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加热圈:PVC挤出工艺的温度设定与优化

发布时间:2017/10/12 点击量:
挤出机剪切性能高低由挤出机的螺杆结构所决定。但挤出质量优劣与挤出效率高低,还在于挤出工艺与挤出机剪切性能相适应。否则低剪切挤出机采用过高挤出速度挤出,难以生产挤出高质量型材制品,高剪切挤出机在过低挤出速度下运行,难以有效发挥挤出效率。不同剪切性能挤出机都有一定的工艺控制范围,是有限度的。业内倡导的挤出工艺路线为“马鞍型”即加热区设定温度要高一些,恒温区设定温度要低一些,保温区设定温度要高一些。但不同剪切性能挤出机在不同挤出速度下运行,“马鞍型”的“鞍”与“座”高低是完全不同的。
 
在塑料异型材挤出时,要最大限度发挥不同剪切性能挤出机的挤出效率,建立螺杆加热区(供料段、压缩段)与恒温区(熔融段、计量段)所需热量与所供热量的平衡是关键所在。依据挤出机剪切性能特点,不同剪切性能挤出机,挤出不同规格塑料异型材,应分别采取不同的挤出工艺,以适应制品质量性能的需求。
 
塑料异型材挤出,物料由玻璃态转化为熔融态共计有两种热源,一种是由电加热器提供的外加热,一种是由螺杆在旋转过程中对物料压延、摩擦、剪切产生的热量。在开机生产时,物料的熔融主要以外加热为主,在正常生产阶段,物料的熔融主要以螺杆对物料压延、摩擦、剪切产生的内热为主。具有关资料表明:在型材挤出中,内热所占挤出机所供热量的比例,大致在65%以上。
 
外加热温度控制系统主要是通过电器仪表元件实施温度设定与显示。当显示温度超过设定温度指标参数时,加热圈即刻断电,停止加温,并由螺杆油冷装置与螺筒风冷装置进行强制冷却;当显示温度达不到设定温度指标参数时,加热圈就一直不间断工作。由于内热主要受挤出机螺杆特性、加料与挤出速度的制约,不受外加热温度控制系统的影响。当低剪切挤出机挤出速度过高时,即使供料段与压缩段外加热圈工作频率提高,间歇时间很短,其显示温度亦可能达不到设定温度;即使熔融段与计量段外加热停止工作并启动螺杆与螺筒冷却装置运行,显示温度仍可能远远高于设定温度。
 
同时由于反映显示温度的测温点(热电偶)安装在挤出机螺筒壁上,与螺筒内物料有一定距离,仪表显示温度与物料实际温度在不同工况下则有一定梯度,存在不同对应关系。一般情况下加料段与压缩段物料即存在外加热,又存在剪切热,为双向加热,显示温度基本等同于物料温度;熔融段与计量段物料显示温度未达到设定温度时,亦为双向加热。当显示温度超越设定温度时,热量开始由内向外传递,可称之为逆向传热,显示温度低于物料温度。由此可知低剪切挤出机挤出速度较高时,螺杆熔融段、计量段物料实际温度不仅高于设定温度,也高于显示温度。
 
因此当显示温度在设定温度区域运行时,设定温度参数基本等同于物料温度,是物料塑化熔融的控制目标与依据。当显示温度偏离设定温度区域运行时,显示温度可假定为物料温度,即取代设定温度成为物料塑化熔融的控制目标与依据。设定温度只是增加或减少外供热的调控手段。
 
对于低剪切挤出机,由于给料段、压缩段压缩比较小,所提供的内热远远满足不了玻璃态物料塑化要求,故给料段、压缩段温度设定应高一些,因配方不同,大致在190~200℃左右,尽管在提高挤出速度情况下,显示温度依然偏低,但提高设定温度的目的,是为了供料段、压缩段电加热圈,一直不间断工作,只要显示温度在180~185区间,物料紧包裹于螺杆,处于微熔状态,不出现排气孔冒料现象,可视为正常;熔融段、计量段设定温度应低一些,因配方不同,大致在165~175℃左右,尽管在提高挤出速度情况下,显示温度依然偏高,但降低设定温度的目的,是为了熔融段、计量段电加热圈适时停止加热,并启动螺杆油冷与螺筒风冷对物料进行冷却,只要显示温度在180~185℃区间,挤出型坯截面未出现气孔、麻点等症状,可视为挤出速度正常。反之即使给料段、压缩段温度设定的再高,加热圈不间断工作,排气孔物料疏松,呈豆腐渣状,未包裹住螺杆,从螺筒排气孔出现冒料现象;熔融段、计量段设定温度再低,电加热圈已停止工作,螺杆油冷与螺筒风冷一直对物料进行冷却,挤出型坯已出现气孔、麻点等症状,可视为挤出速度已到极限,应及时降低挤出速度或加料与挤出速度(3)。
 
排气孔冒料是低剪切挤出机塑化不良的表征。但并非排气孔冒料都是低剪切挤出机所造成的。导致排气孔冒料主要有以下原因:①加料速度过快,所增加的剪切热不足于平衡所增加的给料量需要的热量,导致的塑料塑化不良;②挤出速度过快,所增加的剪切热不足于平衡物料在给料段与压缩段停留时间减少而损失的热量,导致的塑料塑化不良;③配方采用CPE抗冲改性剂时,加工助剂添加量偏少,物料摩擦性能差,到排气孔时塑化不良;④配方中润滑剂过量,物料在挤出机内移动挤出速度过快,到排气孔时塑化不良;⑤挤出机螺杆与螺筒轴向间隙过大,漏流严重或螺杆给料段、压缩段温度过高,导致物料“过塑化”,已转化为熔体的物料经历了压缩段第一次压力高峰后,到排气孔时应力释放,体积膨胀,粘附在螺棱端面,随螺杆转动被排气段螺筒刮落在排气孔管壁上,积累到一定程度从排气孔溢出。前两种排气孔冒料均和挤出机剪切性能差有关,第三种与第四种排气孔冒料主要与配方有关,第五种排气孔冒料主要与挤出机磨损及剪切性能高有关。在判断排气孔冒料原因时,应综合考虑,不可盲目而定。如属于试验配方发生的排气孔冒料应调整配方;如属于挤出机磨损,应调整挤出机螺杆与螺筒间隙;如发现物料在排气孔“过塑化”应调整加料挤出速度比;前三种排气孔冒一般表现为扭距升高,后两种排气孔冒一般表现为扭矩降低。
 
 
 
对于高剪切挤出机,由于给料段、压缩段压缩比较高,所提供的内热已能满足玻璃态物料熔融的需要,故一般情况下,给料段、压缩段设定温度比低剪切挤出机设定温度要低一些。依据物料在螺筒排气孔的具体形态而定。不但要注意排气孔是否冒料,而且要注意排气孔物料是否“过塑化”;同样道理,由于熔融段、计量段压缩比较低,剪切热少,故一般情况下熔融段、计量段设定温度比低剪切挤出机设定温度要高一些。亦按型料,而且要注意排气孔物料是否“过塑化”;同样道理,由于熔融段、计量段压缩比较低,剪切热少,故一般情况下熔融段、计量段设定温度比低剪切挤出机设定温度要高一些。亦按型坯在口模出口的形态而定。不但要注意型坯截面是否出现气孔,还要注意型坯是否“欠塑塑化”。高剪切挤出机比低剪切挤出机设定温度曲线相对比较平缓。 
 
高剪切挤出机挤出最常见的问题不是排气孔冒料,而是由给料段与压缩段剪切热过高,导致物料在排气孔出现挂料“粘壁”症状。开机一段时间,型坯出现黄线,难以正常生产。因此应尽降低该两段设定温度,减少外供热量或调整配方,适量增加润滑剂或减少加工助剂。如果效果不显著或配方润滑剂与加工助剂的变化导致型材质量变化,以及同时采用不同剪切性能挤出机生产,同一的混料、储料、输料系统,不可能为高剪切挤出机单另配料,只有降低挤出速度,在较低挤出效率区间运行。由此也可以提醒企业在增加或更新挤出机时,最好购置挤出机螺杆结构与性能一致或相近的机型。
 
在挤出过程中,物料由玻璃态转化为熔融态的过程,除搞好物料塑化所需热量与所供热量的平衡,使物料完成理想的塑化外,熔压也是一个十分重要的控制指标。由于物料在挤出过程中受口模阻力、螺杆各段压缩比的影响,本身不是以常压存在的。不同口模,螺杆各段压缩比基本是恒定的,不可变的。螺杆各段压缩比也只是对各段螺杆物料压力进行分配与调整,不可能增加或减少熔体在挤出过程中的总压力。总压力调整主要依靠挤出速度、给料与W挤出速度比等工艺方法进行。调整挤出速度、给料与挤出速度比不仅是调整挤出温度的重要措施,也是调整调整熔体压力与挤出效率的主要措施。
 
在挤出速度不变前提下,提高或降低给料速度,给料段螺杆物料容积发生变化,排气段物料容积保持不变,故给料段、压缩段随压缩比变化,其熔压随之提高或降低;在给料速度不变前提下,提高或降低挤出速度,给料段螺杆物料容积亦发生变化。排气段物料容积依然不变,故给料段、压缩段随压缩比变化,其熔压随之提高或降低;给料速度随挤出速度同步提高或降低,由于给料段螺杆物料容积不变,仅是因速度增加或减少,导致的熔压变化。由此可知:前两种情况,随熔体容积变化,熔体压力同步变化,变化较大;后一种情况因熔体容积不变,熔体压力变化较小。因此低剪切挤出机或高剪切挤出机在温度调整时,都要注意物料熔压变化情况,挤出型坯应在保证既不“欠塑化”又不“过塑化”前提下,尽量提高熔压,从而确保型材具有较好光洁度、密实度、尺寸变化率与冲击性能。
 
不论高剪切挤出机还是低剪切挤出机运行一段时间,螺杆与螺筒轴向间隙磨损增加后,出现漏流现象,当仍在允许范围内,都存在一个工艺与配方调整问题。一般在不影响制品物化性能与外观质量的前提下,可以通过适当降低挤出速度、设定温度或适当减少润滑剂,增加填料,以减少熔体流动性的方法进行处理。当然停机调整螺杆与螺筒轴向间隙,进行抛光处理,保持物料原有流变状态,无疑是最有效的解决措施。
 
 
 
关于机头与过渡段、口模温度控制情况,由于低剪切挤出机与高剪切挤出机剪切性能的差别主要在螺杆结构,与机头、过渡段、口模等关系不大。同时机头、过渡段、口模设定温度仅仅是为熔体物料改变流动方向、调整物料截面物料流速和提高制品外观光洁度服务的。故两种不同剪切性能挤出机在温度控制上,没有大的区别。主要依据出口型坯的形态与外观色泽进行调整。具体调整情况见笔者《UPVC型材挤出过程与物料的动态热平衡》 应该指出:采用高剪切或低剪切挤出机时应与挤出型材规格相配套。高剪切挤出机剪切产生热量多、挤出量大,如果挤出型材规格过小,受口模与定型模线速度的制约,牵引速度又不能过高,使挤出效率得不到有效发挥,也不能有效利用挤出机自身机械能所转化的热能,达到节能的目的;低剪切挤出机剪切产生热量少,挤出量小,如果挤出型材规格过大,挤出速度提高时,制品质量难以保证。因此在挤出机配置模具时,高剪切挤出机应配置大规格型材模具,低剪切挤出机应配置小规格型材模具。以确保在相近的工艺条件下,挤出所供热量与所需热量的平衡。 
 
不论采用高剪切或低剪切挤出机挤出生产型材,经检验制品质量符合标准指标要求,工艺参数确定下来,一定要严格执行,一般不要轻易改变。在试验新配方时,尽量以原工艺参数为参考体系,根据物料流变情况,特别是熔压与制品成型尺寸变化、光洁度等外观质量,适当调整工艺温度或配方中加工助剂、润滑剂添加量。
 
四、总结
 
①、挤出机的剪切性能是由螺杆锥度、螺纹头数、螺距、螺棱宽度、螺槽深度、螺旋角等因素所决定的。其中螺杆锥度、螺距、螺棱宽度、螺槽深度主要通过螺槽物料容积改变,来增加或减少螺纹剪切面积与剪切热的;螺旋角改变是通过增加或减少物料行程的方法来增大或减少剪切热的。螺纹头数增加,例如供料段、压缩段由单头变为双头主要是将加热区螺杆物料流动由串连流动改为并联流动,流动速度加快,然后通过排气段单头螺纹堵截,提高其压缩比和剪切热的。实践证明,增加螺杆前两段螺纹头数虽然导致物料行程减少,但增加的剪切热远远大于物料行程减少所损失的热量,是提高挤出机剪切性能最有效的措施;
 
②、挤出机剪切热是根据挤出物料特性、形态及塑化所需热量进行配置的。由于给料段、压缩段物料基本呈玻璃态,并要求至排气段处于“微熔状”并紧紧包裹螺杆,不被螺筒剥离,所需热量较多;故该加热区压缩比较大;由于熔融段、计量段物料基本处于粘流态,只是局部不甚均匀,需要进一步恒温,所需热量较少,故恒温区压缩比较小。
 
③、挤出工艺要依据不同规格型材挤出对热量的需求进行控制,以确保挤出机所供热量与不同规格型材物料体积所需热量的平衡。对于低剪切挤出机,供料段与压缩段设定温度要保证外加热不间断工作,对挤出机剪切热依然不足进行补充。熔融段与计量段设定温度要保证外加热适时停止工作,显示温度仍处于设定温度的控制区间。否则应降低挤出速度。对于高剪切挤出机除后两段工艺控制基本相同外,最大不同点是前两段剪切热量即有可能不足,也可能过剩,应依据显示温度偏离设定温度的方向与幅度进行调整,如显示温度低于设定温度,应提高设定温度,保持外加热圈处于不间断加热状态,如显示温度高于设定温度,应降低设定温度,使外加热热圈适时停止工作并启动螺杆与螺筒冷却装置实施强制冷却。
 
④、熔体压力是保证型材密实度、尺寸变化率、冲击强度等性能的主要指标,调整挤出温度与速度时,应在保证型材外观成型质量前提下,尽量保持比较高的熔压。
 
⑤、挤出机剪切性能强弱应依据型材规格大小进行配置,以充分发挥挤出机挤出效率。
 
⑥、不同剪切性能挤出机有不同工艺参数。经检验证明能保证型材质量的工艺参数不要轻易改变,以免造成型材质量波动。
 
⑦、实验配方应以原工艺参数,特别是扭距为参照体系,以挤出机排气孔是否冒料与口模挤出型坯形态为基准进行调整。
 
⑧挤出机螺杆与螺筒径向间隙发生变化,在不影响型材质量的前提下,可通过调整挤出温度、速度与配方,减少熔体流动性,适当控制物料漏流。
 
最后应予说明的是,由于笔者直接接触的挤出机类型有限,本文论述与推导挤出机螺杆的特性不尽全面,但工艺控制原理基本是通用的。
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