高速挤出的工艺控制

高速挤出的工艺控制目前高速挤出已经成为塑料异型材行业的发展趋势。所谓高速挤出，即挤出机在确保挤出制品质量的前提下，以尽量高的速度进行生产的过程。所谓“高速”是相对而言的，在不同的历史时期与技术水平条件下有不同量化标准。在９０年代初，当国内大多数厂家挤出速度为１．２～１．９ｍ／ｍｉｎ时，达到挤出速度为２．３～２．７ｍ／ｍｉｎ，就可称为高速挤出；在９０年代末，国内大多数厂家挤出速度已实现２．３～２．７ｍ／ｍｉｎ时，达到挤出速度为２．９～３．６ｍ／ｍｉｎ，才可称为高速挤出；但挤出速度为２．９～３．６ｍ／ｍｉｎ在欧洲则算不上高速。截至目前，国内生产的挤出机和模具与欧洲生产的挤出机和模具在挤出速度上还有一定的差距。即使使用进口挤出机和模具，在国外生产与国内生产，挤出速度也有很大的不同。说明挤出速度不仅与挤出机和模具的性能有关，也和挤出工艺与配方有关。挤出机、模具、工艺、配方是在确保制品质量的前提下，实现高速挤出的四大要素。其中挤出机、模具为固定因素，是实现高速挤出的基础和前提条件，工艺和配方为变动因素，是实现高速挤出的手段和保证。四者相辅相成，缺一不可。挤出机和模具性能分析在挤出机的各项工艺参数中，挤出速度是描述挤出效率的基本概念。对于挤出机、口模和定型模而言，又分别具有不同的含义。对于挤出机，是指物料在挤出机有限的行程内，在外加热、螺杆旋转过程中产生的摩擦热和剪切热，以及螺筒与螺杆调温装置提供的热源作用下由玻璃态，经历高弹态均匀转化为熔融态的速度。其不仅与螺杆转速有关，而且与加料与螺杆转速比有关，同时受螺杆锥度、长径比、螺纹头数、导程、宽度、深度等因素的影响和制约；对于口模具，是指物料经口模模唇、分流锥、压缩段和定型段的作用下，均匀分配到型坯各个截面稳定挤出成型的速度；对于定型模，是指物料通过定型模，在真空吸附和冷却水冷却作用下，均匀转化为玻璃态的速度。要实现高速挤出，首先是三者之间的配置一定要相互配套。否则“大马拉小车”即大规格、高效挤出机挤出规格、形状简单的辅助型材，即使挤出速度再高。但螺杆转速并不高，或者“小马拉大车”即小规格、一般挤出机挤出大规格、形状复杂的主型材，即使螺杆转速再高，挤出速度也不高。这都谈不上是高速挤出。同时三者之间的工艺一定要相互协调，充分发挥出最佳组合作用。任何一个环节的影响，高速挤出都难以实现。近几年塑料异型材采用的锥形双螺杆挤出机装备技术水平发展很快。其变化主要体现在以下几个方面：①挤出机螺筒一二段加热圈功率比过去成倍增加，为送料段与压缩段物料的快速升温熔融提供了条件；②挤出机螺杆已开始向超锥度方向发展，使送料段与压缩段螺杆剪切加热面有所增加，熔融段和计量段螺杆剪切加热面有所减少；③螺杆的头数，宽度和深度依据物料在挤出机内的各个阶段的塑化形态进行了相应调整，使物料在前两段的压缩比增加，在后两段的压缩比减少。②③两条的改进，既方便了物料在前两段的升温、排气，又防止了物料在后两段的过热分解；④现生产的挤出机螺杆冷却大都采用了外冷却装置，外冷却装置比内冷却装置冷却换热效率高；⑤一些厂家生产的挤出机螺杆在压缩段和计量段设置了混炼槽，延伸了物料在挤出机内的停留时间，物料的排气和塑化效果有所提高。同挤出机一样，近几年国产挤出模具也已开始向高速方向发展。为了在高速挤出状态，确保型坯和型材的成型和定型稳定，高速模具与传统模具相比，特点是：①挤出模的定型段延长，并由单腔供料改为多腔供料。建立了足够的壁压，减少了物料的相互干扰，保证了型坯挤出时的热定型时间，提高了成型的稳定性；②早期的挤出定型装置均为三段或两段干式定型装置。冷却水在换热时，不能直接与型坯接触，换热效率比较低。同时，由于型坯冷却定型是一个逐渐收缩的过程，干式定型模型腔尺寸很难满足型坯外形变化的要求。不是出现牵引阻力大，就是型坯与定型模有缝隙，定型质量比较差。高速模具均采用干、湿混合式定型装置。其中干式定型装置为一段式，轴向长度比原干式定型装置短；湿式定型部分分为侵浴式、喷淋式、翻滚式、真空涡流式等结构形式，总长度可达６～８米，且每段湿式定型装置内，安装有浮动式定型块。使型坯经过干式定型装置初步定型转化为高弹态后，进入直接与水接触的湿式定型装置，一边冷却一边继续定型。这样，不仅减少了阻力，提高了冷却效果和定型精度，且型坯定型后，内应力也有所降低。③高速模具用的冷却水一般都要求经冷冻装置强制冷却，水温较低，换热效果好。由于挤出机②③两条和模具的改进，使物料在挤出机内的送料阻力和壁压有所增加。因此挤出配方，特别是工艺也应随之变化，才能互相适应。否则在高速挤出条件下，要生产高质量型材制品是不可能的．．挤出工艺的控制挤出工艺主要由挤出机挤出温度、熔体压力、给料与挤出速度比、定型模真空度与冷却温度、牵引速度和压力等要素构成。其中挤出温度、熔体压力、给料与挤出速度比主要决定制品挤出成型质量，定型模真空度与冷却温度、牵引速度和压力主要决定制品牵引定型质量。１、挤出温度ＰＶＣ－Ｕ物料之所以能够挤出成形，取决于其在不同温度条件下，具有固态、高弹态、粘流态三种不同的形态。即可以在一定温度和压力作用下，使玻璃态物料，经历高弹态，挤出符合设计形状的熔融态型坯，再经过真空吸附、冷却定型，加工成人们所需要的异型材制品。由于ＰＶＣ－Ｕ物料具有导热系数低、难以加热和冷却、对温度比较敏感、容易降解的特点，其成型过程必须在物料的融化温度和降解温度之间完成。因此挤出温度控制，应予保证单位体积的物料在一定的时间区间，塑化过程所需热量与挤出机所供热量的平衡。从理论上讲，在挤出过程中，一定量的物料形态转化，所需热量基本上是恒定的。但由于塑料挤出是一个动态过程，挤出温度不仅与外加热、螺筒风冷（或油冷）、螺杆外冷（或内冷）有关，而且受挤出速度的制约和影响。在挤出的开始阶段，主要依靠外加热给物料升温。在挤出正常生产时，主要依靠剪切热。同时采用螺筒风冷、螺杆外冷的方法将熔融段与计量段物料多余的热量移走。不同特性的挤出机螺杆，在同一挤出速度条件下，不仅产生的总热量有很大的差异，而且物料在螺杆的不同部位的剪切热也不同；同一特性的挤出机，挤出不同规格与型号的塑料制品和在不同挤出速度下，挤出同一规格与型号的塑料制品，产生的热量也是不一样的。因此也就没有一个现成的温度设定模式可作借鉴。业内一些文章介绍的温度设定指标，都是有前提条件的，不能生搬硬套。但并非挤出温度设定没有规律。挤出温度不仅和外供热量有关，也和挤出机螺杆特性与挤出速度有关。ＰＶＣ物料在熔融状态下流变性接近于非牛顿型，即粘度的变化主要与剪切速率有关。在较高温度、较低剪切力作用下与较低温度、较高剪切力作用下，所获得的能量可达到基本一致。因此在挤出温度应依据螺杆特性与挤出速度进行摸索、调整和设定。塑化能力强的挤出机或挤出机压缩比比较大的区域，温度设定应低一些，塑化能力比较差的挤出机或挤出机压缩比比较小的区域，温度设定应高一些。以往提倡采用“马鞍型”温度指标进行工艺操作是很有道理的。所谓“马鞍型”是指设定温度曲线，并非显示温度曲线，亦不是物料实际温度曲线。物料在挤出机内随形态变化，温度是逐步上升的。由于物料发生降解不仅与温度有关，也与时间有关，故供料段与压缩段物料温度不宜过高。但给料段和压缩段的物料基本呈固体或微熔状态，温度比较低，在一般挤出速度条件下需要大量的外热，因此温度设定须高一些，以满足物料快速塑化的需要；在挤出机的熔融段与计量段，物料基本呈粘流态，已不需要多少热量，因此温度设定低一些，以防止过热降解，必要时还应开启螺筒风冷、螺杆外冷及时降温。在机头、过渡段与口模，物料已完全呈粘流态，将由螺旋运动改变为匀速直线运动，并通过均布盘、过渡段和口模建立熔体压力，使之温度、应力、粘度和流速更趋均匀，为顺利地通过口模作最后的准备。由于改变运动方向，调整运动速度，克服与过渡段导向套的界面摩擦，建立熔体压力需牺牲一定的热量，同时在该区域内热已不复存在，故需要一定的外热作为补充。因此温度设定应高一些。并依据型坯截面持料量的多少进行调整，以保证型坯截面温度的均衡，方便挤出成形。随着挤出机塑化能力的提高和高速挤出的推广应用，挤出温度的设定就应作出相应的改变。如仍按原温度指标进行控制，就有可能发生物料在挤出机排气段塑化过渡、螺筒内壁挂料现象，影响挤出生产的正常进行。例如各段螺纹头数为２、２、１、３、３结构螺杆的挤出机，双头螺纹进料的给料段与压缩段的物料进入单头螺纹的排气段时，最大压缩比达３．８左右，可产生大量剪切热，有助于物料塑化，处于排气段的物料，进入三头螺纹的融镕段时，压缩比小于１，进入同是三头螺纹的计量段时，压缩比又上升到２．７左右，剪切热较前明显减少，可防止物料降解。在挤出机的给料段和压缩段，虽然挤出速度提高，物料在该段停留时间减短，但由于外供热量较大和螺杆压缩比、剪切热比以前有所增加，已能满足物料由固态向微融态转化的要求，温度就没有必要设定太高。只需间断供热，以补充该段工艺需求的不足。在挤出机的熔融段和计量段，虽然挤出速度提高，剪切热有所增加，但由于压缩比和剪切面积的减少，抵消了这部分提高的热量，设定温度就不能过低。亦需依据物料的塑化情况，适时补充一定的热量。塑化能力较强的挤出机和塑化能力较差的挤出机相比，设定的挤出温度曲线相对比较平缓。这一点也是高速挤出与低速挤出的一个最明显的区别和标志。但各段温度设定是否正确，依据仍然是：①在挤出机真空排气段，通过视镜观察机内物料形态是否均匀包覆在螺槽内表面，呈微融状态，既没有从排气孔排出，又没有物料过塑现象。高速挤出不仅要注意熔融段和计量段物料过塑，而且要注意供料段和压缩段物料过塑；②在口模处，观察型坯表面是否有光泽？手感是否光滑？截面上是否有气孔或内筋弯曲现象？物料从口模挤出２～３ｃｍ是否下垂？。此外，机头、过渡段、口模温度设定是否正确，仍须依据口模挤出物料成型情况判定。同时，也可检验挤出成品的塑化度，确定设定温度是否正确。塑化度亦称凝胶化程度，是判断塑料制品结晶程度和ＰＶＣ初级粒子熔化程度的标志。大量的研究和测试结果表明，未经改性的ＰＶＣ塑化度介于６０％～６５％时抗冲击性能最强，塑化度在６０％左右时，拉伸强度最高。塑化度的测定有溶剂浸泡法、密度测量法、硬度测量法、毛细管流变仪法等多种，其中溶剂浸泡法比较简单易行。即用标准尺寸样品浸泡于一定温度的丙酮或对二甲苯中，达到平衡状态后，擦干表面，迅速称重，计算单位质量样品的溶剂吸收率。由于２１５℃时加工得到的制品吸收率最高，此温度又接近ＰＶＣ结晶完全熔化的熔点，可以此时制品的塑化度为１００％，其它加工温度得到的制品的溶剂吸收率与其制品吸收率的比值，可作为塑化度的表征。在挤出生产中可依据制品塑化程度，对设定的各段温度进行对应调整。另外，还有一种溶剂检验方法，可以在挤出生产中对型材的塑化情况进行定性分析：即用烧杯或搪瓷杯，加入二氯乙烷溶剂至高度５ｃｍ，取１５ｃｍ左右一段异型材浸入其中。１０ｍｉｎ后取出，观察型材侵入溶剂部分的表面变化，如锯口表面无明显膨胀、塌落、凸凹等形变，且型材锯口表面膨胀后的疏松深度小于２ｍｍ，则视为塑化良好，反之则需对设定温度进行适当调整。２、挤出压力塑料异型材挤出除温度条件外，还需要一定的压力。压力过低，型坯成型密度差，抗压强度低；压力过高，出口膨胀量大，成形外观质量差。挤出压力的形成条件是：①螺杆各段截面和螺纹的压缩比；②口模阻力；③挤出温度；④挤出速度；⑤给料与挤出速度比。由于挤出机和模具结构的改进，高速挤出必然造成挤出压力提高。要保证挤出速度提高后，挤出压力仍然能保持正常稳定，唯一的手段是：依据各类型材挤出时成型压力的要求，尽量采用饥饿式喂料法，通过调整给料与挤出速度比的方法进行处理。３、挤出速度提高挤出速度是在同等挤出设备条件下，提高挤出制品产量的途径。由于挤出速度与螺杆的剪切热成正比，剪切热是物料在挤出过程中形态转化的主要热源，而且不受设定温度的影响和支配，只能通过挤出速度来调节，因此挤出速度控制也是调整挤出制品质量的必要手段。在一定挤出速度下，如果采取其它工艺手段并排除螺筒与螺杆配合间隙影响，仍不能制止物料在挤出机内的过热挂料、煳料等质