | DINP | 110 | 121.0 | 良好 | 良好 | 7 | #2 | DINP | 125 | 135.1 | 偶尔起皱 | 偶尔不均匀 | 8 | #2 | DINP | 135 | >145 | 起皱 | 不均匀 |
本节具体描述实验中聚氯乙烯配混料的熔体温度与挤出机挤出速率以及挤出产品质量之间的制约关系。
经验表明，挤出产品的质量通常受制于熔体在挤出机机筒内混炼的均匀程度。在不显著引发聚氯乙烯的热分解的情况下，混炼得越均匀，则挤出产品的质地越细密，表观越平滑无暇。不同的挤心机由于其机筒、螺杆设计细节上的差异，所能提供的混炼均匀程度也不尽相同。换言之，挤出产品的质量，通过熔体的粘度及其混炼的均匀程度，对混炼所需的时间以及挤出机的挤出速率设定了限制。熔体的粘度越高，达到指定的均匀程度所需的混炼时间就越长。因而挤出机实际(操作)的挤出速率就该相应地较低。如果忽视这一点，人为地加大螺杆的驱动功率、增加螺杆的转速，表面上挤出速率是提高了。但实际上产品内部的和表层的暇疵会大量增加。由此导致次品率上升。
在本文的实验中，我们特地对挤出物的表面进行了连续观察，并对挤出物的横截面进行了抽样观察，观察结果列于表3和表4。表1和表2的数据显示，正确选择增塑剂可以通过降低熔体粘度而提高挤出机的挤出速率。在这方面，DINP优于DOP。表5中的数据进一步显示，从产品质量的角度来看，即使是DINP，也有其局限性。在不增加固定资产投资、不改变工艺条什、不增加电耗的情况下，DINP原则上允许挤出机的挤出效率提高35％。但若结合挤出产品的质量来考虑，实际上能够实现的挤出效率提高只在21％或略高一些。在本文的实验条件下，超出这一范围则挤出产品的表面开始起皱，产品质量开始下降。在生产实践中，不同类型、品牌的挤出机所特有的剪切、混炼能力不尽相同，表5所列的数据仅具有相对的意义。表4 不同机筒温度对表观挤出速率的影响
实验序号 | 增塑剂 | 机筒温度 | 模口温度 | 扭矩 | 模口压差 | 挤出速率 | 外观质量 | 截面质量 | 1 | DOP | 155 | 165 | 19 | 62 | 99.8 | 良好 | 良好 | 2 | DOP | 170 | 180 | 12 | 45 | 105.1 | 起皱 | 不均匀 | 3 | DINP | 155 | 165 | 12 | 41 | 101.9 | 良好 | 良好 | 4 | DINP | 170 | 180 | 3.5 | 28 | 106.0 | 起皱 | 不均匀 |
表4所示的实验旨在验证可否在产率提高21％的基础上，再加一个由提高机筒温度而实现的进一步的产率提高。表4的数据显示，在本文所述的实验条件下答案是否定的。人为地提高挤出机机筒的温度，可以便表观挤出速率进一步提高，但次品率(尤其是挤出品横截而的不均匀性)也随之提高。笔者认为，失败的原因在于机筒的加热温度并不等于熔体的实际温度。粗略而言，热传导由机筒外加热线圈传至机筒壁，再由机筒壁传至机筒内的聚氯乙烯熔体。其热传导的效率受制于熔体与机筒壁的接融方式和接触时间。当熔体在机筒内紊流程度不明显且与机筒内壁接触时间不长的情况下(后者对应于螺杆转速已经较高，挤出速率已经较大的情况)，受热传导影响最大的首先是最贴近机筒内壁的一薄层熔体。这一薄层在被加热升温后，其粘度首先降低。在螺杆转速加快，挤出推力增加的情况下，熔体的主体相对于机筒内壁的滑动的程度增加。其净结果相当于在机桶壁与熔体之间徐了一薄层润滑剂。表观的挤出速率增加了，但熔体内部的混炼均匀度却不但没合增加，反而减低了。整个熔体相对机筒壁的滑动增加了，而其主体接受剪切、混炼的程度和时间都减少了。由此导致了观察到的次品率的上升。
对于机筒内聚氯乙烯熔体的剪切、紊流、传热情况的分类和机理的验证有待于进步的实验观察与分析，亦不在本文讨论的范围之内。本节的宗旨在于指出，单纯地通过加热机筒的方法来增加表观挤出速率的努力通常不易成功，因为次品率可随之增加，笔者希望读者不必在将来的实验个重复这一错误。
4.结论
(1)本文发现正确选用增塑剂对提高挤出机的挤出效益至关重要。选用DINP取代DOP可使软质聚氯乙烯挤出产品的生产率明显提高。
(2)这一生产率的提高可在无须更改产品配方和生产工艺、无须额外固定资产投资、无须额外能耗的情况下实现。唯一需要做的是选用合适的增塑剂。
(3)改用增塑剂可为提高挤出机的挤出效率带来可观的潜力。但基于对产品质量的考虑，这些潜力或许无法全部发挥出来。挤出产品的质量为挤出速率的提高界定了严格的上限。在本文的实验条件下，这个上限是21％或略高一些。
3/11/2007
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