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擠出工藝與擠出機的對應關系

2021-05-18 14:29:00

擠出機剪切性能高低由擠出機的螺桿結構所決定。但擠出質量優劣與擠出效率高低，還在于擠出工藝與擠出機剪切性能相適應。否則低剪切擠出機采用過高擠出速度擠出，難以生產擠出高質量型材制品，高剪切擠出機在過低擠出速度下運行，難以有效發揮擠出效率。不同剪切性能擠出機都有一定的工藝控制范圍，是有限度的。業內倡導的擠出工藝路線為“馬鞍型”即加熱區設定溫度要高一些，恒溫區設定溫度要低一些，保溫區設定溫度要高一些。但不同剪切性能擠出機在不同擠出速度下運行，“馬鞍型”的“鞍”與“座”高低是完全不同的。在塑料異型材擠出時，要最大限度發揮不同剪切性能擠出機的擠出效率，建立螺桿加熱區(供料段、壓縮段)與恒溫區(熔融段、計量段)所需熱量與所供熱量的平衡是關鍵所在。依據擠出機剪切性能特點，不同剪切性能擠出機，擠出不同規格塑料異型材，應分別采取不同的擠出工藝，以適應制品質量性能的需求。塑料異型材擠出，物料由玻璃態轉化為熔融態共計有兩種熱源，一種是由電加熱器提供的外加熱，一種是由螺桿在旋轉過程中對物料壓延、摩擦、剪切產生的熱量。在開機生產時，物料的熔融主要以外加熱為主，在正常生產階段，物料的熔融主要以螺桿對物料壓延、摩擦、剪切產生的內熱為主。具有關資料表明在型材擠出中，內熱所占擠出機所供熱量的比例，大致在65％以上。外加熱溫度控制系統主要是通過電器儀表元件實施溫度設定與顯示。當顯示溫度超過設定溫度指標參數時，加熱圈即刻斷電，停止加溫，并由螺桿油冷裝置與螺筒風冷裝置進行強制冷卻；當顯示溫度達不到設定溫度指標參數時，加熱圈就一直不間斷工作。由于內熱主要受擠出機螺桿特性、加料與擠出速度的制約，不受外加熱溫度控制系統的影響。當低剪切擠出機擠出速度過高時，即使供料段與壓縮段外加熱圈工作頻率提高，間歇時間很短，其顯示溫度亦可能達不到設定溫度；即使熔融段與計量段外加熱停止工作并啟動螺桿與螺筒冷卻裝置運行，顯示溫度仍可能遠遠高于設定溫度。同時由于反映顯示溫度的測溫點(熱電偶)安裝在擠出機螺筒壁上，與螺筒內物料有一定距離，儀表顯示溫度與物料實際溫度在不同工況下則有一定梯度，存在不同對應關系。一般情況下加料段與壓縮段物料即存在外加熱，又存在剪切熱，為雙向加熱，顯示溫度基本等同于物料溫度；熔融段與計量段物料顯示溫度未達到設定溫度時，亦為雙向加熱。當顯示溫度超越設定溫度時，熱量開始由內向外傳遞，可稱之為逆向傳熱，顯示溫度低于物料溫度。由此可知低剪切擠出機擠出速度較高時，螺桿熔融段、計量段物料實際溫度不僅高于設定溫度，也高于顯示溫度。因此當顯示溫度在設定溫度區域運行時，設定溫度參數基本等同于物料溫度，是物料塑化熔融的控制目標與依據。當顯示溫度偏離設定溫度區域運行時，顯示溫度可假定為物料溫度，即取代設定溫度成為物料塑化熔融的控制目標與依據。設定溫度只是增加或減少外供熱的調控手段。對于低剪切擠出機，由于給料段、壓縮段壓縮比較小，所提供的內熱遠遠滿足不了玻璃態物料塑化要求，故給料段、壓縮段溫度設定應高一些，因配方不同，大致在190～200℃左右，盡管在提高擠出速度情況下，顯示溫度依然偏低，但提高設定溫度的目的，是為了供料段、壓縮段電加熱圈，一直不間斷工作，只要顯示溫度在180～185區間，物料緊包裹于螺桿，處于微熔狀態，不出現排氣孔冒料現象，可視為正常；熔融段、計量段設定溫度應低一些，因配方不同，大致在165～175℃左右，盡管在提高擠出速度情況下，顯示溫度依然偏高，但降低設定溫度的目的，是為了熔融段、計量段電加熱圈適時停止加熱，并啟動螺桿油冷與螺筒風冷對物料進行冷卻，只要顯示溫度在180～185℃區間，擠出型坯截面未出現氣孔、麻點等癥狀，可視為擠出速度正常。反之即使給料段、壓縮段溫度設定的再高，加熱圈不間斷工作，排氣孔物料疏松，呈豆腐渣狀，未包裹住螺桿，從螺筒排氣孔出現冒料現象；熔融段、計量段設定溫度再低，電加熱圈已停止工作，螺桿油冷與螺筒風冷一直對物料進行冷卻，擠出型坯已出現氣孔、麻點等癥狀，可視為擠出速度已到極限，應及時降低擠出速度或加料與擠出速度。排氣孔冒料是低剪切擠出機塑化不良的表征。但并非排氣孔冒料都是低剪切擠出機所造成的。導致排氣孔冒料主要有以下原因：加料速度過快，所增加的剪切熱不足于平衡所增加的給料量需要的熱量，導致的塑料塑化不良；擠出速度過快，所增加的剪切熱不足于平衡物料在給料段與壓縮段停留時間減少而損失的熱量，導致的塑料塑化不良；配方采用CPE抗沖改性劑時，加工助劑添加量偏少，物料摩擦性能差，到排氣孔時塑化不良；配方中潤滑劑過量，物料在擠出機內移動擠出速度過快，到排氣孔時塑化不良；擠出機螺桿與螺筒軸向間隙過大，漏流嚴重或螺桿給料段、壓縮段溫度過高，導致物料“過塑化”，已轉化為熔體的物料經歷了壓縮段第一次壓力高峰后，到排氣孔時應力釋放，體積膨脹，粘附在螺棱端面，隨螺桿轉動被排氣段螺筒刮落在排氣孔管壁上，積累到一定程度從排氣孔溢出。前兩種排氣孔冒料均和擠出機剪切性能差有關，第三種與第四種排氣孔冒料主要與配方有關，第五種排氣孔冒料主要與擠出機磨損及剪切性能高有關。在判斷排氣孔冒料原因時，應綜合考慮，不可盲目而定。如屬于試驗配方發生的排氣孔冒料應調整配方；如屬于擠出機磨損，應調整擠出機螺桿與螺筒間隙；如發現物料在排氣孔“過塑化”應調整加料擠出速度比；前三種排氣孔冒一般表現為扭距升高，后兩種排氣孔冒一般表現為扭矩降低。對于高剪切擠出機，由于給料段、壓縮段壓縮比較高，所提供的內熱已能滿足玻璃態物料熔融的需要，故一般情況下，給料段、壓縮段設定溫度比低剪切擠出機設定溫度要低一些。依據物料在螺筒排氣孔的具體形態而定。不但要注意排氣孔是否冒料，而且要注意排氣孔物料是否“過塑化”；同樣道理，由于熔融段、計量段壓縮比較低，剪切熱少，故一般情況下熔融段、計量段設定溫度比低剪切擠出機設定溫度要高一些。亦按型料，而且要注意排氣孔物料是否“過塑化”；同樣道理，由于熔融段、計量段壓縮比較低，剪切熱少，故一般情況下熔融段、計量段設定溫度比低剪切擠出機設定溫度要高一些。亦按型坯在口模出口的形態而定。不但要注意型坯截面是否出現氣孔，還要注意型坯是否“欠塑塑化”。高剪切擠出機比低剪切擠出機設定溫度曲線相對比較平緩。高剪切擠出機擠出最常見的問題不是排氣孔冒料，而是由給料段與壓縮段剪切熱過高，導致物料在排氣孔出現掛料“粘壁”癥狀。開機一段時間，型坯出現黃線，難以正常生產。因此應盡降低該兩段設定溫度，減少外供熱量或調整配方，適量增加潤滑劑或減少加工助劑。如果效果不顯著或配方潤滑劑與加工助劑的變化導致型材質量變化，以及同時采用不同剪切性能擠出機生產，同一的混料、儲料、輸料系統，不可能為高剪切擠出機單另配料，只有降低擠出速度，在較低擠出效率區間運行。由此也可以提醒企業在增加或更新擠出機時，最好購置擠出機螺桿結構與性能一致或相近的機型。在擠出過程中，物料由玻璃態轉化為熔融態的過程，除搞好物料塑化所需熱量與所供熱量的平衡，使物料完成理想的塑化外，熔壓也是一個十分重要的控制指標。由于物料在擠出過程中受口模阻力、螺桿各段壓縮比的影響，本身不是以常壓存在的。不同口模，螺桿各段壓縮比基本是恒定的，不可變的。螺桿各段壓縮比也只是對各段螺桿物料壓力進行分配與調整，不可能增加或減少熔體在擠出過程中的總壓力。總壓力調整主要依靠擠出速度、給料與W擠出速度比等工藝方法進行。調整擠出速度、給料與擠出速度比不僅是調整擠出溫度的重要措施，也是調整調整熔體壓力與擠出效率的主要措施。在擠出速度不變前提下，提高或降低給料速度，給料段螺桿物料容積發生變化，排氣段物料容積保持不變，故給料段、壓縮段隨壓縮比變化，其熔壓隨之提高或降低；在給料速度不變前提下，提高或降低擠出速度，給料段螺桿物料容積亦發生變化。排氣段物料容積依然不變，故給料段、壓縮段隨壓縮比變化，其熔壓隨之提高或降低；給料速度隨擠出速度同步提高或降低，由于給料段螺桿物料容積不變，僅是因速度增加或減少，導致的熔壓變化。由此可知：前兩種情況，隨熔體容積變化，熔體壓力同步變化，變化較大；后一種情況因熔體容積不變，熔體壓力變化較小。因此低剪切擠出機或高剪切擠出機在溫度調整時，都要注意物料熔壓變化情況，擠出型坯應在保證既不“欠塑化”又不“過塑化”前提下，盡量提高熔壓，從而確保型材具有較好光潔度、密實度、尺寸變化率與沖擊性能。不論高剪切擠出機還是低剪切擠出機運行一段時間，螺桿與螺筒軸向間隙磨損增加后，出現漏流現象，當仍在允許范圍內，都存在一個工藝與配方調整問題。一般在不影響制品物化性能與外觀質量的前提下，可以通過適當降低擠出速度、設定溫度或適當減少潤滑劑，增加填料，以減少熔體流動性的方法進行處理。當然停機調整螺桿與螺筒軸向間隙，進行拋光處理，保持物料原有流變狀態，無疑是最有效的解決措施。關于機頭與過渡段、口模溫度控制情況，由于低剪切擠出機與高剪切擠出機剪切性能的差別主要在螺桿結構，與機頭、過渡段、口模等關系不大。同時機頭、過渡段、口模設定溫度僅僅是為熔體物料改變流動方向、調整物料截面物料流速和提高制品外觀光潔度服務的。故兩種不同剪切性能擠出機在溫度控制上，沒有大的區別。主要依據出口型坯的形態與外觀色澤進行調整。具體調整情況見筆者《UPVC型材擠出過程與物料的動態熱平衡》應該指出：采用高剪切或低剪切擠出機時應與擠出型材規格相配套。高剪切擠出機剪切產生熱量多、擠出量大，如果擠出型材規格過小，受口模與定型模線速度的制約，牽引速度又不能過高，使擠出效率得不到有效發揮，也不能有效利用擠出機自身機械能所轉化的熱能，達到節能的目的；低剪切擠出機剪切產生熱量少，擠出量小，如果擠出型材規格過大，擠出速度提高時，制品質量難以保證。因此在擠出機配置模具時，高剪切擠出機應配置大規格型材模具，低剪切擠出機應配置小規格型材模具。以確保在相近的工藝條件下，擠出所供熱量與所需熱量的平衡。不論采用高剪切或低剪切擠出機擠出生產型材，經檢驗制品質量符合標準指標要求，工藝參數確定下來，一定要嚴格執行，一般不要輕易改變。在試驗新配方時，盡量以原工藝參數為參考體系，根據物料流變情況，特別是熔壓與制品成型尺寸變化、光潔度等外觀質量，適當調整工藝溫度或配方中加工助劑、潤滑劑添加量。擠出機的剪切性能是由螺桿錐度、螺紋頭數、螺距、螺棱寬度、螺槽深度、螺旋角等因素所決定的。其中螺桿錐度、螺距、螺棱寬度、螺槽深度主要通過螺槽物料容積改變，來增加或減少螺紋剪切面積與剪切熱的；螺旋角改變是通過增加或減少物料行程的方法來增大或減少剪切熱的。螺紋頭數增加，例如供料段、壓縮段由單頭變為雙頭主要是將加熱區螺桿物料流動由串連流動改為并聯流動，流動速度加快，然后通過排氣段單頭螺紋堵截，提高其壓縮比和剪切熱的。實踐證明，增加螺桿前兩段螺紋頭數雖然導致物料行程減少，但增加的剪切熱遠遠大于物料行程減少所損失的熱量，是提高擠出機剪切性能最有效的措施；擠出機剪切熱是根據擠出物料特性、形態及塑化所需熱量進行配置的。由于給料段、壓縮段物料基本呈玻璃態，并要求至排氣段處于“微熔狀”并緊緊包裹螺桿，不被螺筒剝離，所需熱量較多；故該加熱區壓縮比較大；由于熔融段、計量段物料基本處于粘流態，只是局部不甚均勻，需要進一步恒溫，所需熱量較少，故恒溫區壓縮比較小。擠出工藝要依據不同規格型材擠出對熱量的需求進行控制，以確保擠出機所供熱量與不同規格型材物料體積所需熱量的平衡。對于低剪切擠出機，供料段與壓縮段設定溫度要保證外加熱不間斷工作，對擠出機剪切熱依然不足進行補充。熔融段與計量段設定溫度要保證外加熱適時停止工作，顯示溫度仍處于設定溫度的控制區間。否則應降低擠出速度。對于高剪切擠出機除后兩段工藝控制基本相同外，最大不同點是前兩段剪切熱量即有可能不足，也可能過剩，應依據顯示溫度偏離設定溫度的方向與幅度進行調整，如顯示溫度低于設定溫度，應提高設定溫度，保持外加熱圈處于不間斷加熱狀態，如顯示溫度高于設定溫度，應降低設定溫度，使外加熱熱圈適時停止工作并啟動螺桿與螺筒冷卻裝置實施強制冷卻。熔體壓力是保證型材密實度、尺寸變化率、沖擊強度等性能的主要指標，調整擠出溫度與速度時，應在保證型材外觀成型質量前提下，盡量保持比較高的熔壓。擠出機剪切性能強弱應依據型材規格大小進行配置，以充分發揮擠出機擠出效率。不同剪切性能擠出機有不同工藝參數。經檢驗證明能保證型材質量的工藝參數不要輕易改變，以免造成型材質量波動。實驗配方應以原工藝參數，特別是扭距為參照體系，以擠出機排氣孔是否冒料與口模擠出型坯形態為基準進行調整。擠出機螺桿與螺筒徑向間隙發生變化，在不影響型材質量的前提下，可通過調整擠出溫度、速度與配方，減少熔體流動性，適當控制物料漏流。

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