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塑料挤出的11项重要原则介绍
www.chinaplma.com 时间:2011-4-1 11:58 来源:

    1.机械原则
    挤出的基本机理很简单——一个螺杆在筒体中转动并把塑料向前推动。螺杆实际上是一个斜面或者斜坡,缠绕在中心层上。其目的是增加压力以便克服较大的阻力。就一台挤出机而言,有3种阻力需要克服:固体颗粒(进料)对筒壁的摩擦力和螺杆转动前几圈时(进料区)它们之间的相互摩擦力;熔体在筒壁上的附着力;熔体被向前推动时其内部的物流阻力。
    牛顿曾解释说,如果一个物体没有向一个给定的方向运动,那么这个物体上的力就在这个方向中平衡。螺杆不是以轴向运动的,虽然在圆周附近它可能横向快速转动。因此,螺杆上的轴向力被平衡了,而且如果它给塑料熔体施加了一个很大的向前推力那么它也同时给某物体施加了一个相同向后推力。在这里,它施加的推力是作用在进料口后面的轴承——止推轴承上。
    多数单螺杆是右旋螺纹,像木工和机器中使用的螺杆和螺栓。如果从后面看,它们是反向转动,因为它们要尽力向后旋出筒体。在一些双螺杆挤出机中,两个螺杆在两个筒体中反向转动并相互交叉,因此一个必须是右向的,另一个必须是左向的。在其它咬合双螺杆中,两个螺杆以相同的方向转动因而必须有相同的取向。然而,不管是哪种情况都有吸收向后力的止推轴承,牛顿的原理依然适用。
    2.热原则
    可挤出的塑料是热塑料——它们在加热时熔化并在冷却时再次凝固。熔化塑料的热量从何而来?进料预热和筒体/模具加热器可能起作用而且在启动时非常重要,但是,电机输入能量——电机克服粘稠熔体的阻力转动螺杆时生成于筒体内的摩擦热量——是所有塑料最重要的热源,小系统、低速螺杆、高熔体温度塑料和挤出涂层应用除外。
    对于所有其他操作,认识到筒体加热器不是操作中的主要热源是很重要的,因而对挤出的作用比我们预计的可能要小(见第11条原则)。后筒体温度可能依然重要,因为它影响齿合或者进料中的固体物输送速度。模头和模具温度通常应该是想要的熔体温度或者接近于这一温度,除非它们用于某具体目的像上光、流体分配或者压力控制。
    3.减速原则
    在多数挤出机中,螺杆速度的变化通过调整电机速度实现。电机通常以大约1750rpm的全速转动,但是这对一个挤出机螺杆来说太快了。如果以如此快的速度转动,就会产生太多的摩擦热量而且塑料的滞留时间也太短而不能制备均匀的、很好搅拌的熔体。典型的减速比率在10:1到20:1之间。第一阶段既可以用齿轮也可以滑轮组,但是第二阶段都用齿轮而且螺杆定位在最后一个大齿轮中心。
    在一些慢速运行的机器中(比如用于UPVC的双螺杆),可能有3个减速阶段并且最大速度可能会低到30rpm或更低(比率达60:1)。另一个极端是,一些用于搅拌的很长的双螺杆可以以600rpm或更快的速度运行,因此需要一个非常低的减速率以及很多深冷却。
    有时减速率与任务匹配有误——会有太多的能量不能使用——而且有可能在电机和改变最大速度的第一个减速阶段之间增加一个滑轮组。这要么使螺杆速度增加到超过先前极限或者降低最大速度允许该系统以最大速度更大的百分比运行。这将增加可获得能量、减少安培数并避免电机问题。在两种情况中,根据材料和其冷却需要,输出可能会增加。
    4.进料担当冷却剂
    挤出是把电机的能量——有时是加热器的——传送到冷塑料上,从而把它从固体转换成熔体。输入进料比给料区中的筒体和螺杆表面温度低。然而,给料区中的筒体表面几乎总是在塑料熔化范围之上。它通过与进料颗粒接触而冷却,但热量由热前端向后传递的热量以及可控制加热而保持。甚至当前端热量由粘性摩擦保持并且不需要筒体热量输入时,可能需要开后加热器。最重要的例外是槽型进料筒,几乎专用于HDPE。
    螺杆根表面也被进料冷却并被塑料进料颗粒(及颗粒之间的空气)从筒壁上绝热。如果螺杆突然停止,进料也停止,并且因为热量从更热的前端向后移动,螺杆表面在进料区变得更热。这可能引起颗粒在根部的粘附或搭桥。
    5.在进料区内,粘到筒体上滑到螺杆上
    为了使一台单螺杆挤出机光滑筒体进料区的固体颗粒输送量到达最大,颗粒应该粘在筒体上并滑到螺杆上。如果颗粒粘在螺杆根部,没有什么东西能把它们拉下来;通道体积和固体的入口量就减少了。在根部粘附不好的另一个原因是塑料可能会在此处热炼并产生凝胶和类似污染颗粒,或者随输出速度的变化间歇粘附并中断。
    多数塑料很自然地在根部滑动,因为它们进入时是冷的,而且摩擦力还没有把根部加热到和筒壁一样热。一些材料比另一些材料更可能粘附:高度塑化PVC,非晶体PET,和某些最终使用中想要的有粘附特性的聚烯烃类共聚合物。
    对于筒体,塑料有必要粘附在这里以便它被刮掉并被螺杆螺纹向前推动。颗粒和筒体之间应该有一个高的摩擦系数,而摩擦系数反过来也受后筒体温度的强烈影响。如果颗粒不粘附,它们只是就地转动而不向前移动——这就是为什么光滑的进料不好的原因。
    表面摩擦并非影响进料的唯一因素。很多颗粒永远都不接触筒体或螺杆根部,因此在颗粒物内部必须有摩擦和机械与粘度连锁。
    带槽筒体是一种特殊情况。槽在进料区,进料区与筒体其余部分是热绝缘的并是深度水冷的。螺纹把颗粒推入槽内并在一个相当短的距离内形成一个很高的压力。这增加了相同输出较低螺杆转速的咬合允量,从而前端产生的摩擦热量减少,熔体温度更低。这可能意味着冷却限制吹制膜生产线中更快的生产。槽特别适合于HDPE,它是除过氟化塑料之外最滑的普通塑料。
    6.材料的花费最大
    在某些情况下,材料成本可以占到产成本的80%——多于其他所有因素之和——除过少数质量和包装特别重要的产品比如医用导管。这个原则自然引出两个结论:加工商应该尽可能多地重复使用边角料和废品来代替原材料,并尽可能严格地遵守容差以免背离目标厚度及产品出现问题。
    7.能源成本相对来说并不重要
    尽管一个工厂的吸引力和真正问题和上升的能源成本在同一水平线上,运行一台挤出机所需的能源仍然是总生产成本中很少一部分。情况总是这样的因为材料成本非常高,挤出机是一个有效的系统,如果引入了过多能量那么塑料就会很快变得非常热以致于无法正常加工。
    8.螺杆末端的压力很重要
    这个压力反映螺杆下游所有物体的阻力:过滤网和污染扎碎机板、适配器输送管、固定搅拌器(如果有)以及模具自身。它不但依赖于这些组件的几何图形还依赖于系统中的温度,这反过来又影响树脂粘度和通过速度。它不依赖于螺杆设计,它影响温度、粘度和通过量时除外。就安全原因来说,测量温度是很重要的——如果它太高,模头和模具可能爆炸并伤害附近人员或机器。
    压力对于搅拌是有利的,特别在单螺杆系统的最后区域(计量区)。然而,高压力也意味着电机要输出更多的能量——因而熔体温度更高——这可以规定压力极限。在双螺杆中,两个螺杆相互咬合是一种更加有效的搅拌器,因此用于这种目的时不需要压力。
    在制造空心部件时,比如使用支架对核心定位的蜘蛛模具制造的管子,必须在模具内产生很高的压力来帮助分开的物流重新组合。否则,沿焊接线的产品可能较弱并且在使用时可能出现问题。
    9.输出=最后一个螺纹的位移+/-压力物流和泄漏
    最后一个螺纹的位移叫做正流,只依赖于螺杆的几何形状、螺杆速度和熔体密度。它由压力物流调节,实际上包括了减少输出量的阻力效果(由最高压力表示)和增加输出量的进料中的任何过咬合效果。螺纹上的泄漏可能是两个方向中的任意一个方向。
    计算每个rpm(转)的输出量也是有用的,因为这表示某时间螺杆的泵出能力的任何下降。另外一个相关的计算是所用每马力或千瓦的输出量。这表示效率并能够估计一台给定电机和驱动器的生产能力。
    10.剪切率在粘度中起主要作用
    所有普通塑料都有剪力下降特性,意思是在塑料运动得越来越快时粘度变低。一些塑料的这个效果表示得特别明显。例如一些PVCs在推力增加一倍时流速会增加10倍或更多。相反,LLDPE剪力下降得不是太多,推理增加一倍时其流速只增加3到4倍。减少了的剪力降低效果意味着挤出条件下的高粘度,这反过来又意味着需要更多的电机功率。这可以解释为什么LLDPE运行时温度比LDPE高。流量以剪切率表示,在螺杆通道中时大约是100s-1,在多数模具口型中是100和100s-1之间,在螺纹与筒壁间隙和一些小模具间隙中大于100s-1。熔体系数是粘度的一个常用的测量方法但却是颠倒的(比如是流量/推力而不是推力/流量)。可惜,其测量是在剪切率在10s-1或更小时而且在熔体流速很快的挤出机中可能不是一个真实的测量值。
    11.电机与筒体对立,筒体与电机对立
    为什么筒体的控制效果并非总是和期望的一样,特别是在测量区内?如果对筒体加热,筒壁处的材料层粘度变小,电机在这个更加光滑的筒体内运行需要的能量更少。电机电流(安培数)下降。相反地,如果筒体冷却,筒壁处的熔体粘度增大,电机必须更加用力地转动,安培数增加,通过筒体时除去的一些热量又被电机送回。通常,筒体调节器的确对熔体产生效果,这是我们所期望的,但是任何地方的效果都没有区域变量大。最好是测量熔体温度来真正了解发生了什么情况。
    第11条原则不适用于模头和模具,因为那里没有螺杆转动。这就是为什么外部温度变化在那里更加有效。可是,这些变化是从里到外因而不均匀,除非在一个固定搅拌器中搅匀,这对于熔体温度变化以及搅拌都是一个有效的工具。
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