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使 挤出工艺和熔体物流最佳化 发布时间:2016-11-24 08:54:32

  塑 料的调配和挤出工业正在对优秀的产品性能和始终如一的质量要求艰难地推进。这 种情况正在增大生产商之间已经存在的距离。薄膜、板材、型 材和管子生产商尽管避免其产品中出现是最小的瑕疵或不一致以求得长期生存。
  即 使挤出工艺中所有的操作参数——压力、温度、螺杆转速,等等——似乎都在控制之下,最 终产品可能还会表现出不一致,或者无法满足要求。
  一 台挤出机的主要功能是在规定的均匀温度和压力下向模具输送均匀的塑料熔体。要做到这点,结 构很好的挤出机通常配备有一台有效的驱动器和进料机系统,一 个螺杆设计用于熔化并输送产品。考 虑到安全和工艺控制,一 般装有热电偶和熔体压力转换器来监测系统。
  然而,挤 出机主要是一台塑料熔化和熔体输送机器,有 时具有某些搅拌能力。总之,挤 出机一端进去的是什么,另 一端出来的就是什么。
  挤 出工艺不改善进入挤出机树脂的质量。即 使进料树脂的特性已经适合于应用,该 树脂的质量也可能因为出现污染物或暴露在过高温度、压 力及在挤出机内滞留时间过长而下降。
  然而,一 旦材料已经被熔化并在挤出机内部混合,在 被送到模具和下游设备之前,合 成的熔体物流的质量和工艺稳定性能够被精确控制甚至改善。下 面是一些使工艺最佳化的忠告。
  图 一表示挤出生产线中重要的压力转换器和其他有用组件的位置,包 括一套熔体过滤系统、一 台熔体泵和一台固定搅拌器及一台联机的流变仪。这 些对熔体物流质量有很大的影响。熔 体过滤系统消除所有污染物并保证干净程度一致的产品。一 台熔体泵和固定搅拌器控制到板材、薄 膜或管子模具的熔态树脂物流的速度、压力、温度和稳定性。联 机的流变仪监测熔体物流或树脂粘度。
  熔体过滤
  金属、纸、木 屑或内部产生的黑点或凝胶对熔体物流的污染生产出的产品外观和/或性能不能被接受。当 树脂中包含回收物时,几 乎不可能从工艺中排除这些缺点的引入。这样,扎 碎机板上安装的包含至少一个滤网(比如,一套包含有粒度为20/60/150/20)的 过滤器组通常插入熔体物流来消除污染物。
  除 了过滤熔化聚合物物流,过 滤器组和扎碎机板组合还用来在挤出机内建立背压,这 可提高沿螺杆的搅拌和熔化工艺。可是,随时间的推移,过滤器被堵了,会造成背压的堆积。要监测这个背压堆积,熔 体压力转换器通常以串联方式被置于过滤器组前面和后面。它 们的输出值可以用来调节螺杆速度以保持到模具的恒定物流。最后,压力增加到一个点,在 该点处生产率和工艺安全相互妥协并且必须更换过滤器组。这 就要求停止挤出机来取出并更换遭到污染的过滤器组,伴 随着的是生产率的损失。
  为 了最大限度地减少更换过滤器组对生产造成的损失,已 经开发出了半自动和全自动滤网更换器。这 些系统通常包括能够滑进并滑出熔体物流的、安 装在精确机加工板上的两个或更多扎碎机板/滤网组组合。这 些滤网更换器既能手动操作也能液压操作,既 能采用不连续方式也能采用连续方式。
  手动系统是最廉价的,并 且最适合于小的生产线或者要求的更换频率不太频繁的情况。液 压系统更适合于有很高压力的更大的挤出机,以 及更换很频繁的情况。
  这 两种系统共同的缺点是它们是不连续的。即 过滤器更换会引起物流的瞬间中断,从而造成一个压降,该 压降可能影响产品的挤出。随 着能提供更换期间不间断物流的连续滤网更换器的开发,这个缺点已经被克服。这 些体统能够与压力转换器的输出相连,以 便在背压达到一个规定值时滤网能够自动更换。
  因为产生的压力较高,滤 网组过滤的较低范围限制在42?,或325目。滤 网组也常常不能滤掉凝胶,这 些凝胶可能断裂并通过滤网而不是被滤网捕获。要克服这个问题,有 时使用以烧结金属或纤维金属垫圈制造的过滤器材料。
  用 于这些材料的过滤器元件结构采用褶皱和扁平包裹结构,它 可以提供最大的表面积。在 挤出工艺能够安全获得的压力下,这允许过滤在3到250mm范围内的颗粒和凝胶。在 所有这些选项都能够获得并且也能实现自动化的情况下,就 能够生产非常干净的熔体,并 且几乎对挤出速度没有影响,还 能很大程度地提高生产率。
  熔体泵
  熔 体物流的稳定性对挤出产品的质量有至关重要的影响。在单螺杆挤出机中,泵 出速度在螺杆中的各种力波动时可以变化,而 且在背压增加时还能大幅度地降低。然而,通 过在挤出机出口紧接熔体过滤器处插入一台熔体泵——有时叫做齿轮泵,熔 体压力的稳定性以及来自挤出机的物流能被大幅度改善。
  一 台熔体泵包括两个能够产生正体积排量、反 向转动并相互咬合的齿轮。这 导致了泵正的抽吸作用,这 个作用又能创建一个实际上独立于排出压力的流速。在入口处,熔 体填充开式齿轮齿并沿抽运谐振腔壁被正运送到出口,产生高的排出压力。引起的入口/出 口压力差异可以高达275吧(4000psi)。该 泵使用很小量的熔化聚合物来润滑其轴承,它 必须有非常紧的间隙来使在如此高的压力下的泄漏最小化。这样,它 的位置通常在滤网组后以便阻止硬的污染物到达齿轮或轴承。
  虽 然从挤出机到熔体泵熔化聚合物的进料压力可能会波动,但 是只要有足够的用于熔体填充齿轮齿的入口压力,排 出压力实际上是保持稳定的。一 个压力转换器通常被置于入口处来保证泵的进料有足够的熔体压力。这一点是很重要的,因 为泵工料不足会导致不充分润滑,从而导致轴承卡死。另 一个压力转换器通常插在泵的出口从而使出口压力的控制变为可能。
  熔 体压力转换器迹线在滤网组之后、螺 杆末端处和熔体泵出口处被测量。挤 出薄膜和板材上该工艺稳定的效果能够把产品厚度变量减少2到3成,结 果是质量改进和成本减少量的增加。除 过能够精确控制物流外,熔 体泵还允许挤出机以较低的最高压力运行。最 高压力的降低使得具体输出率增加(每转rpm的输出滤)并 使熔体温度大幅度降低。而 且较低熔体温度减少挤出过程中热衰变的机会。这样,熔 体泵对熔化树脂的质量也有影响。
  既 然熔体泵不能改进热一致性,可 以在生产线中的熔体泵后、模 具前放置一台固定搅拌器。该 固定搅拌器包括一系列插在熔体物流中的静止固定元件来疏散聚合物物流。疏 散物流能产生一种混合充分的熔体以及温度的均匀分配,以便向模具输送。
  线内式流变仪
  熔 体物流或聚合物熔体粘度也是一个重要的参数。它 不但决定一种材料是否能够或者怎样被挤出,它 还提供关于树脂基本分子结构的信息。因 此熔体物流测量被包括在塑料化合物和树脂质量控制的基本试验中。组 分的偏差或聚合物质量的下降——它 可导致挤出产品的失败——可 以通过观察树脂或化合物熔体粘度的变化来预测。
  通常,材 料物流的试验已经在实验室完成并且还没有用于直接工艺控制的实践。可是,现 在流变仪是可获得的,它 可以直接于挤出工艺连接以提供实时熔体物流或速度值。这 些仪表不但用来监测材料质量还能提供工艺控制有价值的数据。
  一 种返回物流线内式流变仪——其重量只有20公斤——能够用一个标准的M18感 应器孔连接在挤出机上——不 需要对加工机器做大范围的改造。熔 化聚合物通过圆形熔体输送管线伸入物流的中心管子流入仪表。
  熔 化聚合物被一对串级式熔体泵的第一台抽入毛细模具,它 精确地控制通过毛细模具的聚合物物流速度。通过毛细模具后,第 二台串级式熔体泵通过输送线外层管子把熔化聚合物返回到工艺中。
  所 有这些组件的温度都被精确调节。非常敏感的熔体-压 力转换器用于测量聚合物流过毛细模具时产生的压降。泵的转速(rmp)和 通过毛细模具的压降以及模具几何结构一起被用来计算树脂的粘度或者熔体物流流速。要求熔体-压 力转换器和熔体泵必须非常精确,以 便获得熔体物流或粘度的可靠的测量值。
  比如,用 一台线内式流变仪监测聚乙烯挤出工艺,在 此期间一台循环进料机发生异常,这 台流变仪就能感应到工艺失常导致的粘度变化。这 使得操作人员能够迅速调节以避免挤出大量不合规格产品。
  水分的出现——它 能引起树脂衰变及后续的产品问题——为 线内式流变仪的低粘度读数所反应。这 允许操作人员转换到另一个充分干燥的树脂源,从而生产可以继续。像 分子量或进料组分这些参数的变化能够通过粘度的增加或减少被发现。甚 至在这些参数缓慢变化时,它 们还能通过粘度值趋势被发现。
  收 集过去时间里的这些数据允许建立保证一致产品挤出的临界极限。把 流变仪输出和一台包括建立好的控制参数的计算机连接能够提供异常情况的自动回应和工艺控制。

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