影响精密挤出稳定性的因素分析

挤出成型属于高聚物材料十分常用的一种加工工艺。按照统计资料显示, 大约60.0%的塑料制品经挤出成型加工制成的。然而挤出成型加工工艺一直面临着制品成型精度不足的问题, 这一问题可导致十分严重的资源浪费, 采用常规挤出装备生产的板、片、膜、管的壁厚不均匀度一般可达8.0%~10.0%, 由此形成的资源浪费可达到约8.0%;另一方面, 制品成型精度不足还对相关高精密度产品的应用领域形成一定程度的制约, 比如在光导纤维生产过程中, 通常是以聚碳酸酯为生产原料, 产品规格指出其直径公差不应大于其公称直径的1.0%, 而传统挤出机并无法达到这一规格;此外双向拉伸薄膜、高速涂覆电缆及医用特种管材制品等对挤出精度同样有着高要求, 传统挤出工艺、设施设备也无法达到标准[1]。为了提升挤出过程的稳定性, 研究人员就挤出过程机理模型、成型工艺条件控制、挤出机优化设计等内容展开了诸多的基础理论研究, 研制出各式各样的挤出过程控制装置, 为单螺杆精密塑化挤出机理发展创造了良好的契机。

1 高聚物精密挤出概述

高聚物精密挤出指的是一项通过对精密挤出成型设备的应用, 规范精密挤出工艺, 获得产品高精度持续挤出成型的方法。其特点主要表现为:挤出设备工作状态十分稳定, 挤出产品的几何精度相较于传统挤出成型方法可提升50.0%以上[2]。

2 影响精密挤出产量稳定性的因素

(1) 挤出产量稳定化达到精密挤出成型的一个首要条件便是有效消除各类影响因素波动, 从而获得恒定压力、恒定温度及恒定产量的稳定挤出步骤。从这一角度出发, 制品几何精度降低受挤出机流率波动影响, 根据挤出机流率波动出现的频率, 可将该波动划分为以下几个方面: (1) 高频波动是和螺杆旋转速率相比更快的波动。一般出现高频波动的原因可能是挤出机传动装置的精度有限, 或者熔体温度没有达到均匀的状态, 温度过低导致制品的外层表面出现熔体龟裂、拉伸共振等问题[3]。在高速、高剪切等作业情况下尤其要重视高频波动的影响。 (2) 中频波动。中频波动为不足螺杆旋转速率5~10倍的波动, 该种波动频率范围在1次/min~15次/min, 挤出稳定性受中频波动重要影响, 其产生原因主要是受土体传输环节、熔融环节不稳定等造成。 (3) 低频波动。低频波动至少几分钟方可波动一次, 作为一种低频率波动, 其产生原因包括环境温度、湿度变化以及自来水水压、供电电压变化等。 (4) 等频波动。等频波动属于与螺杆旋转速率相一致的波动, 其产生原因主要是螺棱前端后端形成轴向压差导致, 轴向压属于拖曳流动引发的结果。

(2) 影响产量稳定性的因素 (1) 固体输送与固相破碎。精密挤出实践过程中, 由于固体输送、熔融环节与计量段入口处紧密连接, 计量段入口位置压力或多或少地会被相关固体输送及熔融环节不稳定因素所左右, 进而一定程度地制约挤出机产量。相关精密挤出研究指出, 加料处压力波动情况与粒料密度压缩率重要关联, 这也某种程度上阐明了为何低松密度物料通常会形成挤出波动的情况。开槽衬套挤出机采取螺旋槽或者纵向沟槽, 很大程度上提升机筒与粒料相互间的摩擦力, 不仅增大了固体塞密度, 还构建加料段高压, 从而确保了挤出环节的稳定性[4]。此外, 粒料熔融期间固体床破碎会使得压力、温度及流率出现大幅度波动, 相关实践研究发现, 经对螺杆冷却处理能够避免固相出现破碎, 选取高固体传输能力的开槽机与高熔融螺杆配合使用, 能够收获良好的稳定塑化挤出成效。固相破碎属于单螺杆挤出机熔融环节出现的一种不足, 固相破碎形成压力、温度波动, 导致熔体挤出量波动, 最终造成制品尺寸波动。相关实践研究发现, 为了避免固相破碎情况出现, 可选取冷却螺杆应对措施, 冷却螺杆可一定程度提升产品质量, 但是另一方面受冷却螺杆缩减计量段实际螺槽深度影响, 会导致产品产量下降;并且螺杆的冷却会一定程度提升挤出操作难度, 因此冷却螺杆这一对策在挤出成型步骤中并不被得到推广。现如今精密挤出理论不断发展, 为新型螺杆研发创造了良好契机, 新型螺杆选取于常规螺杆熔融处及计量处上添加混炼元件等相关工艺以确保传输水平, 控制挤出温度, 并降低径向温差和温度波动, 降低流量波动和压力波动, 提升混炼效果, 有效保障产品质量。

(2) 压力波动。高聚物经螺杆推动, 经螺槽持续往前方输送而形成相应的压力, 经此压力作用聚合物熔体经口模形成相应的形状。机头压力属于一项十分重要的加工工艺参数, 很大程度上影响着挤出机的产量, 即挤出机产量与机头压力呈正相关关系, 而机头压力高低的影响因素则分别包括塑化熔融环节、固体输送效率及机筒温度等, 由此可见机头压力极易出现波动[5]。近些年欧美发达国家普遍采用齿轮熔体泵方式对机头压力进行稳定, 但齿轮熔体泵存在使用成本高、价格昂贵等不足, 很大程度上限制了齿轮熔体泵的推广。后来人们结合动态平衡原理研发出压力波动控制器, 压力控制器反应灵敏, 可有效调节熔体基础高频波动, 对压力波动控制器开展的相关实践研究均表明其有着良好的稳压功效。

(3) 温度波动。温度波动可造成粒料熔体粘度转变, 从而使得挤出流率及机头压力转变。温度精准调节是精密挤出成型中是十分重要控制环节, 温度过高或温度过低, 会产生极大产品收缩率、热降解或塑化熔融不佳等不良后果。精密挤出成型, 一方面要确保产品形状, 获得低温挤出, 一方面要确保重复性温度参数调节精度, 无不对温度调节提出了严苛要求。温度精准调节先决条件为温度的精准监测, 为了提升挤出环节控温精度程度, 当前广泛使用的对策为选取深浅孔结合测温手段。实现精密挤出成型以调节稳定、精准的温度为重要前提条件, 先进的温度调节系统、先进的测温元件相互结合运用是控制挤出环节中温度波动的重要手段。

(4) 转速波动。相关挤出理论研究指出, 挤出流率与螺杆传动速率呈正相关关系, 这说明了提升螺杆传动速率能够极大地提升挤出机产品产量。从精密挤出稳定性角度出发, 提升螺杆传动速率即加大了螺杆转速波动控制难度。现阶段行业挤出机普遍推广使用变频电机或者直流电机, 此类电机有着良好的工作稳定性, 这也是现如今传动技术提升带来的必然结果, 现如今选取变频调速电动机结合塑料挤出机专用减速器, 能够将螺杆转动速率波动降低至约0.01%。

(5) 失重计量加料系统。失重计量加料系统是由欧洲国家开创研发的, 该系统一方面能够作用于精确配混粒料, 一方面能够作用于控制挤出制品稳定性。有别于传统尺寸测量手段, 失重计量加料系统是应用供料量对挤出量进行控制的。失重计量加料系统不被挤出机进料密度所左右, 即即使是批次进料在粒料密度不断变化的情况下失重计量加料系统也不会受到制约, 这一能力有效地弥补了体积计量系统的不足。失重计量加料系统相关实践研究指出, 应用失重计量加料系统的产品重量范围能够控制于±0.5%~2.0%, 且失重计量加料系统还能够适用于共挤出成型, 可有效控制每一层的厚度, 伴随现如今社会生产对塑料产品尺寸精度要求日益提升, 失重计量加料系统在精密挤出行业势必将得到愈来愈广泛的推广使用[6]。

3 结语

总而言之, 文章对影响精密挤出稳定性的因素展开分析, 控制稳定挤出成型制品精度的重中之重便是控制挤出成型流程中各项因素的变化, 选用先进挤出成型设备和过程控制装置, 结合高分子材料供料控制, 科学合理地调控加工工艺条件是降低挤出成型环节各因素波动的重要方法。

摘要：高聚物精密挤出是一种十分复杂的生产工艺。文章通过对高聚物精密挤出过程进行概述, 对影响精密挤出产量稳定性的因素展开研究分析, 旨在为相关人员基于影响精密挤出稳定性的因素研究提供一些思路。

关键词：精密挤出,稳定性,影响因素

参考文献

[1] 吴大鸣, 李晓林.高聚物的精密挤出[J].合成橡胶工业, 2002, 25 (03) :131-135.

[2] Dieter Reimann, Innovations for pipe and profile downstreamequipment, Extrusion Technology, From milestone to milestone, Battenfeld, 2000, 124-129.

[3] 傅学军, 刘岩, 卢涛, 张纯忠, 陈川.机头温度对薄壁小口径软管成型尺寸的影响[J].现代塑料加工应用, 2001, 13 (03) :30-32.

[4] D.M.Bigg.The effect of solids conveyance on the stability of the single screw extrusion process[J].Advance in polymer Technology, 1987, 7 (02) :147-154.

[5] 李亮, 吴大鸣.提高挤出制品精度的技术与装置[J].工程塑料应用, 2001, 29 (10) :44-46.

[6] 陈嘉钟.贝加莱产品在挤出机行业中的应用[J].国内外机电一体化技术, 2000, (04) :42.