精密挤出技术开发和应用展望
自从世界第1台柱塞式挤出机成功研制开发以来，挤出成型现已发展
成为聚合物最主要的成型加工方法，具有效率高、成本低、可连续操
作、适应面宽等特点。但是该法也存在成型精密度低、产品附加值低
等问题，因此开发精密挤出成型技术和相关装备，使挤出成型成为1
种高精密度、高附加值的加工成型方法已成为当前聚合物加工技术的
研发热点之一。
　　开发必要性
1.高精密制品成型
光导纤维、医用导管、音像片基、照像胶片片基、投影胶片等高精密
制品的市场需求与日俱增，这些制品几何精度比普通制品提高50%以
上，普通挤出成型设备无能为力。
2.特种材料加工成型
一些危险和有毒物料的加工需要严格控制挤出过程的工艺参数，控制
不良时可能产生严重后果。含红磷聚合物复合材料的挤出，由于红磷
易燃，需要严格控制加工条件。有些塑料高温时会分解释放出有毒、
腐蚀性气体，对设备和操作人员造成危害。聚四氟乙烯（PTFE）和乙
烯-四氟乙烯共聚物（ETFE）在一定温度下就会分解产生HF气体，不
仅腐蚀挤出设备，而且会损伤人体肝脏。在军工领域，挤出机也用于
炸药的加工，其危险性不言而喻，除塑化系统的合理设计和精密加工
外，挤出工艺也要严格控制。
3.反应挤出成型的要求
现代挤出机除了塑化功能外，还具备化学反应器的功能，物料在挤出
机中可以完成本体聚合、化学接枝、键间共聚物的获取、偶联/交联、
可控降解、功能化和官能团改性、高分子合金制备、纳米/高聚物复
合材料制备等。反应挤出过程需要严格控制反应温度、压力、物料停
留时间及其分布等参数，普通挤出机往往是难以满足。
4.高速化挤出
挤出设备的高速化已经得到了相当的发展。日本池贝公司的D30单螺
杆挤出机的转速高达3000r/min，产量达300kg/h。国外锥形双螺杆
挤出机用于生产PVC管材，单机产量可达1100～1500kg/h。平行双
螺杆挤出机的螺杆直径已超过300mm，长径比最高达100，螺杆最高
转速达到1500r/min，WP公司的ZSK133系列机的产量达到7000～
11000kg/h。医用导管的线速度可达250 m/min，薄膜的线速度可达500
m/min，包覆电缆的线速度可达到500m/min以上。挤出生产的高速化，
对成型过程的控制也提出了更高的要求。
5.减少制品材料消耗
常规挤出装备生产的板、片、膜、管的壁厚不均匀度一般为8%～10%，
由此造成的材料浪费约8%。目前，我国挤出成型制品产量约1260万
t，每年因挤出制品的几何精度低就浪费树脂100余万t。
　　相关技术
精密挤出成型通过对挤出过程的精确控制，实现制品几何尺寸高精密
化和材料微观形态高均匀化，主要特征为：设备工作状态非常稳定，
工艺参数波动很小，制品几何精度比常规挤出成型方法提高50%以
上。
精密挤出成型过程主要包括精密塑化、精密控制、精密成型等三个方
面，实现途径主要有2种：提高挤出成型过程温度、压力和流量的稳
定性，通过先进控制手段，对波动实时自动调整。
1.提高过程稳定性相关技术
挤出成型过程十分复杂，高聚物要经历固体输送、熔融、混合、增压、
泵送、成型、冷却固化等过程，受到剪切、拉伸、压缩、加热、冷却
等作用，发生熔融、固化、取向、解取向、结晶等相态和结构变化，
因此挤出过程的控制难度极大。此外，由于制品成型和定型在较低压
力下进行，易受挤出塑化稳定性和外界因素影响。为克服以上不稳定
因素的影响，人们开发出一系列提高挤出稳定性的装置。
①采用稳压装置
a．熔体齿轮泵　与挤出机串联使用，主要功能为对来自挤出机的高
温塑料熔体增压、稳压，保持熔体流量精确稳定地送入挤出机头，可
以将挤出过程的压力波动降低90%以上，是目前应用最为广泛的稳压
装置。
b.压力波动控制器　熔体齿轮泵加工精度高、价格昂贵，在某些场合
可用其他稳压装置。压力波动控制器基于动态流量平衡原理研制，通
过稳定挤出压力来实现稳流目的。波动控制器响应较快，能够抑制熔
体挤出的高频波动。
c.并联式稳压装置　该稳压装置是北京化工大学研究开发的，对传统
串联稳压方式起到很好的补充，可消除83%～91%的压力波动和挤出
流量波动。
此外，还有锥体座套式压力控制装置、螺钉型阀门装置、多环活动阀
门式稳流装置、鱼雷头移动式稳流装置等。
②精密挤出成型机头
a.阻力可调节机头　挤出流量的波动会引起制品轴向尺寸的波动，这
种波动可以通过调节机头流道的阻力来加以平衡。在线测量仪器监测
到挤出流量波动时，微处理器向伺服电机发出动作指令，通过传动系
统驱动阻力调节环沿轴向位移，使机头阻力变化，从而起到稳定挤出
流量的作用。
b.口模间隙自动调节机头　最广泛使用的1种热螺栓式调节装置，工
作原理是在膨胀螺栓外部设置加热器，螺栓长度随温度变化而变化，
以此控制流量波动。
c.组合式自动调节机头　由德国亚琛塑料加工研究所开发，可自动调
整阻流块和模唇处的间隙，实现对流量波动控制。
d.熔体粘度调节式机头　熔体粘度随温度升高而降低，粘度的变化会
影响到熔体流动速度，因此挤出制品横向尺寸出现偏差时，可通过调
节机头口模的温度分布来进行补偿。
③失重式计量料斗
单螺杆精密挤出机工作无论多么稳定，总会存在波动，这种波动可以
通过挤出机的控制系统加以调节，如可将挤出机的实测产量与螺杆转
速或牵引速度形成闭环，提高制品的轴向尺寸精度，但挤出制品产量
通常难以测量。为此，人们开发出失重式计量料斗，以较好地解决挤
出产量的在线测量问题。
失重式计量料斗上装有称重传感器，可测得挤出机即时产量，PLC控
制系统对即时产量做出反应，实现挤出产量与牵引速度或螺杆转速的
闭环控制。采用失重式计量料斗，可以对制品的米重进行精密控制。
2.控制技术
随着现代电子信息技术和机械加工技术的发展，特别是4C
（Computer、Communication、Control、CRT）和IT技术的广泛应用，
精密挤出成型生产装备在机械构造设计、测控技术及数据采集处理等
方面都有了很大飞跃。在精密设计、精密加工、精密选型、精密配置
的基础上，通过对系统参数的在线高精度检测、数据传输以及精确控
制，可以实现真正意义上的精密挤出成型。
精密挤出装备和常规挤出装备的主要控制参数基本相同，但是为了对
系统参数实现更精确、更精密地控制，采用了先进的控制手段和检测
仪器，并对主要目标质量控制参数(如制品几何精度等)实施闭环控
制、统计过程控制、复杂控制（如串级控制、前馈控制等）以及智能
控制等（如专家控制系统、模糊控制等），实现最终目标质量的精密
控制。这些控制方法可实现传统仪表控制系统无法实现的功能。
　应用前景
    挤出成型理论的发展使人们可以根据制品成型要求，精密地设计
挤出成型工艺和设备。以稳定挤出为目标的挤出装备的创新、现代机
械加工技术水平的提高、先进控制技术的采用，为精密挤出技术的发
展提供了极大的空间。而精密制品、功能性制品、反应挤出制品以及
双向拉伸、功能梯度材料、微发泡制品成型工艺的要求，对精密挤出
技术发展起到了巨大推动作用。
1.高附加值加工产业
以医用塑料导管为例，国外一些公司已经能够生产透析管、人工血管、
介入疗法用支架等精密医用制品，这些制品的售价一般为原料价值的
数百倍甚至上万倍。
精密挤出装备是生产精密挤出制品的必备条件，目前，精密挤出成型
装备的价值是通用挤出成型装备售价的5～10倍以上，其开发和应用
将为塑料机械厂带来巨大的商机和丰厚的利润。
2.反应挤出成型和功能高分子材料加工
现代反应挤出机不仅具有塑化功能，而且还具备化学反应器的功能，
物料在挤出机中可以完成本体聚合、化学接枝、键间共聚物的制备、
偶合/交联，可控降解、功能化、官能团改性，以及高分子合金、纳
米/高聚物复合材料的制备等过程。这些过程需要严格控制反应温度、
压力、物料停留时间及其分布等参数，而且需要严格控制反应物料与
外界的热量传递等，普通挤出机往往不能胜任，精密挤出成型机可以
实现对挤出过程参数的精密控制，满足不同反应体系的要求，大有用
武之地。
　差　距
目前国产挤出装备的销售量为8000余套/a，销售额30亿元左右；进
口挤出装备2000余台套/a，约2亿美元左右，其中不少为大型和精
密加工设备，单价一般为国内设备的8～10倍，附加值很高。
　　进口的挤出设备主要有大口径实壁管和波纹管、土工膜、双向拉
伸膜（BOPP、BOPET、BOPA、BOPS等）、滴灌管、医用导管、音像片
基和感光片基等产品生产线以及石化用大型双螺杆挤出造粒装备和多
功能实验室用挤出机等。这些设备技术优势明显，具有高精密度、高
速和高效率、高可靠性等特点。
日本伊藤忠TEXMAC公司共挤出双内腔导管医用生产装备，报价100
万美元。该装备包括3台挤出机，分别成型两个内腔导管和外包覆套
管，内腔导管成型及与外包覆套管的复合在一套模具中一次完成，而
且经更换模具可生产各种形状的医用导管。为了确保导管几何尺寸的
稳定性，三台挤出机均配备熔体齿轮泵，采用伺服电机牵引。
美国PEI（Precision Extrusion, Inc.）公司用于生产医用导管的
精密挤出机，采用了特殊的设计、制造和统计过程控制技术，挤出机
各段温度偏差控制在±1℃，管材壁厚偏差控制在2%以内。
而高产挤出设备的控温精度一般在5～10℃，管材壁厚偏差在10%以
上，无法满足医用导管、光导纤维等高精度制品的生产要求。我国高
产挤出设备无论是在实际水平，还是加工水平上都与国外先进水平存
在15～20年的差距。实时工艺和制品参数监测及先进控制技术的应
用也存在很大差距，先进的高精度在线检测仪器主要依赖进口，国内
寥寥可数，且与国外产品的差距在10年以上。
1.设计水平和技术创新能力
国外先进的塑料机械加工企业都有很强的设计和技术创新能力，如日
本的Nissei公司设有5个技术研究中心，拥有376名注塑成型技术
工程师，占员工总人数的46.1%，获专利技术1470项。国内塑料机
械企业中大学以上专业技术人员不足10%，企业自主知识产权少，开
发新产品一般以仿制为主，CAD、CAE、CAM应用尚处于初级阶段，多
数企业不具备实质上的技术创新能力。
2.机电加工
国外塑料机械制造行业普遍采用CAD、CAE、CAM技术，以及高精密度
的数控加工中心。近年来发展起来的高速铣床的主轴转速高达4×
104～10×104r/min，表面粗糙度Ra≤1μm；加工精度超过1μm的
超精加工技术和集电、化学、超声波、激光等技术综合在一起的复合
加工,塑料机械加工水平大大提升。国外螺杆端面跳动误差≤0.01mm；
螺杆外径误差可控制在0.005mm以下；螺杆外表面和料筒内表面的粗
糙度Ra≤0.2μm;注塑机模板的形位公差≤±0.02mm/1000mm。尽管
国内近年来从国外进口了一些高精度的机加工装备，但整体水平差距
明显。
3.在线检测和自动控制
国外精密挤出装备上普遍采用基于激光、光学、电磁、超声波、感应
式、气流感应式等原理的测量装置。前3种方法主要用于测量挤出物
的外形尺寸，后4种用于测量产品的壁厚。激光测量仪经常用于测量
管材和包覆电缆的外径，根据测量范围的不同，分辨率为0.001～0.01
mm。在自动控制方面，除了PLC控制以外，模糊控制技术、神经网络
控制技术、统计过程控制技术等先进控制技术在精密挤出装备的作用
也日益突出。而国内控制技术仍停留在初级PLC控制阶段，多为开环
控制或简单的联动控制，由于缺少在线测量仪器和先进的控制软件，
闭环控制很少采用。
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　　北京化工大学在教育部骨干教师基金和北京市自然科学基金的资
助下，开展了精密挤出机理的研究和技术创新，成功搭建了精密挤出
实验台，该实验台配备熔体泵、伺服驱动系统、失重式加料计量系统、
在线激光测径仪等有助于提高挤出过程精密可控化的装置，还配备了
并联式稳压系统、统计过程控制（SPC）系统等具有自主知识产权的
专利技术和装备。近日，又基于该实验台成功推出精密挤出医用管材
生产线。