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UPVC擠出設備的塑化機理與配方調整的關系/穩定劑廠家

杭州泓納科技有限公司,PVC穩定劑,改性劑,氧化聚乙烯蠟

一、前言:

塑料擠出成型如UPVC(硬質聚氯乙烯)型材或管材制品的成型主要經過PVC樹脂和相關助劑的配混、擠出成型、定型、牽引、切割等環節而成。影響制品性能的因素涵蓋了生產過程的每一環節,各環節間通過制品為媒體相互作用、相互影響,某一環節出現問題在一定范圍內可通過其它環節加以彌補,因而各環節成為一有機體。其中,原料、配方設備和操作工藝是塑料擠出成型的主要因素,直接影響著擠出成型的質量和產量。本文著重從擠出設備與原料方面談談對擠出的影響。由于高分子的成型加工受到很多因素的影響,限于本人水平和經驗認識的局限,文中的片面看法和錯誤在所難免,懇請讀者批評指正。

二、UPVC原料成分構成:

一般講UPVC原料主要由以下成分構成:

1PVC樹脂:

  擠出PVC硬制品一般采用懸浮法疏松性樹脂,S-PVC聚合度、粒度、疏松程度應合適。不能選用粒度相差大的樹脂和參有緊密顆粒的疏松性樹脂。

2穩定劑:

  因PVC樹脂為熱敏型樹脂,當溫度到達90~130℃左右時開始熱降解,脫出不穩定的HCL,樹脂出現變黃現象。隨著溫度上升樹脂顏色變深,制品理化性能下降。解決降解問題除改善樹脂原料的生產工藝外,主要是在PVC樹脂中添加穩定劑,吸收中和HCL氣體,消除其催化降解的作用。常用穩定體系有:鉛鹽類,有機錫類,金屬皂類和稀土類穩定劑。

3潤滑劑:

  以提高潤滑性、降低界面粘附為目的的助劑。按功能分有外潤滑劑、內潤滑劑和內外潤滑劑。外潤滑劑可減小物料與金屬表面間的摩擦避免UPVC物料塑化后粘附機筒和螺桿,內潤滑劑可減小物料內部粒子間的摩擦,削弱分子之間內聚力降低熔體粘度。潤滑劑的使用對降低螺桿負荷,減小剪切熱,增大擠出產量影響很明顯。配方中潤滑劑的設計相當重要。

4填充料:

  為提高制品硬度、剛性,減小制品變形量,降低原料成本,UPVC制品生產中多加入CaCO3等填充料。

5加工改性劑(ACR):

  主要以改善物料加工性能為目的,加速PVC樹脂塑化,改善物料流動性、熱變形性及制品表面光澤等特性。

6抗沖改性劑:

  主要目的為提高制品抗沖擊性能,提高制品韌性,改善塑化效果。UPVC常用的改性劑為CPE(氯化聚乙烯)和丙烯酸脂類抗沖改性。

7著色劑:

  鈦白粉,炭黑等。

三、塑料擠出設備的塑化機理及配方成分對其的影響:

   塑料擠出成型的設備很多,用于UPVC硬制品擠出的主要有:排氣式單螺桿擠出機、異向雙螺桿擠出機。以下主要進行探討用于擠出UPVC制品常用擠出機的塑化機理。

1.排氣式單螺桿擠出機:

1.1塑化機理:

圖1為基于普通單螺桿基礎上的排氣式單螺桿?捎糜赨PVC吃粉料成型擠出和造粒。該螺桿是由兩個普通單螺桿串聯組成,長徑比大(L/D=25~30),前段單螺桿主要通過物料吸熱輸送、壓縮、熔融均化起到使物料初步熔融的作用,后段單螺桿主要是排氣、進一步熔融均化、建立擠出壓力的作用。從排氣口看物料應處于半熔融狀態,排氣口設置在后段螺桿的輸送段此處物料減壓方可排氣。

圖片1-1.png

前一螺桿主要是物料輸送、壓縮、熔融的過程。

  在輸送段,干粉料逐漸被壓實形成“固體床”因料溫還未升起,只將粉粒間和粉粒內部的空氣排出。

  在壓縮段,料溫在160~170℃左右,隨著螺槽容積的減小,物料與機筒表面建立起壓力強制物料通過螺桿與機筒間的間隙,物料與機筒表面間壓力加大增強了物料的吸熱效果,靠近機筒表面的物料因剪切、受壓、受熱形成熔膜,因螺桿與機筒的相對運動在螺槽的前面積聚并逐步增多,該段起物料粉粒受剪切破碎熔融,由于螺槽內的物料受到的剪切力較小,螺槽內物料塑化的一致性較差。       

  在均化段,螺桿底徑減小,使螺槽中間的物料靠近機筒促使其剪切加熱熔融,進一步完成物料的熔融并使其均化一致。

  后一螺桿(靠近機頭)的輸送段底徑變大,其排量遠比前一螺桿的均化段大,此處的物料不受壓成段狀或大塊狀,物料內的氣體和揮發組分等釋放出來,排氣口設置于此,將其通過真空泵排出。物料經第二壓縮段到達均化段,在機頭、螺桿及機筒作用下建立起擠出壓力,形成致密均勻的料流從機頭擠出成型,此處均化段的排量大于前一段排量防止冒料。

  從以上分析可看出單螺桿熔融主要是通過螺桿轉動機筒靜止,在螺槽中不同部位的物料產生相對位移的剪切,物料受熱壓縮與機筒和螺桿間熱傳導形成熔膜熔池,固液相間的遷移等。

1.2配方設計應注意的問題:

  在設計單螺桿物料配方時,應考慮到單螺桿擠出機中物料的熔融時間長,固體輸送段物料狀態對生產率影響明顯和物料非強制輸送等特點。由于排氣式單螺桿擠出機的長徑比大(一般L/D=28~32)物料受熱時間較長且非強制輸送,適當增加穩定劑的用量對防止過熱分解是有益的,由于螺桿較長,負載較大,適當增加潤滑劑可降低螺桿扭矩。當然,潤滑劑過多對物料的輸送及制品的沖擊性能有負面影響,過量時在擠出中還可能會出現“抱螺桿”現象?煽紤]加入抗沖改性劑,抗沖改性劑加入量增大會導致螺桿扭矩上升。加入一定量的填充料CaCO3可提高熔體的強度,降低物料的流動性,影響物料的塑化速度,粒度不同的CaCO3產生的作用也有很大區別。不同用途的制品CaCO3加入量相差很大。另外,模具結構特點關系到擠出壓力的大小,對配方也有一定的影響。因此,應通盤考慮配方的設計。

2.異向雙螺桿擠出機:

  雙螺桿擠出機的熔融機理雖然是建立在單螺桿基礎上但因嚙合區的存在,輸送原理與單螺桿有很大的區別,為了便于分析其熔融機理,有必要先對雙螺桿擠出機作以簡單介紹。

2.1雙螺桿擠出機分類:

  A、按螺桿運轉方向可分為:向雙螺桿擠出機:

B、兩螺桿的旋向相反。同向雙螺桿擠出機:兩螺桿的旋向相同。                          

  異向雙螺桿擠出機按旋向又可分為異向向外雙螺桿擠出機和異向向內雙螺桿擠出機。異向向內雙螺桿擠出機因吃料性差、物料在兩螺桿的壓延區對螺桿產生很大的徑向力而導致機筒與螺桿間磨損嚴重而被淘汰使用。一般所講的異向雙螺桿擠出機均指異向向外雙螺桿擠出機(下同)。

  擠出UPVC型材一般均采用異向錐形雙螺桿擠出機和異向平行雙螺桿擠出機。

2.1.1異向錐形雙螺桿擠出機:

  兩螺桿軸線與料筒軸線以夾角α(α值一般為1°~2°之間)對稱分布。螺桿旋向不同,工作段兩端直徑不同,大小頭螺槽深度相同的為普通錐形雙螺桿擠出機螺桿,大頭螺槽深度比小頭螺槽深度大的為超錐(雙錐)錐形雙螺桿擠出機螺桿。 

  異向錐形雙螺桿擠出機特點:螺桿大頭直徑大,螺桿熱容量大,螺槽深(超錐型)物料與螺桿和料筒的接觸面積大,物料具有較長的停留時間均有利于料筒和螺桿與物料的熱傳遞,基于此點,同產量下錐形雙螺桿擠出機的螺桿長度和長徑比(一般為13~17)比其它類型擠出機的長度和長徑比小很多。螺桿小頭的直徑相對小,物料在擠出段的停留時間較短,螺桿運轉的線速度低,剪切速率低均對減小物料間及物料與螺桿及機筒間的摩擦熱有利。

  對于型材擠出量在400Kg/h以內、管材板材擠出量在800Kg/h以內時,應優先考慮采用錐形雙螺桿擠出機。擠出UPVC型材和管材錐形雙螺桿擠出機應用最為廣泛。

  塑化能力方面:一臺擠出機的塑化能力是擠出機擠壓系統、配方和操作工藝參數綜合作用的結果。錐形雙螺桿、平行雙螺桿擠出機的塑化能力不能簡單的說孰好孰差,只能依據螺桿具體的結構、配方成分和操作工藝參數、模具等條件分析而定。

2.1.2異向平行雙螺桿擠出機:

  兩螺桿軸線與料筒軸線平行且對稱分布。螺桿工作段兩端的內外直徑均相同,又有分段螺桿及連續變導程螺桿之分。分段螺桿是指螺桿的各不同功能段間因螺頭數不同、螺距不同存在有加工退刀槽的螺桿。連續變導程平雙螺桿是指螺桿的各不同功能段間無退刀槽,螺桿的各不同功能段螺頭數相同。因螺桿、機筒的母線為直線,加工性較好。因結構特點異向平雙擠出機的螺桿可以從擠出機出料端取出,便于維護設備。螺桿可以設計成全程變導程結構,據有關資料介紹這樣在擠制型材時對物料產生的加工應力小,以便獲得良好的擠出質量。

  平行雙螺桿擠壓機在擠出量大時應用相對多些。應該注意的是異型材生產線的產量受模具的影響很大,高速下擠出機機頭成型及制品在定型模的定型良好與否往往成為產量受限的瓶頸。

2.2 錐形雙螺桿擠出機的塑化機理:

2.2.1錐形雙螺桿擠出機擠壓系統結構及有關概念:

  圖2為國外某公司錐形雙螺桿擠出機的擠壓系統示意圖:

  一般錐形雙螺桿擠出機擠壓系統包括:螺桿、機筒、加熱冷卻裝置、真空排氣裝置。

  由圖2可見,從螺桿輸送段至計量段螺桿的外徑、底徑均在減小,螺頭數也在變化,各段間有無螺紋的過渡段,預塑段設置有溝槽(也有無溝槽的)。應注意的是:不同廠家的擠出機其螺桿的結構不完全相同。同一擠出機根據制品的不同種類和性能要求配不同的螺桿,但其物料的熔融機理基本相同。

圖2.png

圖2錐形雙螺桿擠出機的擠壓系統

在討論錐形雙螺桿擠出機的塑化機理前有必要說明幾個概念:

⑴ C形室:圖3,由機筒內面、螺桿底錐面、螺桿兩側面、相嚙螺桿頂面所包容的容積。C形室是異向平行雙螺桿擠出機獨有的特點。

⑵ 螺桿間隙δ1:圖4,螺桿橫剖面上螺桿外錐與機筒間的徑向間隙。也稱螺棱間隙。

圖4.png

⑶ 頂隙(底隙)δ2:螺棱頂面與相嚙螺桿底面間的間隙。

圖5.png

⑷ 側隙δ3:螺棱面與螺槽面間的間隙。

⑸ 四面體間隙: 因螺桿牙形變化相鄰兩螺牙面與機筒錐面及螺桿嚙合線間構成的楔形間隙。

2.2.2錐形雙螺桿擠出機的物料的塑化機理:

⑴ 輸送段:

  物料從下料口進入輸送段在螺桿強制推動力的作用下向前輸送,螺桿每轉一圈,C形室物料向前移動一個導程,由于結構所致,C形室的體積愈來愈小,物料逐漸被壓緊,因物料與機筒螺桿接觸壓力增大,吸熱量增多,物料溫度逐漸上升,為下步熔融做好準備。由于錐雙擠出機機筒、螺桿在輸送段的表面積大物料和機筒、螺桿間的導熱效率提高。

⑵ 預塑化段:

  物料經過輸送段的加熱和壓縮,粉粒間和粉粒內部的空氣大部分排出,物料密度增加。隨著C形室物料繼續前移,與機筒和螺桿相接觸的物料受粘附作用欲保持與機筒或螺桿同速,在螺桿的帶動下受剪切作用強于螺槽中部物料加上受熱的時間長開始熔融,C形室中的物料是以從外向內環流的方式進行熔融的。隨C形室容積的變化,內外物料交換增強。有些擠出機生產廠家根據本廠家擠出機的特點在預塑化段設置有混煉槽,其目的在于溝通前后C形室物料,增強剪切作用,利于C形室內外層物料的交換,提高熔融效果。物料經過預塑化段后,大粉粒狀物料基本均被破碎,物料處于半熔融狀態。

⑶ 塑化段:

  又稱壓縮段。此段C形室容積急劇減。ㄔ摱闻帕績H為輸送段的0.25~0.4之間),物料經過時受到強烈的擠壓、剪切、交換作用大部分物料基本處于初步塑化狀態。

⑷ 排氣段:

  UPVC混配料經過輸送、預塑化和壓縮段后進入排氣段,由于排氣段C形室容積比壓縮段大很多(一般排量為壓縮段的3倍以上),物料到達此段減壓,物料成段狀或大塊狀,物料內的氣體和低分子揮發組分等釋放出來,此段設置排氣口,氣體通過排氣口在真空泵作用下排出。UPVC擠出成型排氣功能很重要,否則,制品內有氣泡會嚴重影響機械性能。

⑸ 計量段:

  由于物料經輸送段、預塑化段、塑化段、計量段C形室容積不斷變化及螺桿各段螺頭數不同C形室物料不斷變換位置排氣后進入計量段,該段主要對物料進一步塑化、均化、在機頭作用下建立擠出壓力。由于計量段C形室體積減小,物料均化后再次受到壓縮形成致密均勻的流體經聯接體(過渡體)、多孔板、機頭擠出。

⑹ 各種間隙對熔融的影響:

  螺桿間隙δ1、側隙δ3及四面體間隙δ4中的物料因與所接觸金屬面的運動速度不同受到較強的剪切作用有助于物料的熔融,間隙愈小,剪切作用愈強。頂隙(底隙)δ2中的物料類似于雙輥開煉機中的物料受擠壓作用強而熔融,間隙愈小,擠壓作用愈強。

  應注意的是各間隙太小或太大都不可取。間隙太小制造難度加大、對料的熔融一致性有不利影響。間隙太大漏流加大,擠出機的生產效率降低。各種間隙的大小比值合理時對熔融也有利。

⑺ 環形槽對熔融的影響:

  大多數螺桿的各功能段間都有環形槽,除了起到加工退刀作用外,對C形室內物料的重新分配是有利的,促進物料的熔融均化。當然,采用其他方式(如回流槽)可滿足物料熔融均化,也可不必有環形槽,如奧地利CINCINNATI公司生產的ARGOS 93異向平雙擠出機。

2.3 異向平行雙螺桿擠出機的塑化機理:

異向平行雙螺桿擠出機的塑化機理與錐雙擠出機的塑化機理基本相同,不同之處螺桿機筒直徑各處相同,喂料段物料吸熱面積小,相對比較螺桿計量段直徑比錐雙大,螺桿轉速不能太大。因此,為提高塑化效果,異向平行雙螺桿擠出機螺桿的長徑比比錐雙擠出機螺桿要大(一般L/D=25~30)異向平行雙螺桿擠出機螺桿各段C形室的容積大小同錐雙一樣反復變化,變化模式也基本相同。圖5為異向平雙螺桿排量與錐雙螺桿排量對比。

UPVC物料在加工過程中形態的轉變歷程除了與混配料的成分有關外,與外界加工條件也有很大關系。如混配料的溫度、混配時的加料順序、擠壓工藝溫度、螺桿轉速、喂料量及物料受到剪切作用的強度等。在分析物料塑化度時應全面的考慮,統籌分析。

2.4 物料配方對異向雙螺桿擠出機的塑化的影響:

  由于UPVC制品各生產廠家所使用的配方成分及用量不同,以下只對PVC樹脂和常用助劑作以分析。

⑴ PVC樹脂:

  不同型號的PVC樹脂因其聚合度不同、粉粒結構不同、微粒子間的結合強度不同、粉粒表層薄厚不同,熔融時所需的外界條件也不同。PVC樹脂粉粒表層薄的樹脂比厚的容易熔融,疏松型樹脂比緊密型樹脂容易熔融。物料中大而緊密的顆粒不容易塑化會形成“魚眼”,影響制品的外觀和性能。粉粒大小均勻疏松程度一致的料熔融均勻性好,所生產的制品性能和外觀要好些。

⑵ 穩定劑:

  穩定劑種類很多,對擠出中物料的形變和熔融有著不同的影響,不同穩定劑協同作用有著明顯的優點,隨著人們對UPVC制品加工成型穩定機理研究的深入,配方中通常采用主輔穩定劑與潤滑劑配合使用的復合穩定劑。

  穩定劑加入量的大小首先應考慮到所采用擠出機及模具的形式種類及結構特點,物料在擠出機和模具中停留的時間長時,穩定劑加入量應相對大些,受到剪切作用大時穩定劑量應相對大些。一般講,錐雙比異向平雙受熱時間短,單螺桿受熱時間最長。同類擠出機若擠壓系統結構相差比較大時要考慮剪切強度的大小。模具流道長、容積大時物料受熱時間也長,設計配方時也應考慮這一因素,如生產大口徑管材穩定劑量要多些。

  其次,穩定劑用量要考慮輔助潤滑作用,各類穩定劑用量因其對對物料的潤滑作用不同而有變化。潤滑作用強的穩定劑物料受到的剪切作用弱,穩定劑用量適當少一些。復合穩定劑內潤滑作用強時有利物料的熔融,復合穩定劑外潤滑作用強時有利降低螺桿負載。在確定復合潤滑劑用量時應統籌考慮。

  穩定劑用量還應考慮工藝溫度、擠出螺桿轉速、螺桿直徑等因素的影響,工藝溫度設定高,穩定劑用量偏大;轉速高、螺桿直徑大,穩定劑用量偏大。

⑶ 潤滑劑:

  潤滑劑的加入量對物料的熔融時間、快慢、螺桿負荷、擠出的產量、機頭壓力、制品的機械性能均有明顯的影響。潤滑劑用量很小的變化也會影響擠出物料的流變行為。潤滑劑種類的選擇和用量是UPVC配方設計的關鍵.

  潤滑劑按功能有內潤滑劑,外潤滑劑和內外潤滑劑,內潤滑劑熔化后可滲入PVC微粒內分子鏈之間,減小分子間引力,降低熔體粘度,促進樹脂塑化。外潤滑劑熔化后不能進入PVC微粒內分子鏈之間,分布于PVC微粒和物料與機筒螺桿表面之間,外潤滑劑量增多,物料受到的剪切作用小,起始熔融的時間推后,熔融時間長,螺桿負荷減小,螺桿負荷減小可加大喂料量提高擠出產量。

  潤滑劑量過多(尤其是外潤滑劑)時,制品的抗沖擊性能下降,物料與機筒間潤滑膜太厚則物料不能粘附在機筒內表面,物料受到剪切作用很弱塑化效果很差。

表1   型材配方扭矩流變試驗有關參數統計表

表12.png

從表1中就可看出物料的到達最大扭矩的平均時間從46.67秒到143.31秒,說明塑化所需時間相差很大。最大扭矩從22.33N.M到37.5N.m相差也很大,說明擠出機加工時所受到的負載也有很大不同。由于負載不同,就會影響到喂料量的多少,也就會影響到擠出產量。

四.總結:

  本文對物料在擠出機中的熔融機理和配方調整作了基本分析,由于高分子加工成型技術的實踐性很強,制品原料配方、加工設備、工藝條件多有不同。因此,實際生產中應結合生產設備尤其是擠壓系統的結構、配料組成、制品性能要求、生產量全面分析助劑中各成分對物料熔融的影響,從而確定出合理的生產工藝。



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