让挤出生产线达到最佳性能和效率，需要做对数百件事...

高效挤出需要适当的仪器设备。在这里，最关键的工艺变量是“三个M”：熔体压力、熔体温度和电机负载（melt pressure, melt temperature,  motor load）。它们是挤压过程的生命体征。它们必须被持续测量和监控。还应测量和监测以下参数：

● 机筒温度，

● 螺杆转速，

● 每个加热或冷却区的功耗，

● 环境温度，

● 相对湿度，

● 原料进入挤出机的温度，

● 进入挤出机的原料水分含量（如果有吸湿要求），

● 冷却水流量，

● 进水温度，

● 出水温度，

● 排气口的真空度（适用时）。

水流率加上入口和出口温度可以定量实际的冷却量。如果进料室中的冷却通道积聚钙沉积物，热传递将逐渐恶化，从而显著影响挤出机性能。如果不测量冷却速率，则很难将挤出机性能下降与传热不良联系起来，熔体温度也将很难控制。

数据采集 (DA) 功能对于开发稳健的挤出工艺、保持工艺一致性、优化工艺和高效排除故障至关重要。幸运的是，借助当今的廉价计算机和广泛使用的DA软件，可以在现有挤出生产线上安装功能强大的DA系统。不幸的是（令人费解的是），很少有处理器有效地利用了此功能。

笔者曾与加工商合作，在一条相对较旧的挤出生产线上安装了基于计算机的DA系统。DA系统的成本不到20,000美元。在大约三个月内，这条生产线的废品率从大约15%下降到5%。结果，DA系统在几个月内就收回了成本，现在帮助加工商在每条生产线上始终以显著降低的废品率运行。

废品率降低了，因为使用 DA 系统可以以前所未有的方式优化流程。此外，可以在实际生产不合格产品之前立即识别并纠正可能导致不合格产品的问题。这不是航天科技！它只是简单并有效地使用现成的工具。哪怕是旧的挤出设备也可以生产出优质的产品，只要它们得到良好的维护并且具有良好的仪表控制以及DA功能。

进料的一致性和进料到挤出机的流动对于实现工艺稳定性至关重要。进料的变化（例如，不同程度的再研磨）总是导致挤出过程的变化。即使是颗粒大小分布等看似微不足道的问题也会影响流程。通常，较窄的颗粒尺寸分布会增强挤出过程的稳定性。

图1 溢流进料完全填满螺杆通道并利用了螺杆的全长，它不需要额外的进料设备，但减少了过程控制。

有两种基本的喂料方法：溢流喂料和饥饿喂料。在溢流喂料中，进料斗被填充到一定水平，材料以质量流（大部分时间）流向挤出机，挤出机尽可能多地吸入材料。螺杆通道几乎立即被完全填满（见图 1）。结果是，在溢流进料中，螺杆有效长度的多或少与螺杆的螺纹长度相同。

图2 饥饿喂料需要喂料器，但提供更好的过程控制并倾向于降低熔体温度。

在饥饿喂料中，聚合物通过进料装置计量进入挤出机（图2）。料斗内无堆积；材料反而直接落入螺杆通道，而螺杆通道在进料口处仅部分充满。当材料向前输送时，螺杆通道将在进料下游一定距离处被完全填满。

在饥饿喂料中，螺杆的有效长度小于螺杆的螺纹长度。一个重要的优点是可以在挤出机运行时调整有效螺杆长度。与有效长度不可调节的溢流进料相比，这允许更广泛的过程控制。饥饿喂料只有在挤出机足够长以实现完全熔化和有效混合时才有用。因此，饥饿喂料通常不会改进短（25D长）挤出机的工艺。饥饿喂料需要喂料器，但它可以降低电机负载、熔体温度以及料斗中结块、桥接和分离的可能性。

图3 这个来自管道挤压操作的例子表明，一定程度的饥饿补料会产生更均匀的壁厚。在100%填充时实现溢流喂料；少一点就是饥饿喂料。

饥饿喂料可以实现一定程度的过程优化，这是溢流喂料无法实现的。图3显示了管道挤压操作的示例，其中在多个填充水平下测量了壁厚变化。百分百填充代表溢流喂料；小于该值表示饥饿喂料。填充百分比是相对于溢流进给率的实际进给率。

很明显，最小化壁厚变化的最佳工艺条件是填充率约为98%。最佳饥饿程度下的壁厚变化大约是溢流喂料时的一半。这意味着在最佳条件下，可以使用更少的材料，因为管道的壁厚可以更接近最小值。在这种情况下，仅材料一项就节省了大约100,000美元/年。

工厂内的环境在挤压过程中也起着重要作用。室温和相对湿度的变化会影响该过程，气流也是如此：打开门或窗户可以改变挤出机周围的传热条件并导致过程转变，打开或关闭挤出机附近的风扇也会导致类似的过程变化。由于这种性质的事件通常不会显示在仪表板上，因此可能不容易找到这种过程变化的来源。

当螺杆提供加热和熔化塑料所需能量的大约在80%到90%时，挤出机的运行效率最高。在这种情况下，机筒加热器提供10%到20%的额外热量。有时，螺杆提供超过100%的加热和熔化塑料所需的能量。我们可以称之为“过度活跃”的螺杆。这里需要机筒冷却来控制温度。

机筒冷却会浪费能源，而很明显，能源不是免费的。图4显示了以 kWh/kg 为单位的比能耗 (SEC) 如何随螺杆速度变化。每种塑料都有特定的加热和熔化能量需求。对于半结晶塑料，该值约为0.15kWh/kg，对于无定形聚合物，该值约为0.10kWh/kg。

图4中的曲线表示螺杆产生的摩擦热和粘性热的组合。这通常被称为剪切热，尽管这个术语并不严格正确。在低螺杆转速下，螺杆产生的热量很低，机筒加热器的作用很大。在更高的螺杆转速下，大部分热量（80%至90%）由螺杆产生——这是首选的运行范围。

当螺杆速度进一步增加时，它穿过表明塑料的 SEC 要求的水平线。这个交叉点称为自生挤压点。此时所有的热量都由螺杆产生，机筒加热器不必再提供热量。超过这个自生点，螺杆会产生比必要更多的热量——它变得过度活跃。当螺杆速度增加到超过交叉点时，机筒需要冷却以去除螺杆提供的多余热量。

当机筒冷却时，挤出机中的熔体温度将高于机筒温度设定值，因为热量从机筒内部流向外部。当进行少量冷却时，熔体温度可能比设定值高10℉至50℉。使用中等冷却量，熔体温度可能比设定点高 50℉至 100℉。当冷却始终处于全速时，实际熔体温度可能比设定值高 100℉至150℉，甚至更高。由于此时的熔体温度通常无法测量，因此大多数加工商没有意识到这种情况可能是有害的。

重要的是要了解冷却的需要意味着塑料过热。这会增加塑料降解和产生黑点、凝胶和变色的风险。它还会降低模具出口处的熔体强度，并使挤出物更难冷却。运行带机筒冷却的挤出机就像在踩刹车踏板时驾驶汽车一样——它会浪费能量并导致过度磨损。

高效挤出需要仔细优化机筒温度。许多公司对机筒温度曲线没有给予足够的重视。设置机筒温度有多种方法。其中一种有效方法是动态优化。该方法涉及对设定点进行较大的更改，并跟踪实际温度和压力如何随时间变化。图5显示了当设定点从390℉降至300℉时压力如何随温度变化。

在上面显示的情况下，机筒区域 1 的最佳温度设定点约为330℉。这种找到最佳设定点的方法比对设定点进行实时更改并等待挤出机对变化做出反应要快。对于大型挤出机，机器可能需要30分钟或更长时间才能对设定值的变化做出反应。如果进行六处更改，挤出机很容易需要三个小时或更长时间才能对这些更改做出反应。