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PVC挤出工艺温度的设定与优化

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[LV.3]偶尔看看II

发表于 2018-3-9 08:58:55 | 显示全部楼层 |阅读模式

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,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,和螺筒温度设150℃左右的超低温度工艺。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:我公司所有PVC制品均为加入CPE共混增韧改性的,而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≤185℃。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≤185℃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165℃~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55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。

五 超负荷挤出、温度不受控状态与对策

上述新思路是有前提的,是建立在正常挤出条件下,以显示温度处于受控状态为基准的。若不适当地提高挤出效率时,亦会发生给料段所供热量难以满足物料塑化所需热量需求,显示温度不受控,往往低于设定温度,物料至排气孔未能良好塑化,仍有部分粉料,被真空从排气孔抽走;这时候大部分的操作人员会提高后段的温度来弥补,压缩段和溶融段的危害还不大,主要危害在计量段,计量段总热量本来就超越熔体恒温所需热量的需求,是因为挤出速度的增加带来计量段剪切摩擦热的大量增加而造成,使显示温度不受控,往往会高于设定温度,导致挤出制品局部过热、分解。这种现象随挤出效率提高的幅度而变化,挤出效率提的越高,设定温度与显示温度的温差越大,产生的不良后果越严重。给料段螺杆剪切热或外加热功率配置偏低的挤出机,此现象尤为突出。当显示温度不受设定温度控制时,所谓工艺优化是难以取得实效的。上述现象是挤出机所供热量与物料塑化所需热量失衡的表征。供料段设定温度与显示温度的温差大小,是外加热或剪切热欠缺程度的标志,计量段设定温度与显示温度温差大小,是剪切热过剩程度的标志。目前我国生产的挤出机在给料段热量匹配上,分别采取了两项措施:一是提高加热圈功率,如65/132型锥形双螺杆挤出机给料段功率配置已达9 kW;二是改革螺杆螺纹结构,在给料段或压缩段双头螺纹后设置一单头螺纹,有效提高螺槽的压缩比。挤出机给料段热量供给欠缺现象已比过去明显改观。但计量段剪切热过剩,依然制约着挤出效率的提高。在这个问题上我们也进行了专门的研究,现在我们的所有挤出机使用双螺杆都是特殊定做的,其参数都是经过调整,适当增加了计量段螺菱与螺菱之间的间隙,以适应我们的超高速挤出的。剪切热除受螺杆结构的制约外,还直接受给料速度与挤出速度比的影响。当降低计量段设定温度,加热圈已停止加热,冷却装置不停顿工作,显示温度控制无效时,可根据需要,依照如下程序,采取相应措施,以有效降低计量段显示温度:

5. 1. 一是降低螺杆设定温度,降低螺杆设定温度,可以用油冷却的方法,转移计量段多余的剪切热。但降低螺杆设定温度,亦会降低给料段物料温度。当挤出机给料段配置加热圈功率较低时,降低螺杆设定温度,应兼顾给料段控温度的需要,不要顾此失彼。

5. 2. 二是适当降低给料速度,适当降低给料速度,可以减少剪切热(我们称降低扭矩)。在挤出机螺杆转速一定条件下,提高或降低给料速度,是调整剪切热的有效手段。但降低给料速度亦会降低给料段物料温度,给料段与计量段物料对剪切热的需要是互为矛盾的。同螺杆温度设定一样,当挤出机给料段配置加热圈功率较低时,降低给料速度,也要兼顾给料段温度控制的需要。同时过度降低给料速度,导致计量段熔体不能完整包裹螺槽,也会加大螺绫与螺筒的磨损,出现所谓的“扫樘” (及螺杆螺筒的中间部分过度磨损)症状。

5. 3. 三是适当降低挤出速度与给料速度比,给料速度和挤出速度同是和挤出量有关的概念,又各自有不同的职能。给料速度宜与外供热相协调,以调整剪切热大小与物料塑化程度;挤出速度宜与牵引速度相协调,以调整挤出量和壁厚。当采用给料速度调整计量段显示温度,无法兼顾给料段显示温度时,才有必要降低挤出速度与给料速度比,一方面减少了计量段熔体的剪切热,另一方面延长了物料在给料段的停留时间,以利塑化。应当指出:降低计量段设定温度,主要是控制剪切热,防止物料降解,并非设置温度越低越好。当加热圈已停止加热,冷却装置不停顿工作,这种情况下温度设定得再低,亦是没有意义的。当计量段显示温度虽然高于设定温度,但在185℃区间,亦属正常范围,不必要调整。在挤出机生产小规格制品时,挤出量较低,导致剪切热过少,计量段显示温度低于180℃时,还需根据情况,适时提高螺筒、螺杆设定温度或给料速度,以保持物料温度始终在理想的温度区域运行。在挤出机螺杆各段压缩比允许条件下,提高加料速度才能对剪切热发挥作用。反之则会产生两种不同结果:当给料量大于给料段螺槽容积时,会出现加料孔“冒料”现象,使原料直接从加料口溢出,洒落在设备工作台和地上,既污染环境又浪费原材料;当给料段螺槽容积大于熔融段容积时,会出现真空孔“冒料”现象,从而堵塞真空排气管路,造成无法排气,影响产品质量而无法正常生产。因此提高给料速度也是有限度的。

六 设备、电器等故障状态与对策

在挤出生产的整个过程中,除了正确设定温度外,关键在于对显示温度(熔体温度)进行有效控制。除挤出机超负荷运行外,当设备、电器等发生故障时,显示温度亦会处于不受控状态,直接带来熔体温度的变化。

6. 1. 挤出机螺筒与螺杆严重磨损,挤出机螺筒与螺杆严重磨损,带来径向间隙加大,导致物料在挤出过程中从压力高的区域向压力低的区域流动,发生所谓的“正流”或 “逆流”现象。以螺杆结构为: 2—2—l—3—3头数的挤出机分析可知:当物料由给料段双头螺槽并联运动至第一个单头螺槽,开始串联运动,压力骤升;然后又由单头螺槽串联运动至双头螺槽,开始并联运动,压力骤降,当再一次进入单头螺槽开始串联运动,压力骤升。当第一、二个单头螺绫和对应部位的螺筒,在剪切作用下磨损,有部分物料可能由单头螺槽向前面的双头螺槽泄漏,即发生逆向流动,也可能向后面的三头螺槽泄漏,即发生正向流动;熔体由熔融段三头较大螺槽向计量段三头较小螺槽容积流动时,因计量段螺绫和对应部位的螺筒,在剪切作用下磨损,有部分熔体可能由计量段螺槽向熔融段螺槽泄漏,即发生逆向流动。物料或熔体的不规则流动,尤其是逆向流动,导致其在机内停留时间延长,发生“过塑化”、局部降解,将会沿制品轴向出现“黄线”。因此此时一些有经验的操作人员以降低设定温度,提高物料粘度,减少逆流的方法,勉强维持继续挤出生产。其实这种现象在行业类也普遍存在,所谓“超低温工艺”,其最初原因概源于此。因熔体温度过低,塑化不均衡,挤出制品质量是难以得到有效保证的。

6.2. 挤出机螺杆加工、装配不当,导致两螺杆轴向最小间隙偏小。挤出机两螺杆轴向单向设计间隙一般都在2mm以上,但由于加工偏差,不少螺杆的实际串动量仅有 1mm左右,即螺杆各功能段每边轴向最小间隙仅能保证0.5mm。如果在装配过程中不精心加以控制和调整,致使某功能段最小轴向间隙就可能在0.2mm左右,甚至更小或直接碰撞产生打架现象。挤出机工作一段时间,若推力轴承磨损,也会发生螺杆轴向串动,使轴向间隙变化,这是因为两盘推力轴承的磨损程度不可能完全一样所致。挤出生产过程就会发生局部过热,一些所谓的高手这时候一般采用提高设定温度,降低物料粘度,增强物料流动性的方法,勉强维持生产。所谓 “超高温工艺”,其最初原因也概源于此。因温度过高,不仅影响产品内外质量和色泽,还会因物料的局部分解导致氯化氢析出,和群青(指加了群情的制品,我们的型材就加了群青的)发生反应,致使制品铅污染变色。同时氯化氢有超强的吸水性,与水结合而成盐酸,对设备和模具有强烈的腐蚀作用。我们每次从因糊料而拆开的模具内掏出的黑色糊料块,在放置一段时间后表面会出现类似水珠的东西,其实就是氯化氢吸收空气中的水分而形成的盐酸小颗粒。

6.3 电气仪表故障,致使显示温度处于失控,大致有以下几种情况

a) 热电偶:热电偶故障大致可分两种。第一种是未安装到位,或安装孔内存在杂物及热电偶线路轻微短路,不能如实传递螺筒温度,往往显示温度低于设定温度造成不间断加热,使物料实际温度偏高甚至糊料。第二种是热电偶断路(开路),这时候会使显示温度到刻度满度或者直接显示断偶,致使加热控制器停止输出加热指令,加热器会因接触器会断开而停止加热,慢慢的物料就会因无外热加温而无法继续生产(断偶的情况出现在螺筒给料段和模具及合流芯上危害尤为明显)。

b) 电加热器线圈部分或者与导线连接处因接触不良而发热烧毁,加热器实际功率变小或直接到零功率,显示温度偏低。因给料段外加热圈启闭比较频繁甚至长期工作,这种现象常常发生。模具段则因经常拆装,接线不良的情况较多。

c) 交流接触器因开启频繁,而每次开闭都会产生弧光,弧光的温度是很高的,大家可以想想电焊机的焊接,就是利用弧光的典型例子。弧光有时候会引发交流接触器触点的表面融化发生离合器粘结,导致电加热器不间断工作,显示温度偏高;长时间的反复粘连、机械力脱开、再粘连就会逐渐烧毁触点造成断路而使加热器无法工作,是显示温度低于设定温度。

d) 加热主线路保险开路或断路器跳闸,大部分是因后面线路或加热器短路产生瞬时大电流造成。这时候虽然加热指示灯亮,显示加热,但仪表显示数字或指针不涨反降,指示温度越来越低。

6. 4 加热圈安装不当: 加热圈安装不当,和螺筒或口模接触不紧密、存在间隙,使加热圈的热量散失,无法传递给螺筒或口模,加热圈不停顿工作,显示温度依然偏低,影响物料塑化。这种情况还有烧毁加热器的危险,安装加热器是应当引起足够重视

6.5真空排气不良:真空度过低或出现冒料堵塞排气孔,排气不良,致使物料夹带空气或挥发物,不仅影响物料塑化,还会使制品出现发泡。

6.6 螺杆温度: 所谓螺杆温度显示的并不是螺杆的真实温度,而是螺杆油泵输送进螺杆内部进行流动的高温导热油的温度,有的设备干脆就直接标示成“螺杆油温”。其不正常也分两种情况,第一种是油路堵塞,螺杆内根本就没通油,而我公司根据生产速度普遍偏快这一实际情况,大部分螺杆油加温功能是关闭了的,这时候的螺杆油温显示往往很低,大概在50℃左右(因高温油根本没有从螺杆内流动,此时螺杆的各段温度和物料在各段的温度是一样高的),造成螺杆这一功能丧失,无法实施定向调温职能,导致给料段显示温度偏低,计量段显示温度跑高失控。第二种是水路堵塞,由于水路是对油路进行冷却的,职能是带走油路从螺杆内带出来的多余热量,因而水路的堵塞没油路的堵塞那么容易发现,危害也没那么大,但仍然可产生油路带出来的热无法散发,造成高温油箱温度逐步升高,无法控制,最后丧失散热调温功能,仅保留平衡给料段和计量段温度这点功能。过高的油温还会造成油路、高温电磁阀、油泵密封件(多为含氟橡胶)的损坏造成高温导热油的泄露,既浪费高温油又污染工作环境。由此可见,要实施挤出工艺温度的优化设定和控制,首先必须保证挤出机和温控系统的工作质量。

6. 7 螺杆的更换:更换新螺杆前先必须对其加工质量进行严格验收,并认真进行装配,确保螺杆装配的最小径向与轴向间隙处于最佳状态;挤出机工作一段时间,定期调整螺杆与螺筒径向间隙,逐步转移磨损部位,加宽其磨损空间,以提高挤出机螺筒与螺杆工作寿命;并定期检查挤出机推力轴承是否串动,及时维修。螺筒与螺杆磨损至最大量时,及时进行更新修复;温控系统出现失控时,应及时查明原因处理,严防带病工作;安装加热.圈,一定要保持平整,和螺筒、合流芯、口模等严密合缝,无散热间隙;挤出生产过程中一定要严密观察排气孔是否堵塞?真空度是否过低?发现异常,及时处理;螺杆显示温度跑高和跑低失控时,应随时疏通冷却水管路及油路,以确保显示温度沿着理想的轨道运行。

七 原料、配方、捏合等影响因素与对策

原料、配方、混料等因素发生变化,都会对PVC—U物料的塑化度产生影响。

7. 1 原料:PVC树脂分子量过高或过低,直接影响熔体塑化度。分子量低的树脂比分子量高的树脂有较高的塑化度,因此原料如果选用混杂或本身的质量问题,造成分子量分布区域过宽,对PVC-U的挤出生产无疑是致命的。我公司根据生产实际情况,考虑到生产难度和产品综合性能两方面的因素,挤出产品采用的全部是疏松型SG5(分子量1000-1100)PVC树脂,以保证较高的产品内在性能。注塑产品大部份采用的是疏松型SG8(分子量650-750)PVC树脂及少量疏松型SG7(分子量750-850)PVC树脂,充分兼顾了内在性能及加工工艺性。

7. 2 配方:配方中加工助剂与润滑剂选择配搭不当,或者是加入的量不合适,亦会致使物料塑化提前或推后,配方中填充剂的多少也直接影响制品内在的各项理化性能指标。配方无疑就是PVC制品生产最最重要的一环节。我公司使用的配方都是在大量的试验基础上、经试生产之后才普遍采用的,配方中添加的加工助剂和润滑剂的量都是经过试验验证,能确保摩擦和润滑性能的相对平衡;并且有现场工艺人员根据实际情况随时进行微调,以及对配方工序工作质量的检查等等手段,以保证生产过程中配方的随时有效性和适宜性。

7. 3. 捏合工艺:捏合(混料)出料温度设定不当,热混(搅)温度过高或过低,捏合时间过长或过短,冷混(搅)出料温度过高均会影响混合料凝胶化程度,并和挤出制品的塑化度紧密相关。因此作为塑料制品挤出过程中第一道工序的捏合作业,应严防操作人员随意降低(改变)混料温度,减短混料时间。刚开始混料时,因热混锅是冷的,每锅混料时间较长,随混料锅次增加,每锅达到出料温度所需的时间就会越来越短。当出料时间过短时,会发生物料组分分散不匀,就应适当增加热放料的温度(我们使用的方式)、或改连续混料为间歇式混料,延长混料时间,以保证正常出料(这点我们还未对此进行有效性试验,接下来可以考虑在捏合设备充裕的情况下逐步试验,有效地话可推广实施)。

7. 4. 捏合设备:随着捏合机长期工作,浆叶发生磨损,而我公司的捏合设备全部采用的是自摩擦生热型的,因此、浆叶的磨损会延长每锅料的混料时间。当达到出料温度所需的时间过长时,会发生物料局部过热分解,就应及时更换浆叶;每次混料前应认真检查热电偶,以免被物料包裹或线路短路、断路等等情况发生,不反映真实温度,一样造成长时间捏合导致糊料;混料时应密切注视热混(捏合)锅或冷混锅出料阀门是否泄漏,严防局部物料组分分散不匀、温度冷却不均等现象发生。特别是捏合(热混)锅,如发生放料门泄露,严重时会直接将温度未捏合到位的料慢慢漏入冷搅锅,有的未化开的复合稳定剂也会漏下,这就造成类似根本未经捏合的情况出现,使挤出过程无法正常进行。每次混料后,应检查混料机内是否有余料粘附锅壁和排气袋堵塞现象,并及时处理掉。以杜绝各类影响混合料质量因素。

八 总结

本文关于锥双螺杆挤出机工艺温度优化的思路,主要涵盖以下内容:

8. 1. 挤出工艺温度的设定和控制:应以PVC—U熔体塑化度60%一65%为基准,螺筒熔体温度宜控制在180℃~185之间,口模温度则宜控制在 190-210℃之间,以便熔体到达最佳塑化度的一瞬间,即刻从口模挤出。从而实现既能从最佳塑化度下挤出,又能防止物料过热时间太长,产生分解,降低某些性能。

8. 2. 适当提高给料段设定温度:以给物料提供充分的外热,确保物料良好塑化的同时,有效降低计量段设定温度与显示温度温差,减缓剪切作用对挤出机螺筒与螺杆的磨损;降低计量段设定温度,并非越低越好,而是以显示温度不超过185℃—190℃为基准,确保物料稳步、均衡塑化,防止局部过热分解。当挤出量较大,已经停止外加热,冷却系统不停顿工作,显示温度依然高于190℃时,可视情况适当降低螺杆设定温度或给料速度;当挤出量较小,显示温度低于180℃时,宜适当提高螺筒、螺杆设定温度或给料速度。

8. 3. 在挤出速度一定条件下,给料速度是调控剪切热的有效手段:在减少给料速度,调整计量段设定温度和显示温度温差的同时,又致使给料段设定温度和显示温度温差更大时,才有必要降低挤出速度,以便延长物料在给料段的停留时间,吸收外加热,促进塑化。

8. 4. 合流芯设定温度以确保熔体截面温度均衡、一致为依据:设定温度过低,会使熔体表面流动速度过慢,影响从口模挤出制品成型质量;设定温度过高,会使熔体表面流动速度过快,同样影响从口模挤出制品成型质量。

8. 5. 更换螺筒与螺杆:更换时一定要严格检查与调整螺杆各段轴向间隙,防止因某段间隙过小,致使物料或熔体局部过热,挤出机工作一定时间,及时调整螺杆与螺筒径向间隙,以延长其工作寿命。

8. 6. 优化挤出工艺温度:可以实现不同规格、剪切性能挤出机,在不同挤出量条件下,只要显示温度处于可控状态,都可以实施同一工艺温度下挤出。从而实现提高制品质量,减缓挤出机磨损,延长其工作寿命,进一步降低成本,方便管理,及时发现和有效处理故障的多层目标。

8. 7 优化工艺是有前提条件的:当挤出机超负荷挤出,设备与电器、仪表处于故障状态,显示温度不受控;原料、配方有关助剂,混料等因素,影响物料塑化度时,都应采取相应对策处理,从而为优化工艺奠定良好的基础。


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