在PVC-U擠出過程中,物料溫度(簡稱料溫)過低,物料塑化不良,物性檢驗難以通過,且產(chǎn)品外觀無光澤,表面粗糙;料溫過高,同樣會導(dǎo)致上述現(xiàn)象,且產(chǎn)品外觀發(fā)黃,因此料溫的控制在生產(chǎn)中的意義是很明顯的,。下面就以奧地利辛辛那提公司生產(chǎn)的CM68錐型雙螺桿擠出機加工PVC2U管材為例,分析影響料溫的因素,。

1 影響因素及機理分析

1.1配方

   不同的配方或同一配方中不同廠家生產(chǎn)的原料,料溫會有較大差異,可達10℃左右。配方中的各個組分幾乎都會影響料溫,主要是以下幾種:

1.1.1PVC樹脂

      PVC樹脂的分子量大小及分布決定了它的熱穩(wěn)定性,。在同樣的條件下,PVC樹脂的分子量愈大,分布愈窄時,樹脂的熱穩(wěn)定性愈好,。樹脂中一定數(shù)量的分子量偏低的組分會顯著降低聚合物的熱穩(wěn)定性,在相同的加工條件下,該組分會率先分解并引發(fā)/催化PVC的分解放熱,導(dǎo)致料溫上升。PVC樹脂生產(chǎn)企業(yè)采用的原材料,、工藝路線,、生產(chǎn)規(guī)模不同,樹脂的分子量分布也不相同。即使是同一廠家,不同批號樹脂的分子量分布也不相同,因而對料溫的影響是波動的,。

1.1.2熱穩(wěn)定劑

      熱穩(wěn)定劑的功能是通過置換活潑氯原子,減少不穩(wěn)定結(jié)構(gòu);捕捉脫出的HCl,終止其自催化作用;與雙鍵加成或與共軛鏈進行雙烯加成;捕捉自由基;螯合金屬氯化物等途徑實現(xiàn)的[1],。因此熱穩(wěn)定劑量的不足或任何削弱實現(xiàn)其功能的物質(zhì)和行為,如加工時間過長、剪切/摩擦熱過大,、設(shè)定溫度過高,、冷卻不足、物料熱歷程過長,、加料順序不對,導(dǎo)致液態(tài)熱穩(wěn)定劑過早被填料吸收等都將導(dǎo)致PVC樹脂過早分解放熱,料溫升高,。

1.1.3無機填料

      CaCO3是一種最常用的填料,其不僅可降低生產(chǎn)成本,在一定程度上還可增強基體。但隨著其含量的增加,一方面低表面活性填料對潤滑劑的吸附,、吸收作用增強,導(dǎo)致熔體粘度增加,摩擦增大,料溫上升;另一方面CaCO3對料筒的摩擦加劇,擠出機扭矩顯著升高,料筒各段溫度明顯上升,導(dǎo)致料溫升高,。

1.1.4潤滑劑

     潤滑劑對料溫的影響顯著,而且能改善物料流變性能,降低主機扭矩。潤滑劑有內(nèi)潤滑劑如硬脂酸,、硬脂酸鈣等和外潤滑劑如石蠟,、聚乙烯蠟等。內(nèi)潤滑劑可以減少材料內(nèi)部之間的摩擦,要求與樹脂基體有一定的兼容性;外潤滑劑的作用是界面潤滑,在加工溫度下外潤滑劑移析至物料表面,減少外部摩擦,。內(nèi),、外潤滑劑都可有效降低料溫。應(yīng)當(dāng)注意的是在物料整個加工過程中(包括混料),不光有內(nèi),、外潤滑之分,還有初,、中、后期之分,并要考慮到高,、低熔點之分,。因此PVC2U的潤滑劑通常是一個復(fù)配體系,這樣才能保證物料在整個加工過程中保持適宜、穩(wěn)定的料溫,。

     此外還應(yīng)考慮到其它助劑(如穩(wěn)定劑,、填料等)中是否含有潤滑成分,含何種,含多少,以及填料的用量等[2]。否則潤滑劑過多不僅增加生產(chǎn)成本,還會影響樹脂分子鏈之間的纏結(jié),減少了分子鏈之間的物理交聯(lián)點,導(dǎo)致物料易被拉斷且擠出壓力偏低,塑化度低,制品疏松,抗沖擊強度低,。但潤滑劑用量少時,由于摩擦熱大,料溫較高,擠出的制品發(fā)黃,這一點常被誤認為是熱穩(wěn)定劑不足,二者區(qū)別在于前者擠出扭矩很高且料壓偏大,。

1.2料筒

1.2.1料筒,、螺桿間隙(δ)對PVC而言,δ過小,料壓很高,不僅影響產(chǎn)量,而且磨損嚴重,剪切、壓延作用強烈,所以料溫顯著升高甚至?xí)斐晌锪戏纸?δ適中,漏流量增加,回流的熔料加速生料熔融塑化,。漏流對雙螺桿擠出機意義重大,雙螺桿擠出機在計量段后部和整個熔化段都存在漏流,。對熔化段的每個螺槽來說,螺槽后部有熔體池的熔體,螺槽前部有漏流來的熔體,螺槽前后兩部分熔體和中部的生料在雙螺桿的頻繁剪切作用下,熔體與生料互相摻混,傳熱傳質(zhì),最后達到全部熔化。在計量段后部,漏流占統(tǒng)治地位,從前一螺槽漏流來的,、塑煉程度較好的熔體與后一螺槽自生的,、塑煉程度較差的熔體,在雙螺桿的頻繁剪切下相互混合,傳熱傳質(zhì),提高塑化效果,每前進一個螺槽,塑煉效果提高一級[3],使料溫快速達到加工溫度。在CM68錐形雙螺桿上熔化段至計量段后部有意識地在螺棱上開了5條長約21cm,寬約20mm的“∪”形軸向孔洞,。錐形雙螺桿擠出機正是通過這些孔洞來加大漏流量,實現(xiàn)誘導(dǎo)塑化,促使生料加速融化達到加工溫度的,。若δ過大,熔料在高壓下回流較大,不僅影響產(chǎn)量,而且使料溫過早達到加工溫度,在隨后的加工過程中樹脂趨向分解。

1.2.2料筒各區(qū)溫度設(shè)定

    雙螺桿擠出機從加料口至機頭一般分為E1,、E2、E3,、E4,、A五個區(qū)。E1區(qū)需要較多的熱量以促進物料快速熔化并排出其中的水分,溫度設(shè)定較高,但要防止加料口處架橋,一般為185～195℃,。E1區(qū)包含螺桿的送料段和熔化段后部,。E2區(qū)即上面所述的誘導(dǎo)塑化區(qū),包括螺桿熔化段和計量段后部。該區(qū)由于剪切和漏流的作用,料溫上升,所以E2區(qū)溫度設(shè)定宜較E1區(qū)低,一般宜為180～185℃,物料經(jīng)過該區(qū)后應(yīng)能抱成團,以防從排氣孔抽出,。CM68的錐形螺桿上有兩段螺紋升角不同的計量段,排氣孔和E3區(qū)均位于第一計量段,。在該段中,物料已基本呈熔體狀態(tài),但溫度還不均勻,塑化仍未完全。該段的螺紋升角大,螺距長,這樣有利于物料均化,。隨著螺桿容積減少和機頭阻力的作用,物料粘度,、密實度進一步提高,此時仍需一定的能量,但該區(qū)由于剪切和壓延作用生成的內(nèi)熱較多,故溫度設(shè)定宜比E2區(qū)要低,約155～160℃。E4區(qū)位于第二計量段,該段螺紋升角和螺距較第一段小,作用同上,。由于此時料溫已經(jīng)很高,為保持恒定的料溫,故該段螺桿直徑較小,受熱面積小,嚙合處剪切作用較弱,所以E4區(qū)溫度設(shè)定的很低,一般只有145～150℃,。當(dāng)E4區(qū)溫度較高時,將會顯著地使料溫升高,塑化過度,影響制品的物理性能。此時除要考慮降低E4區(qū)的設(shè)定溫度和加強該區(qū)的冷卻外,還應(yīng)考慮到E4區(qū)主要功能是均化物料,剪切,、壓延生成的內(nèi)熱較少,過高的料溫有很大一部分是由前面所積累的,應(yīng)綜合平衡各區(qū)溫度,。當(dāng)通過各種手段仍無法有效降低E4區(qū)溫度時,很有可能是由于δ磨損過大,應(yīng)考慮更換料筒螺桿。在機頭A區(qū),物料已完全熔化并將由螺旋運動轉(zhuǎn)變?yōu)閯蛩僦本€運動,建立起熔體壓力,這都需要消耗一定的能量,而機頭區(qū)無剪切,、壓延和內(nèi)熱作用,所以機頭溫度應(yīng)比E4區(qū)高,一般為160～165℃,。該部分溫度將直接影響物料進入模具分流時的流變狀態(tài):溫度偏低,物料均化不充分,料壓上升,主機扭矩增大,制品表面光澤差;溫度偏高,后收縮率大,而且當(dāng)物料在模具區(qū)有較長的熱歷程時,制品會黃。

     應(yīng)當(dāng)注意的是,在料筒各區(qū)中,實際料溫與所顯示的測量值是不相同的,其關(guān)系見圖1,。

1.3 主機和供料的轉(zhuǎn)速

CM68型擠出機自動化程度高,改變SYN2TOT數(shù)值(簡稱同步),主機,、供料、牽引的轉(zhuǎn)速按線性關(guān)系同時改變,。同步增加,主機和供料轉(zhuǎn)速也隨之增加,由于物料剪切增強,料溫上升;反之則相反,。在同步值一定時,主機轉(zhuǎn)速與供料轉(zhuǎn)速的差值不同,對料溫的影響也不同。假設(shè)影響料溫的其它因素不變,記N1為設(shè)定的主機轉(zhuǎn)速;N2為設(shè)定的供料轉(zhuǎn)速;T1為N1對料溫的影響;T2為N1、N2之差值對料溫的影響;T為料溫最終顯示值,。為便于分析,取同步較高(約>65%)和較低(<45%)兩種典型的情況:(當(dāng)對料溫的升高有促進作用時,記為“正”;對料溫的升高不起促進作用時,記為“負”)(1)同步較高時:此時轉(zhuǎn)速大,剪切強,這促進了料溫升高,記T1為“正”,。

    Ⅰ:若供料較少(N1-N2約>3),雖有熔料回流,但由于此時螺槽中物料充滿度φ很小,生料與熔料之間接觸面積小,傳質(zhì)傳熱不充分,誘導(dǎo)塑化作用很弱,對料溫升高不起促進作用,記T2為“負”。綜合T1,、T2,T值不確定,。如果T1的影響占主導(dǎo),T值就高;如果T2的影響占主導(dǎo),T值就低。

     Ⅱ:若供料量適中(│N1-N2│約≤2),螺槽中生料與回流的熔料比例適當(dāng),二者有足夠大的接觸面進行傳質(zhì)傳熱,誘導(dǎo)塑化作用強,這樣促進了料溫的升高,記T2為“正”,。綜合T1,、T2,T值較高。

     Ⅲ:若供料較多(N2-N1約>3),此時生料和回流的熔料都多,。如果回流熔料較多,其穿插于生料之間而沒有被生料包裹,則生料與熔料之間接觸面大,傳質(zhì)傳熱充分,誘導(dǎo)塑化作用強,這樣促進了料溫的升高,記T2為“正”,。綜合T1、T2,T值較高,。如果生料較多,回流的熔料被其包裹,則生料與熔料之間接觸面小,傳質(zhì)傳熱不充分,誘導(dǎo)塑化作用弱,這對料溫升高不起促進作用,記T2為“負”,。綜合T1、T2,T值不確定,。(2)同步較低時:由于T1對N1正相關(guān),N1較小,剪切作用相對較弱,T1對T的影響為“負”;其它分析同上,。在生產(chǎn)過程中,主機與供料的實際轉(zhuǎn)速之差要比設(shè)定值還要明顯。

綜合以上分析,其之間關(guān)系見表1,。

根據(jù)筆者日常記錄,選擇兩個較典型的記錄見表2,、表3。

表2為同步較高時,T1為“正”,T2為“正”,二者綜合T較高的情況,。對于該規(guī)格產(chǎn)品,由于模區(qū)熱歷程較長,料壓較低,192℃的料溫是比較高的,。該工藝條件下拉出的管材色微黃,光澤稍差。表3為同步較低時,T1為“負”,T2為“負”,二者綜合,T較低的情況,。在我們?nèi)粘＝y(tǒng)計中,177℃的料溫對于PVC2U排水管來說是較低的了,。

    這里需要說明的是,以上分析和推理是基于T1對N1正相關(guān)和漏/回流誘導(dǎo)塑化的理論基礎(chǔ)上的。筆者也曾見過與表1結(jié)論相反的情況,但這并不意味著以上分析,、推理是錯誤的,因為影響料溫的因素眾多且各因素之間相互影響,。比如用CM68機型加工小口徑管材時,40%的同步值已比較高了。此時│N1-N2│約>2時,漏/回流已并不充分了,料溫將較低,見表4;│N1-N2│約<2時,漏/回流較充分,料溫將較高,見表5,。

    表5中,200℃的料溫下,生產(chǎn)出來的管材也是合格的,這是由于在料壓很高的情況下,小管子拉出得快,且其在模區(qū)的熱歷程短等因素可與之平衡,。當(dāng)然這種管子對熱穩(wěn)定劑要求高些,而且生產(chǎn)出的管材無光澤,輕微發(fā)黃。

    表6可視為相當(dāng)于同步較高時,│N1-N2│約>3時,回流熔料較多的情況,。因為對于小口徑的管材而言,50%的同步值已較高了

1.4模具溫度

    由于物料進入模具后將由螺旋運動改變?yōu)閯蛩僦本€運動,通過分流梭建立起熔體壓力,這都需要一定的能量來維持,故從機頭法蘭到口模仍需外供熱源,這對料溫產(chǎn)生影響,。出于保持料溫和擠出的穩(wěn)定性等目的,模具溫度宜低不宜高,且溫度的設(shè)定是逐漸上升的,一般在165～205℃之間。過低的模溫將造成主機負荷加大且扭矩不穩(wěn),。為保證制品的光亮度,口模溫度設(shè)定的一般較高,可達195～210℃,。當(dāng)高速擠出時,模具的控制溫度相對偏高一些,一般在190～200℃之間,。此外模具溫度的設(shè)定還應(yīng)考慮到產(chǎn)品(一般是電工管>排水管>給水管)、規(guī)格(大口徑的產(chǎn)品,溫度設(shè)定的低些),、其他工藝條件(如料壓低時,溫度設(shè)定的低些),、過渡段料溫(料溫高時,溫度設(shè)定的低些)、物料在模具內(nèi)的熱歷程(熱歷程長時,溫度設(shè)定的低些),、模具有無內(nèi)芯加熱(有則低些)等因素的影響。

    此外,筆者也曾見過不少用以上觀點無法解釋的現(xiàn)象,這可能是料溫與主機扭矩,、料壓也有關(guān)系由于綜合起來關(guān)系復(fù)雜,限于水平,筆者目前還未發(fā)現(xiàn)其中的規(guī)律,。

2 結(jié)論

(1)影響料溫的因素眾多,只有全面綜合地考

慮才能有效地控制物料溫度,。

(2)可以通過調(diào)整工藝溫度,及通過調(diào)整配方、設(shè)備,、轉(zhuǎn)速等方法來有效地控制料溫。