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聚乙烯蜡厂家分享PVC挤出知识总结(一)

文章出处:网责任编辑:作者:人气:-发表时间:2018-03-06 08:30:00【

聚乙烯蜡 

平时我们了解的PVC挤出知识,总是东一块,西一块,非常零碎,下面青岛赛诺聚乙烯蜡厂家针对PVC挤出知识做总结,希望对大家有所帮助。本文分为两部分,本篇主要讲述工艺温度优化的基准,温度的设定,优化机理。

在塑料挤出行业与PVC挤出相关的技术文献中,有关锥形双螺杆挤出机工艺温度设定和控制,基本有两种思路:一种是低温工艺,温度设定大致在 165℃~175℃左右;一种是常温工艺。温度设定大致在175℃一185℃左右;在温度设定趋势上,有前高中低后高的“马鞍型”工艺(本人比较赞同“马鞍型”工艺模式,公司的生产也采用的是这种工艺模式),也有由前到后逐步升高的“阶梯型”工艺模式。在公司不同的产品系列上还有螺筒温度设在200℃以上的超高温度工艺(我公司穿线管生产属此情况),和螺筒温度设150℃左右的超低温度工艺(我公司部分螺杆、螺筒临近报废的设备)。不能说采取这些工艺都能生产出质量达标的产品,但其中一些完全不同的工艺却能生产出同样质量达标的产品,却是不争的事实。因此,有必要对这些工艺温度的优劣进行全面、系统分析和研究,以便由表及里,去伪存真,从各类不同工艺温度参数中,提炼出一套能真正指导生产的科学、合理的工艺温度设定方法。实际上,我国挤出机制造行业经过多年来的发展,无论在螺杆结构压力配置,还是外加热圈功率配置方面,都为PVC—U塑料良好、均衡塑化提供了条件。实践证明: 完全可以破解以往大多数人认为“挤出工艺应当和挤出机相适应”定向思维的困扰,无论什么规格、剪切性能的锥形双螺杆挤出机,挤出量有多少,在温度可控状态下,都可以通过优化工艺温度,基本实现同一工艺温度条件下挤出,为公司挤出生产过程的三统一(设备统一、模具统一、配方统一)打下良好的基础。从而实现提高制品质量,减缓挤出机磨损,延长其工作寿命,进一步降低配方成本,方便管理,及时发现和有效处理故障等多层次目标。现将这一优化工艺温度的基本思路和生产过程实践总结如下。

二 工艺温度优化的基准

要优化挤出工艺温度,首先应当了解与掌握设定工艺温度的基准。大量生产实践证明,以下三个条件可作为基准:

2.1 PVC树脂的热稳定性:PVC树脂是热敏性高聚物,单纯的PVC树脂在100℃条件下开始降解,150℃条件下,降解加速。而反过来PVC在160℃条件下才开始由玻璃化态经高弹态向粘流态转化。因此单纯的PVC树脂根本无法直接进行加工,必须通过添加热稳定剂来改善树脂的热稳定性。而一般PVC树脂的稳定剂试验是在180℃、30min与200℃、20min条件下进行的。因此PVC树脂的塑化温度与时间均不应超过这个范围。

2.2 塑化度:塑化度,亦称凝胶化程度,在PVC塑料中,塑化度是制品结晶程度与PVC初级粒子熔合程度的标志。大量的研究和测试资料表明:未经改性的P VC—U塑化度在6 0%—65%时,即制品中初级粒子尚未完全塑化,仅大部分熔合时,抗冲性能最强,其中塑化度在60%时,断裂强度最高,塑化度在65%时断裂伸长率最大。当熔体的温度在150℃以下时,塑化度为零;熔体温度在190℃以下时,制品中初级粒子清晰可见,塑化度在45%以下;熔体温度在200℃左右时,制品中初级粒子界限大部分消失,仅有少数初级粒子可见,塑化度为7 0%;熔体温度到200℃以上时,制品初级粒子完全塑化,塑化度可达8 0%以上。

2.3 与CPE共混体系的加工温度:CPE抗冲击改性剂的温度带比较狭窄,大量试验证明,经CPE改性的 PVC在190℃和200℃条件下形成的制品,其微观形态相差很大。190℃时改性剂粒子形成了一个包覆PVC初级粒子的网状结构,可以获得良好的抗冲击增韧效果;200℃时PVC初级粒子完全熔融,网状结构消失转变为球体,分散于PVC树脂基体中,导致抗冲击性能大幅度下降。从以上论述里可以看出:采用 CPE共混改性的PVC加工工艺条件是比较苛刻的。同时PVC塑料是“不定性”高聚物,PVC降解不仅与温度有关还和时间相关。温度越高,降解的时间越短,温度越低,降解的时间越长。螺筒熔体温度宜控制在l80℃~185℃之间(这里要注意是指的熔体温度,而不是螺筒显示温度,二者是有很大区别的),以防止因高温熔体在机内停留时间过长,发生分解。剩余的熔体温差由口模来完成,口模段熔体温度则应控制190℃~200℃甚至更高些,以便熔体到达最佳塑化度的一瞬间,即刻从口模挤出,以期实现既能从最佳塑化度状态下成型,又不至于因受高温时间过长而分解。

三 工艺温度的设定

挤出机螺筒各段及合流芯、模具各段温度具体设定大致如下:

3.1 给料段:l85℃—195℃,依据挤出机剪切性能和挤出量大小而定,确保显示温度至少> 185℃;挤出量越大的这段要求温度越高,以便粉料能快速受热玻璃化而形成小块状。我公司挤出生产穿线管与排水管都是高速挤出,特别是穿线管,在我查阅过的资料中还未见有如此快速度生产的,所以我们公司的穿线管和排水硬管挤出设备给料段温度都超高,普遍在195℃以上,个别机台甚至达到210℃— 220℃,实际的内部料温则只在100℃—130℃之间,要到给料段末端才能接近玻璃化态需要的温度150℃左右。

3.2 压缩段:一般在180℃;也可根据实际挤出速度适当提高,我们公司的穿线管生产在这一段是超过180℃的、达到了190℃—195℃排水管的生产大致差不多180℃。

3.3 熔融段:一般在180℃;也可根据实际挤出速度适当提高,我们公司的穿线管生产在这一段是超过180℃的、达到了190℃—195℃排水管的生产大致差不多180℃。

3.4 计量段:计量段的温度在整过挤塑过程中是非常重要的,其重要性在某种意义上甚至超过给料段。温度一般应设定在170℃~180℃,依据挤出机剪切性能和挤出量大小而定,确保显示温度≤l 85℃。因计量段内部剪切热很大,容易造成熔体升温,而过高的熔体温度会加速PVC分解形成制品发黄、变色线、发泡等等影响制品质量的情况出现。因此、必要时可采用螺杆温度、给料速度等方法分别进行调节。

3.5 挤出模具模体段温度:挤出模具模体温度设定比较简单,主要是为防止熔体在模体内降温,一般设定在185℃左右,大部分产品的生产过程中,温度设置在这区间都没问题,个别产品(波纹管)比这要高、达到190℃。

3.6 口模段温度:190℃~210℃,视产品挤出时表面光亮度与挤出压力大小而定。一般来说,升高口模的温度,能适当提高产品的表面的光亮度,也能一定程度地降低挤出机的内部压力,挤出机内部压力降低,摩擦剪切力自然就降低了,换句话说,适当增加口模温度,可以少量降低挤出机的内部的摩擦剪切热的产生(当内部摩擦剪切热过大的时候),反之亦然。我公司从事PVC挤出生产已经20来年了,当中已经有了一些经验丰富的挤出操作主机手,大部分已经知道通过口模具的温度调节来满足制品需要的生产工艺。

四 工艺温度的优化机理

根据各个加热段具体职能,用锥形双螺杆挤出机进行PVC-U挤出生产,其整个过程大致可分为加温、恒温、保温等三个区域。加温与恒温主要在挤出机内,以排气孔为界,划分为两个相对独立又相互关联的部分,保温区过程由合流芯、挤出模体及挤出口模等部分构成。在这里大家首先应清楚PVC-U挤出过程中有两种热源,一种是电加热器提供的外热,一种是由双螺杆对PVC-U物料进行剪切、压延和摩擦作用,以及PVC-U自身分之间的摩擦作用所产生的内热。两种热源在挤出的不同阶段发挥着不同的作用。温控装置控制的仅是外热。没有内热存在的挤出机头、口模部分的温度一般都容易控制(部分参数设计超常规的挤出模具,也会产生内热);有内热存在,剪切作用较强,但尚未超越物料塑化需求的压缩段和主要为排气服务的熔融段,相对亦比较稳定,也较易控制。剪切相对比较薄弱,主要依赖外加热,但外加热难以满足物料塑化需求的给料段(外加热功率配置较低的挤出机尤为突出);剪切热已超越物料塑化需求的计量段往往也不受温控装置的控制。因此在整个挤出过程的温度控制中,给料段、计量段是温度控制的重点和难点。挤出控制主体是物料温度,而不是螺筒和模具的温度。设定温度仅是手段,而显示温度在不同工况条件下,和物料温度又有不同的对应(给料段物料温度低于显示温度,计量段物料温度高于显示温度)关系,加上热电偶安装位置的关系,显示温度仅能部分反映物料温度,只是设定温度的依据和基准。下面具体说下各段的温度设置机理与重点。

4.1 给料段温度:给料段是电加热器传递热给螺筒、显示的温度是该段螺筒的温度,并非是物料温度。物料温度往往远远低于显示温度。当物料通过给料螺杆刚进入挤出机时,温度仅有30℃—40℃左右,而螺杆产生的剪切热带来的物料温升距塑化(玻璃化)温度亦有很大的差距,同时物料经由压缩段,将通过排气孔,需要物料在加温区域完成由玻璃态向粘流态的转化过程,要求基本呈“橘皮状”,没有粉状物质存在,并紧紧包覆于螺槽表面,方不至被真空从排气孔抽出或堵塞排气孔,因此给料段的职能是重在外加热,设定温度应尽量高一些,以便电加热圈给物料提供足够的外热。此时电加热器启闭比较频繁,甚至不停顿工作。由于物料进入给料段,距离从口模挤出还有一段时间,加上为预防物料在加料口“架桥”或在机内“粘壁”,设定温度也不宜过高,应以显示温度185℃以上为宜。虽然给料段设定温度低一些,比如温度设定为170℃左右甚至更低,也能生产出内在质量达标的产品。但由于供给的外热比较少,过多依赖剪切热来提升熔体温度,对螺筒的磨损加大,会影响挤出机螺杆螺筒的使用寿命,是得不偿失的。通过我们长期在挤出设备维护中观察发现,仅经过一两年(有的甚至不到一年)使用,螺筒就发会生严重磨损,磨损大多都集中在压缩比比较大的双头螺绫过后的第一道单头螺绫或第二道单头螺绫部位以及计量段等较宽的工作区域,最大磨损量达2 mm~3mm,这时候挤出生产会出现黄线(因物料回流,在高温状态下停留时间过长造成),如对间隙进行调整,又会因螺杆与螺筒局部尖点摩擦,制品出现黑线和设备发出异常响声,无法正常工作,只得更换螺筒与螺杆。这种现象的发生,分析起来尽管和制造厂家采用的钢材和热处理方法不当有密切的关系,但其重要要的一点原因也是因挤出温度设定过低,致使这些部位的剪切作用比较强而加剧磨损所致。给料段采用较高设定温度不仅有利于物料熔化,而且可以充分利用外热来减少剪切作用对挤出机的磨损。大量实践证明,在给料、挤出速度和计量段设定温度不变前提下,适当提高给料段的设定温度,可有效降低计量段显示温度与设定温度之间的温差,充分说明给料段温度在一定程度上发挥着调整剪切热的作用。

4.2 压缩段温度:物料进入剪切作用较大的压缩段,在螺杆剪切力作用下,升温较快。设定温度高一些,有助于降低物料粘度,加快流动性,同给料段一样,可以减少剪切热的危害。

4.3 熔融段温度:熔融段的物料基本熔化,因螺槽容积的变化,(一般压缩比小于1 ),熔压骤然降低,可以发挥充分恒温和排气的职能。设定温度和压缩段保持一致或略高,有助于防止熔体降温,因熔体压力的降低会使熔体温度也呈下降的趋势。

4.4 计量段温度:计量段显示的温度不是物料温度。仅是物料在剪切热作用下传递给螺筒的温度,物料温度往往高于显示温度。设定温度的目的不是为了提供外热,而主要是为了及时停止外加热,并利用螺筒冷却装置和螺杆油温度的适当调节来转移多余的热量,防止物料分解。有的磨损严重的螺筒这段的冷却装置,在设备开机不久就会处于长期工作状态才能勉强保持温度不上升。因此设定温度不宜过高,以显示温度≤l85℃为宜。当挤出量过小,显示温度过低时,又可视情况适时提高螺筒、螺杆设定温度或给料速度以增加剪切。

4.5 合流芯及挤出模体温度:熔体进入合流芯,已完全呈熔体状态,并开始由变速变压的螺旋运动转变为匀速直线运动,并通过口模建立熔体压力,使温度、粘度和流动速度更趋均匀,为制品成型做最后的准备。由于改变运动方向,建立熔体压力需牺牲一定的能量为代价,同时该区域由剪切作用产生的内热已不复存在。因此温度设定宜高一些,以减缓物料的热损失。从本人查阅的大量行业文献来看,行业中对合流芯温度设定的意见分歧较大,有的人主张将合流芯温度设定在1 65℃~175℃之间,认为提高合流芯设定温度,会导致主机功率和型坯熔压降低,从而影响挤出制品的理化性能。经本人结合生产实际分析和试验证明,其实那是一个误区,因为提供或输出热量与否并不完全由设定温度高低来决定,主要和加热对象的实际温度和设定温度的差值有关。当设定温度远远大于物料温度时,如给料段物料温度那样,提高设定温度,可以给物料提供大量的外热;当设定温度小于物料温度时,不但没给物料加热,反而起着降温的作用。前面已经讲过,经过计量段的熔体实际温度是高于显示温度的,如果显示温度在185℃左右,那么物料温度也大致在190℃以上。合流芯及模体设定温度的目的不是为了加热,只是为了保护熔体热量不因合流芯和模体温度过低而被散失掉。同时熔体在机内被挤出时,靠近螺筒附近的熔体因与螺筒内壁摩擦,流动速度会低于熔体中心速度,发生所谓的“边际”效应。所以设定温度高一些,反而可有效调节熔体截面的流动速度。当设定温度低于合流芯部位熔体实际温度时,其熔体不仅得不到外热,反而会处于完全散热状态,表面熔体流动速度则会减慢,与芯部熔体发生不均衡流动,则会影响口模挤出制品成型质量。甚至在模具分流锥流通截面阻力大的部位,因物料滞留出现黄线。当然提高合流芯设定温度是针对计量段熔体温度而言的。合流芯设定温度过高,表面熔体流动过快,也会使截面流动速度不均衡。还有人认为(我公司大部分操作人员也是如此认为的):合流芯温度设定高一些,会导致合流芯“糊料”。实际上合流芯发生“糊料”,主要是合流芯内壁光洁度过低,连接部位不平整或存在过渡抬肩,使物料发生滞留或者开机升温后,没有紧固连接螺栓,连接部位出现间隙造成的,并非设定温度过高所致。为了防止合流芯糊料,有意降低合流芯设定温度,无疑是不正确的,过低的合流芯温度反而会使靠近合流芯壁的物料因降温硬化而流动减慢,边角地方甚至不流动,造成因受热时间过长而分解糊料,产生适得其反的效果。

4.6口模温度:口模设定温度主要是为成型和调整流速及表面光亮度服务的,由于熔体进入口模,在分流锥导向下,已由圆柱体转化为呈产品需要形状的薄壁熔体,依靠外加热,也可以将型坯熔体温度均匀提升到最佳塑化度区域。因此、口模温度直接关系到产品的外在成型质量,值得指出的是,当挤出制品轻微塑化不良时,还可以通过适当提高口模温度来解决。但当挤出制品出现严重塑化不良时,过度依赖提高口模温度来解决也是不当的。会因表面温度过高,熔体从口模挤出,发生不均匀膨胀,同时也会因熔体压力的降低而改变设备内部的摩擦和剪切程度,反而加剧物料的塑化不良,这时候还是要通过螺筒各段的温度综合调节来解决。

4.7 螺杆温度:螺杆温度的控制一般有两种装置,一种是螺杆自调温,利用热管对流原理,实施热量在螺杆内部的均衡交换,不用外加能量,但换热效率较低。我国目前在5 5型以下的锥形双螺杆挤出机大致都是这种配置;一种是外加热与冷却装置,通过外加能量调节螺杆加热区和恒温区的温度。螺杆温度的的设定,主要依据加温区和恒温区的设定与显示的温差来确定。其主要职能是辅助给料段加温或为计量段降温,平衡两者的温差(我们公司的双螺杆都是采用的这种装置)。从目前实际的挤出机情况和存在的问题来看,主要是发挥后者的作用。

4.8 工艺温度控制机理小结:挤出温度设定之所以要求为“马鞍型”,主要是为确保物料和熔体温度呈“阶梯型”,由低到高,始终处于平稳上升,均衡塑化状态,而不至于因物料在加温区域设定温度太低,物料至排气孔时还未能塑化,从排气孔冒料;在恒温区域因设定温度过高,导致物料发生降解。行业文献中有人主张将设定温度呈“阶梯型”设置,显然是一个误区。当显示温度处于受控状态时,外热和内热是可以相互调节和平衡的。在设定温度一定条件下,当因剪切作用大,内热较高时,外加热圈会自动减少工作时间和加热量,辅助以从外部提供风冷(或油冷),内部提供油冷,进行冷却,以防止物料分解;当因剪切作用小,内热较低时,外热圈也会自动增加工作时间,从而自动保持所供热量和所需热量的平衡。提高设定温度,在增加外供热量的同时,因物料粘度减少,流动性增加,导致剪切热减少;反过来说,如果降低设定温度,在减少外供热量的同时,因物料粘度增加,流动性减少,导致剪切热增加。挤出机提供的能量总是和设定温度保持协调一致。并不因挤出机剪切性能强弱,挤出量大小而变化。在较高的加工温度、较低的剪切作用下,可获得与较低加工温度与较高的剪切作用下相同的塑化度。因此无论挤出机剪切性能强弱,挤出量大小,挤出工艺温度的设定应基本一致,不应当有太大的不同。这也是本人近期在参考了大量行业文献和充分考虑物料塑化的同时,兼顾如何利用外加热,减缓剪切热,在确保挤出制品塑化质量的基础上,减少螺筒磨损,延长其工作寿命的新思路。


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