改性塑料的未來不只有雙螺桿， 這些擠出技術正成為新引擎

傳統雙螺桿擠出仍是大多數改性材料加工企業的標配，但原材料與能源成本上漲、回收料使用率提升等問題，正推動單螺桿擠出機、往復式單螺桿混煉擠出機及其它替代技術的發展。開發這些技術是應對可持續發展挑戰的關鍵措施，同時有助于提升性能并保障產品質量。

 

標題圖：CPM 公司的行星擠出機內多根螺桿的相互嚙合，增強了物料的拉伸流動效果©CPM

美國擠出設備供應商Entek表示，同向旋轉雙螺桿擠出機之所以被認為在再生塑料配混改性加工中表現更優越，是因為其改進的排氣能力有助于去除揮發物、污染物和水分。換網器提升了設備的多功能性，同時通過Entek的專利VFT技術，可以從擠出機內的蓬松填料中抽取空氣，以提高生產速率。對于聚酰胺、聚酯、聚氨酯和聚碳酸酯等易水解塑料，工藝前段的常壓排氣口對緩解水解現象尤為有用，而在工藝后段，待塑料熔化后，會采用真空排氣口對材料進行脫揮處理，以去除水分和空氣。

在同向旋轉擠出機中，兩根螺桿朝同一方向旋轉，物料在螺桿之間被向前推送，顆粒在熔體中被均勻擴散，形成均勻的混合物。而在異向旋轉擠出機中，兩根螺桿朝相反方向旋轉，物料被截留在 C 形腔室內，物料向前推送的方式更類似體積泵，因此在分散混合方面表現更出色。

盡管同向旋轉雙螺桿已成為許多配混改性加工的默認選項，但往復式單螺桿混煉擠出機作為低剪切旋轉的往復式單螺桿設備，能夠在不過度升高熔體溫度、不損壞纖維 / 填料的前提下實現有效分散。正因如此，這類設備在傳統單螺桿擠出機與同向旋轉雙螺桿擠出機之間找到了 “最佳平衡點”，至今仍是電纜改性材料、PVC及其它高要求應用領域的主流設備。

 

往復式單螺桿混煉擠出機的獨到之處

一家來自中國的企業——江蘇新達科技有限公司，成立于 1988 年，最初以生產色母粒起家，如今可生產同向和異向旋轉雙螺桿擠出機，其最知名的產品是往復式單螺桿混煉擠出機。該公司表示，往復式單螺桿混煉擠出機是眾多改性加工企業的首選設備，因為通常其能耗更低、熔體溫度更低，能實現更均勻的混合，且無剪切峰值，對聚合物基材處理得更均衡。

 

此外，往復式單螺桿混煉擠出機還具備高度自清潔性和分散混合能力，不會損壞易碎填料，同時能實現填料與添加劑的高填充量。在解釋其為何他們擠出機為何能做到持續高效時，公司表示：“螺桿上的螺棱被設計成間斷式的，與機筒壁上的三排固定捏合銷相互作用。運動的螺棱與固定的捏合銷之間的相互作用可同時實現分散混合與分布混合。”

1945 年 8 月 20 日， Heinz List為瑞士布斯（BUSS）公司申請了首臺往復式單螺桿混煉擠出機的專利，五年后該專利最終獲批——這意味著該專利至今已有 80 周年歷史。最初的專利基于一個獨特的配混加工原理，核心原理涉及一根軸向往復運動和旋轉的螺桿，以及機筒內的固定銷。在加工過程中，物料不僅在固定銷與捏合螺棱之間受到剪切作用，還會發生翻轉，這與傳統單螺桿或雙螺桿擠出機的工作方式形成鮮明對比。位于往復式單螺桿混煉擠出機殼體內部中心的部件是一根控溫往復螺桿，其可對原料進行混合與捏合；而機殼設計成兩瓣式，通過鉸鏈結構連接，方便打開，可以實現內部加工區域的快速清潔，方便更換配方。其模塊化設計還可靈活適配不同的生產需求（圖1）。

 

圖1：布斯配混系統的模塊化設計理念，可實現各工藝參數的優化匹配©布斯

往復式單螺桿混煉擠出機的一個關鍵優勢是將配混、建壓和造粒分離開來。典型應用案例是生產木纖維含量約為 55% 的木纖維填充 HDPE——生產這種復合材料的主要挑戰之一是如何通過靈活地配置往復式單螺桿混煉擠出機來優化進料與排氣。研究人員通過大量試驗對比了不同排氣方法，確定了在低溫、低壓條件下木纖維的最佳進料時機與進料量，從而避免木纖維受損。

最早的往復式混煉單螺桿技術至今仍被視為配混改性加工領域的基礎性突破，布斯公司也在不斷調整技術以滿足不斷變化的需求。除往復式單螺桿混煉擠出機本身外，該公司還通過擴展下游技術，如出料擠出機、出料泵、換網器和切粒系統，為客戶特定應用場景和不同工藝需求提供必要的靈活性。

該公司最新創新成果之一是 SenseHub 數字平臺。該平臺可將設備數據轉化為實用工具，幫助企業基于數據決策。平臺實時分析振動、油液質量、扭矩等傳感器數據，并通過 “健康評分” 提供狀態評估。系統會記錄并顯示偏差情況，便于及早采取預防措施，從而降低維護成本并減少停機時間。

 

新技術進展

今年9 月，法雷爾?波米尼（Farrel Pomini）公司推出了緊湊型加工機（Compact Processor），這是一個將法雷爾連續配混擠出機（FCM）與單螺桿擠出機集成在一體化機架上的設備。該設備可提高木塑復合材料（WPC）戶外地板的生產效率，因為它省去了配混加工前的造粒工序。實現這一功能的核心是法雷爾配備了真空排氣及溝槽式轉軸的擠出機，該擠出機能確保高效輸送和穩定壓力，實現高質量板材的穩定擠出，同時有效去除殘留水分。

WPC的生產頗具挑戰性，因為木粉很蓬松，含水量相對較高（約 5%-6%）。而使用再生聚合物會進一步增加加工難度 —— 再生料不僅進料困難，還難以實現均勻混合。傳統工藝中，木粉需先經過造粒工序（通常采用研磨工藝），這一過程需要大型、昂貴且維護成本高的設備。這個緊湊型加工機器則省去了這一步驟：通過大進料口，可直接大量喂入蓬松木粉和再生料。在混合室內，大自由體積與低剪切的組合確保了優異的分布混合和高產量，而不會使材料過熱或燒焦。配混擠出機出料口的切料裝置會將擠出的料條切斷，便于順利喂入下游的熱喂料單螺桿擠出機。

擠出生產線制造商巴頓菲爾-辛辛那提（Battenfeld-Cincinnati）表示，其新款 BC 120-40 DVT 單螺桿擠出機旨在滿足現代資源管理的獨特需求。該設備號稱首款采用雙排氣技術（DVT）的擠出機，此次也在K 2025上展出。其中一項亮眼的創新是：過去排氣連接口彼此緊鄰，用于提升單個區域的整體脫氣能力，而DVT技術則在擠出機加工單元沿線創建了兩個獨立的脫氣區域。巴頓菲爾-辛辛那提區域銷售經理René Hartmann解釋道：“借助集團內部的專業技術整合，我們成功研發出了一個將兩個獨立的脫氣區集成在一根螺桿上的創新設計。”

在這個DVT技術中，熔體中的低分壓揮發物在第一個強化脫氣區被有效去除，而高分壓揮發物則在第二個脫氣區被去除。這能顯著減少熔體中的水分和揮發成分，通過防止氣泡形成以確保更高的產品質量。

巴頓菲爾-辛辛那提最初將該設備主要用于 ABS 加工，但根據材料類型和真空技術的不同，該DVT技術還能用于其它任務，例如去除異味。

 

圖2：SolEX NG 105 型號填補了巴頓菲爾-辛辛那提公司最強單螺桿擠出機系列的空白©巴頓菲爾-辛辛那提

同樣在 K 展上首次亮相的還有巴頓菲爾-辛辛那提的 SolEX NG 105 型號擠出機（圖2）。該型號填補了該公司最強單螺桿擠出機系列的空白，多了一個型號供客戶選擇，可以進一步提高產品與機型的匹配性。此前，該系列包含 45、60、75、90 和 120 型號，而 SolEX NG 105 則填補了其中兩大型號（90與120）之間的空白。

105 型號擠出機的長徑比（L/D）為 40，產量高達 1680-2100 千克 / 小時，不僅具備前代機型的所有經典功能，還新增了一些實用的功能。例如，以往擠出機的冷卻用水通常來自工廠的公用管道，而這個新款機型配備了獨立的內部供水系統。這一設計可減少雜質混入，確保供水穩定，從而延長電機和齒輪箱的使用壽命。

機械工程總監Heinrich Dohmann表示：“擠出機自帶水循環系統具有明顯優勢，未來我們將為所有型號配備這一功能。” 此外，所有NG（New Generation）SolEX 擠出機的料筒內部加工區域均采用溝槽設計，并搭配與之匹配的螺桿以及同樣設計了溝槽結構的襯套。采用這種設計有多項優勢，如軸向壓力分布更平緩、低螺桿轉速下仍能實現高比產出率、溫和且高效的均質熔融效果，進而降低能耗成本。與老機型相比，新一代機型加工高密度聚乙烯（HDPE）時產量提升約 25%，加工聚丙烯（PP）時產量甚至可提升40%。

圖3：BBE 單螺桿擠出機特別適用于高要求應用場景，如薄膜生產、合成纖維紡絲以及高品質 PET 回收©BBE

另一家亮相 K 2025 展的企業是 BBE，其單螺桿擠出機適用于多種聚合物，如PP、PET、再生 PET、PA和PE，尤其適用于薄膜生產、合成纖維紡絲和高品質 PET 回收等高要求應用場景（圖3）。該系列設備的螺桿直徑范圍為 30-360 毫米，覆蓋廣泛的加工領域，并根據材料和工藝要求，可實現 3 至 6,000 公斤/小時的產量。除單螺桿擠出機外，該公司還提供用于高產量需求的擠出級聯系統。

CPM 公司的行星擠出機使用的的螺桿多達12根，它們相互嚙合，這些相互嚙合的頂點增強了拉伸流動效果。這種設計提高了拉伸流動的頻率，并通過拉伸變形提升了混合效率。CPM 表示，配混改性加工中原料成分復雜，常導致表面化學性質不兼容，還可能出現黏度相差異。比簡單的剪切流動與形變，拉伸流動與變形在這種應用場景下更能實現高效的混合。
該公司稱，其行星擠出機拉伸流動頻率更高，因而能以更低的整體能量輸入實現更高效的混合。例如，CPM 通過驗證發現，在加工PET 時，行星擠出機的比能耗比同類同向旋轉雙螺桿擠出機平均降低了 35%。

 

均質化技術

奧地利埃瑞瑪（Erema）公司正從單螺桿擠出領域拓展至雙螺桿擠出領域，推出了全新的 TwinPro 設備。該設備旨在整合雙螺桿擠出機的優勢與公司預處理單元（PCU）的優勢。通過與客戶緊密合作，埃瑞瑪開發的這個解決方案，既能有效回收高難度的多層薄膜生產廢料，還可用于回收薄壁消費后廢料。

TwinPro 的一個關鍵特性是高效均質化能力。均質化的第一階段在預處理單元（PCU）中進行，PCU 對來料進行加熱、干燥、壓實和備料。借助埃瑞瑪專利的逆流（Counter Current）技術，PCU得以源源不斷地向與其切向連接的擠出機持續供應經過加熱和預壓實的物料。即便是處理薄膜廢料這類低堆積密度物料時，PCU 仍能做到向下游持續充足地供料，可處理的物料涵蓋堆積密度為 30-800 克 / 升的各類物料，且只需一個工藝步驟，無需另外工序來分離團塊、稱重，或一個喂料單元。

埃瑞瑪還在提升 Intarema 系列的產能，并在 K 2025 展上推出無級聯的 2021 型號設備。逆流技術能持續向擠出機輸送預熱物料，且物料溫度遠高于傳統設備。對于大直徑擠出機螺桿（相應螺槽深度也更大）而言，這是一項優勢 —— 熔體加工過程更溫和，剪切作用更小，雜質的顆粒尺寸不會變得過小，因而雜質更容易被熔體過濾器截取。

美國Randcastle公司成立于 1977 年，在聚合物擠出領域以創新聞名。近期，該公司更名為“The Screw Company”（螺桿公司），以更準確地體現其戰略重心 —— 通過螺桿技術革新聚合物加工工藝，其中最具代表性的是分子均化器（Molecular Homogeniser ，簡稱MH）螺桿。MH 螺桿的發明者、Randcastle公司總裁Keith Luker表示：“數十年來，我們一直在突破單螺桿性能的極限。此次品牌重塑向行業明確傳達了我們是誰以及我們最擅長什么：制造從根本上改善聚合物的螺桿設計。”

聚合物行業的大部分企業將重心放在設備、材料和添加劑上，而Randcastle則專注于螺桿 —— 該公司將螺桿稱為 “性能的真正引擎”。Randcastle表示，其 MH 螺桿實現了無壓縮混合，減少了聚合物降解，同時實現了 “無可比擬” 的均質化效果。能夠在低溫下實現高產出，并永久改善聚合物的性能如提高屈服伸長率、增強抗沖擊性、提升透明度、增加吸濕率（或降低滲透性，具體取決于材料類型），以及無需預干燥即可實現穩定擠出。與其它一些螺桿不同，MH 螺桿的設計旨在溫和且徹底地加工聚合物，避免產生可能導致聚合物發黃和力學性能失效的應力集中。

 

直接配混工藝

克勞斯瑪菲（KraussMaffei）表示，其新的短切纖維加工（CFP）技術首次實現了注塑成型工藝中PP與玻璃纖維的單獨計量，并在K 2025現場進行了展示。據悉，兩種物料可通過設備的輸送系統直接進料，借助新型 CFP 螺桿進行均質化和加工。這一技術可避免加工過程中形成纖維團聚，在降低成本的同時確保部件性能達到最佳。此外，該技術使塑料加工企業能對聚合物和纖維進行單獨計量與混合，自主研發部件配方并積累材料專業知識，從而獲得針對性的競爭優勢。

 

圖4：SABIC全新的巨型注塑成型平臺，可實現大型熱塑性部件的制造©SABIC

在另一項具有廣泛應用價值的技術開發中，SABIC（沙特基礎工業公司）推出了巨型注塑成型平臺（Megamolding）平臺，這是一個旨在使大型熱塑性塑料部件制造成為可能的新平臺（圖4）。SABIC 表示，通過將公司的材料科學專業知識與各價值鏈合作伙伴的技術經驗相結合，該平臺有望提供比傳統工藝更快、更具成本效益且更可持續的制造解決方案。盡管熱塑性塑料在制造領域應用已久，但成本、復雜性和加工難度等問題限制了其在大型部件中的應用。而巨型注塑成型平臺通過提供可擴展的高性能解決方案，克服了這些障礙，為設計提供更大自由度并提升了加工效率。

SABIC 指出，該平臺的優勢包括：通過采用高性價比模具、整合部件、簡化制造、后處理及組裝工序，提升成本與工藝效率；相比金屬鑄造或熱固性材料加工，注塑成型周期更短；設計自由度更高，可實現更復雜的幾何形狀與功能集成；產品結構更簡化，拆卸、分類和回收設計更優化；在滿足強度和剛度要求的同時，減輕重量和質量；以及通過提升加工效率減少碳排放。

本文由榮格獨家翻譯自AMI《COMPOUNDING WORLD》
作者/ Chris Saunders

 

來源：榮格-《國際塑料商情》

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