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在PVC-U挤出过程中,物料温度(简称料温)过低,物料塑化不良,物性检验难以通过,且产品外观无光泽,表面粗糙;料温过高,同样会导致上述现象,且产品外观发黄,因此料温的控制在生产中的意义是很明显的。下面就以奥地利辛辛那提公司生产的CM68锥型双螺杆挤出机加工PVC2U管材为例,分析影响料温的因素。 1 影响因素及机理分析 1.1配方 不同的配方或同一配方中不同厂家生产的原料,料温会有较大差异,可达10℃左右。配方中的各个组分几乎都会影响料温,主要是以下几种: 1.1.1PVC树脂 PVC树脂的分子量大小及分布决定了它的热稳定性。在同样的条件下,PVC树脂的分子量愈大,分布愈窄时,树脂的热稳定性愈好。树脂中一定数量的分子量偏低的组分会显著降低聚合物的热稳定性,在相同的加工条件下,该组分会率先分解并引发/催化PVC的分解放热,导致料温上升。PVC树脂生产企业采用的原材料、工艺路线、生产规模不同,树脂的分子量分布也不相同。即使是同一厂家,不同批号树脂的分子量分布也不相同,因而对料温的影响是波动的。 1.1.2热稳定剂 热稳定剂的功能是通过置换活泼氯原子,减少不稳定结构;捕捉脱出的HCl,终止其自催化作用;与双键加成或与共轭链进行双烯加成;捕捉自由基;螯合金属氯化物等途径实现的[1]。因此热稳定剂量的不足或任何削弱实现其功能的物质和行为,如加工时间过长、剪切/摩擦热过大、设定温度过高、冷却不足、物料热历程过长、加料顺序不对,导致液态热稳定剂过早被填料吸收等都将导致PVC树脂过早分解放热,料温升高。 1.1.3无机填料 CaCO3是一种最常用的填料,其不仅可降低生产成本,在一定程度上还可增强基体。但随着其含量的增加,一方面低表面活性填料对润滑剂的吸附、吸收作用增强,导致熔体粘度增加,摩擦增大,料温上升;另一方面CaCO3对料筒的摩擦加剧,挤出机扭矩显著升高,料筒各段温度明显上升,导致料温升高。 1.1.4润滑剂 润滑剂对料温的影响显著,而且能改善物料流变性能,降低主机扭矩。润滑剂有内润滑剂如硬脂酸、硬脂酸钙等和外润滑剂如石蜡、聚乙烯蜡等。内润滑剂可以减少材料内部之间的摩擦,要求与树脂基体有一定的兼容性;外润滑剂的作用是界面润滑,在加工温度下外润滑剂移析至物料表面,减少外部摩擦。内、外润滑剂都可有效降低料温。应当注意的是在物料整个加工过程中(包括混料),不光有内、外润滑之分,还有初、中、后期之分,并要考虑到高、低熔点之分。因此PVC2U的润滑剂通常是一个复配体系,这样才能保证物料在整个加工过程中保持适宜、稳定的料温。 此外还应考虑到其它助剂(如稳定剂、填料等)中是否含有润滑成分,含何种,含多少,以及填料的用量等[2]。否则润滑剂过多不仅增加生产成本,还会影响树脂分子链之间的缠结,减少了分子链之间的物理交联点,导致物料易被拉断且挤出压力偏低,塑化度低,制品疏松,抗冲击强度低。但润滑剂用量少时,由于摩擦热大,料温较高,挤出的制品发黄,这一点常被误认为是热稳定剂不足,二者区别在于前者挤出扭矩很高且料压偏大。 1.2料筒 1.2.1料筒、螺杆间隙(δ)对PVC而言,δ过小,料压很高,不仅影响产量,而且磨损严重,剪切、压延作用强烈,所以料温显著升高甚至会造成物料分解;δ适中,漏流量增加,回流的熔料加速生料熔融塑化。漏流对双螺杆挤出机意义重大,双螺杆挤出机在计量段后部和整个熔化段都存在漏流。对熔化段的每个螺槽来说,螺槽后部有熔体池的熔体,螺槽前部有漏流来的熔体,螺槽前后两部分熔体和中部的生料在双螺杆的频繁剪切作用下,熔体与生料互相掺混,传热传质,最后达到全部熔化。在计量段后部,漏流占统治地位,从前一螺槽漏流来的、塑炼程度较好的熔体与后一螺槽自生的、塑炼程度较差的熔体,在双螺杆的频繁剪切下相互混合,传热传质,提高塑化效果,每前进一个螺槽,塑炼效果提高一级[3],使料温快速达到加工温度。在CM68锥形双螺杆上熔化段至计量段后部有意识地在螺棱上开了5条长约21cm,宽约20mm的“∪”形轴向孔洞。锥形双螺杆挤出机正是通过这些孔洞来加大漏流量,实现诱导塑化,促使生料加速融化达到加工温度的。若δ过大,熔料在高压下回流较大,不仅影响产量,而且使料温过早达到加工温度,在随后的加工过程中树脂趋向分解。 1.2.2料筒各区温度设定 双螺杆挤出机从加料口至机头一般分为E1、E2、E3、E4、A五个区。E1区需要较多的热量以促进物料快速熔化并排出其中的水分,温度设定较高,但要防止加料口处架桥,一般为185～195℃。E1区包含螺杆的送料段和熔化段后部。E2区即上面所述的诱导塑化区,包括螺杆熔化段和计量段后部。该区由于剪切和漏流的作用,料温上升,所以E2区温度设定宜较E1区低,一般宜为180～185℃,物料经过该区后应能抱成团,以防从排气孔抽出。CM68的锥形螺杆上有两段螺纹升角不同的计量段,排气孔和E3区均位于第一计量段。在该段中,物料已基本呈熔体状态,但温度还不均匀,塑化仍未完全。该段的螺纹升角大,螺距长,这样有利于物料均化。随着螺杆容积减少和机头阻力的作用,物料粘度、密实度进一步提高,此时仍需一定的能量,但该区由于剪切和压延作用生成的内热较多,故温度设定宜比E2区要低,约155～160℃。E4区位于第二计量段,该段螺纹升角和螺距较第一段小,作用同上。由于此时料温已经很高,为保持恒定的料温,故该段螺杆直径较小,受热面积小,啮合处剪切作用较弱,所以E4区温度设定的很低,一般只有145～150℃。当E4区温度较高时,将会显著地使料温升高,塑化过度,影响制品的物理性能。此时除要考虑降低E4区的设定温度和加强该区的冷却外,还应考虑到E4区主要功能是均化物料,剪切、压延生成的内热较少,过高的料温有很大一部分是由前面所积累的,应综合平衡各区温度。当通过各种手段仍无法有效降低E4区温度时,很有可能是由于δ磨损过大,应考虑更换料筒螺杆。在机头A区,物料已完全熔化并将由螺旋运动转变为匀速直线运动,建立起熔体压力,这都需要消耗一定的能量,而机头区无剪切、压延和内热作用,所以机头温度应比E4区高,一般为160～165℃。该部分温度将直接影响物料进入模具分流时的流变状态:温度偏低,物料均化不充分,料压上升,主机扭矩增大,制品表面光泽差;温度偏高,后收缩率大,而且当物料在模具区有较长的热历程时,制品会黄。 应当注意的是,在料筒各区中,实际料温与所显示的测量值是不相同的,其关系见图1。 1.3 主机和供料的转速 CM68型挤出机自动化程度高,改变SYN2TOT数值(简称同步),主机、供料、牵引的转速按线性关系同时改变。同步增加,主机和供料转速也随之增加,由于物料剪切增强,料温上升;反之则相反。在同步值一定时,主机转速与供料转速的差值不同,对料温的影响也不同。假设影响料温的其它因素不变,记N1为设定的主机转速;N2为设定的供料转速;T1为N1对料温的影响;T2为N1、N2之差值对料温的影响;T为料温最终显示值。为便于分析,取同步较高(约>65%)和较低(<45%)两种典型的情况:(当对料温的升高有促进作用时,记为“正”;对料温的升高不起促进作用时,记为“负”)(1)同步较高时:此时转速大,剪切强,这促进了料温升高,记T1为“正”。 Ⅰ:若供料较少(N1-N2约>3),虽有熔料回流,但由于此时螺槽中物料充满度φ很小,生料与熔料之间接触面积小,传质传热不充分,诱导塑化作用很弱,对料温升高不起促进作用,记T2为“负”。综合T1、T2,T值不确定。如果T1的影响占主导,T值就高;如果T2的影响占主导,T值就低。 Ⅱ:若供料量适中(│N1-N2│约≤2),螺槽中生料与回流的熔料比例适当,二者有足够大的接触面进行传质传热,诱导塑化作用强,这样促进了料温的升高,记T2为“正”。综合T1、T2,T值较高。 Ⅲ:若供料较多(N2-N1约>3),此时生料和回流的熔料都多。如果回流熔料较多,其穿插于生料之间而没有被生料包裹,则生料与熔料之间接触面大,传质传热充分,诱导塑化作用强,这样促进了料温的升高,记T2为“正”。综合T1、T2,T值较高。如果生料较多,回流的熔料被其包裹,则生料与熔料之间接触面小,传质传热不充分,诱导塑化作用弱,这对料温升高不起促进作用,记T2为“负”。综合T1、T2,T值不确定。(2)同步较低时:由于T1对N1正相关,N1较小,剪切作用相对较弱,T1对T的影响为“负”;其它分析同上。在生产过程中,主机与供料的实际转速之差要比设定值还要明显。 综合以上分析,其之间关系见表1。 根据笔者日常记录,选择两个较典型的记录见表2、表3。 表2为同步较高时,T1为“正”,T2为“正”,二者综合T较高的情况。对于该规格产品,由于模区热历程较长,料压较低,192℃的料温是比较高的。该工艺条件下拉出的管材色微黄,光泽稍差。表3为同步较低时,T1为“负”,T2为“负”,二者综合,T较低的情况。在我们日常统计中,177℃的料温对于PVC2U排水管来说是较低的了。 这里需要说明的是,以上分析和推理是基于T1对N1正相关和漏/回流诱导塑化的理论基础上的。笔者也曾见过与表1结论相反的情况,但这并不意味着以上分析、推理是错误的,因为影响料温的因素众多且各因素之间相互影响。比如用CM68机型加工小口径管材时,40%的同步值已比较高了。此时│N1-N2│约>2时,漏/回流已并不充分了,料温将较低,见表4;│N1-N2│约<2时,漏/回流较充分,料温将较高,见表5。 表5中,200℃的料温下,生产出来的管材也是合格的,这是由于在料压很高的情况下,小管子拉出得快,且其在模区的热历程短等因素可与之平衡。当然这种管子对热稳定剂要求高些,而且生产出的管材无光泽,轻微发黄。 表6可视为相当于同步较高时,│N1-N2│约>3时,回流熔料较多的情况。因为对于小口径的管材而言,50%的同步值已较高了 1.4模具温度 由于物料进入模具后将由螺旋运动改变为匀速直线运动,通过分流梭建立起熔体压力,这都需要一定的能量来维持,故从机头法兰到口模仍需外供热源,这对料温产生影响。出于保持料温和挤出的稳定性等目的,模具温度宜低不宜高,且温度的设定是逐渐上升的,一般在165～205℃之间。过低的模温将造成主机负荷加大且扭矩不稳。为保证制品的光亮度,口模温度设定的一般较高,可达195～210℃。当高速挤出时,模具的控制温度相对偏高一些,一般在190～200℃之间。此外模具温度的设定还应考虑到产品(一般是电工管>排水管>给水管)、规格(大口径的产品,温度设定的低些)、其他工艺条件(如料压低时,温度设定的低些)、过渡段料温(料温高时,温度设定的低些)、物料在模具内的热历程(热历程长时,温度设定的低些)、模具有无内芯加热(有则低些)等因素的影响。 此外,笔者也曾见过不少用以上观点无法解释的现象,这可能是料温与主机扭矩、料压也有关系由于综合起来关系复杂,限于水平,笔者目前还未发现其中的规律。 2 结论 (1)影响料温的因素众多,只有全面综合地考 虑才能有效地控制物料温度。 (2)可以通过调整工艺温度,及通过调整配方、设备、转速等方法来有效地控制料温。 |
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