浅谈塑料挤出工艺中的九大关键要素.pdf

塑料包装 2 0 0 5 年第 1 5 卷第2 期 浅谈塑料挤出工艺中的九大关键要素 张小伟叶红(芜湖市天华塑业有限责任公司)摘要：当今，以彩印包装塑料挤出复合薄膜为主的生产厂家，要想尽量节约生产成本，提高产品 质量，有效充分发挥塑料挤出设备的性能，必须要掌握挤出工艺的关键要素。关键词：节约生产成本 提高产品质量 掌握关键要素 每一个塑料产品生产加工企业尤其以 彩印塑料挤出复合包装薄膜生产为主的塑料 厂家，每一位高级技术管理人员，必须要非常 了解自己企业所生产的产品原料特性。加工 工艺，挤出设备的性能，产品质量的控制，生 产率的提高。生产成本的降低等一些相关重 要因素，但是，在这众多因素中，有一点是最 重要的。即：挤出生产工艺中九大重要要素。这点是每个挤出复合塑料生产厂家。各级技 术管理人员必须牢牢掌握的。对于这点，我们 通过多年来的摸索研究。终于在挤出生产工 艺中掌握了一些浅薄的知识。抛砖引玉，供大 家参考。一、充分了解挤出机螺杆的设计要求 每个挤出复合薄膜生产厂家。在使用自 己的挤出机时首先要充分了解螺杆所有的 重要相关要数。我们知道挤出机的螺杆设计 是非常重要的，即使购入一个新型螺杆，也要 确信所购入的挤出机螺杆设计。是否符合你 想要的形状、功能、材质及可高速运行所需的 螺杆。比如，只需购一台用于挤出涂膜的挤出 P E螺杆，就应该知道它的材料、热处理、螺纹 和走向及螺杆必须完成的一些功能，例如，连 续加入树脂，均匀溶体树脂，稳定注入液体均 相混合树脂等和工作周期，物料量、丸料几何 形状、背压及螺杆几何形状。就必须要有一组 显示所用的螺杆功能的各种数据和参数。因 为，在当今计算机世界里，模拟技术很容易并 应该对所有螺杆进行模拟。除非能够得到适 用于实际情况的同一材料的相关数据。因为每根螺杆磨损与螺杆设计的问题有 关 一个遭磨损的螺杆并不一定是一个不好 的螺杆，有时磨损甚至对筒内混合料有利，或 者是在有压力峰时有利于增加产量。这对确 定磨损的位置以及原因是有利的。但是，实际 需要的是证明磨损在制造麻烦这对一个给 定的输入界面而言。可能意味着需要更高的 熔体温度。同时。我们一定要掌握当今螺杆设计的 发展情况。因为目 前受到挤出生产厂家最受 欢迎的是通用螺杆。这对每个厂家在生产几 种原材料时。可通用。但必须要掌握、了解这 种通用螺杆的设计是一种螺纹压缩螺杆。有 一个加料段，一个压缩段和一个计量段，各自 分别占螺纹总长度的5 0、2 5 和2 5。螺杆 的螺纹间距等于其直径，螺杆的螺纹齿宽度 等于其直径的 1 1 0。压缩段的锥度加工是渐 开式，产生压缩比可以 2：1 到 3；1，计算方法 是用加料段的螺纹深度除以计量段的螺纹深 度。螺杆的螺纹长度，与螺杆直径径比即I D 比率为 1 6：1 2 4：1。维普资讯 http:/ 2 0 0 5 年第 1 5 卷第2 期 塑料包装 这种叙述中没有加料深度和计量深度，没有这些深度，压缩比就毫无意义。从不同的 挤出机生产厂家提供的螺杆加料深度范围介 于 6 m m和 1 0 m m的螺杆中很容易看出螺杆是 6 0 ra m、2 0：1、I D、G P(通用螺杆)。这些深度值 影响物料的填充和输送，螺杆腔内现有塑料 的数量，物料通过量，剪断比率以及总体熔体 质量。无论所用的螺杆的确切深度，长度，螺 纹齿的宽度如何，通过用螺杆还是为工业带 来了有效价值。关键是这种挤出机使用的通 用螺杆，两个弹性特征为其以后的应用树立 了方向。特征一是在不破坏聚合物性能的情 况下，螺杆设计的功能，可按各种周期和物料 量处理各种树脂，特征二即为通用螺杆设计 的制造是最便宜的螺杆设计。挤出塑料的基本原理每根螺杆的筒 体中转动并把塑料向前推动。螺杆实际上是 一个斜面或者斜坡，缠绕在中心层上。其目的 是增加压力，以便克服较大的阻力，因为，对每 个挤出机而言，有了阻力就需要克服。固体颗 粒对筒壁的磨擦力在螺杆转动前几圈时，它 们之间的相互摩擦力，螺杆并不是以轴向运 动的，虽然在圆周附近它可能转向快速转动，但是螺杆上的轴向力被平衡了。挤出机中的 单螺杆都是右旋螺纹，从后面看，它有反向转 动，因为它们要尽力向后旋出筒体，这样可给 料筒中塑料熔体施加个很大的向前推力，同 时，也给一个物体施加一个相同方向推力，这 种力量最终是落在进料口 后面的止推轴承上。二、工艺操作稳定性 对于各塑料生产厂家的常规挤出机来 说，通常使用中会存在下列问题：1、工艺条件 控制不当，以及电机负荷脉动等会引起挤出 物温度和压力的波动，影响挤出产品质量。2、随着挤出压力的增大，逆流量和漏流量必然 增加，使得整个挤出流率下降，同时螺杆推动 物料时，所消耗功率大，对物料的剪切力就 大，而能量消耗也就增大。3、在对聚合物进行 共混改性时，为了使挤出物有均的温度和压 力分布，必然要求增加计量段的长度，但这会 增加螺杆加工难度和成本，而且使物料停留 时间增长，不利于热敏性物料的加工。如何解 决这个问题，我们通过对本公司进口设备的 大型挤出机结构进行分析，认为最好采用一 个高温熔体齿轮泵，这个齿轮泵的目的，主要 是让聚合物的熔体塑化段与计量分离开来，独立的向机头输送熔体。这种泵实际上是一 种正位移送装置，其出口压力不受入口压力 变化影响，容积效率和能量效率很高。它即能 满足设备的可操作稳定性，进而提高制品质 量的要求，又能满足高效率，低能耗要求。同时挤出机上所配备的熔体泵，它所具 有最大特性就是，有稳定的挤出压力，可提高 产量、降低磨损、增加生产线的柔性，降低熔 体温度，减少能耗。作为有条件的塑料挤出制 品厂家在本企业的挤出机上，可适当考虑。三、加热要素 我们知道，可挤出的塑料是热塑料，它在 加热时熔化，并在冷却时再次凝固。熔体塑料 的热量，主要是进料的预热和筒体 模具加热 器起的作用。但电机也能输入能量电机 能克服粘稠熔体的阻力，转动螺杆时生成于 筒体内磨擦热量是所有塑料最重要的热源。对于所有其它的操作，应该知道机筒体加热 器不足。在操作中主要的热源，后筒体温度可 能依然最重要，因为，它影响齿合或者进料中 的固体物料输送速度，而模头和模具温度通 常应该是熔体温度或者接近于这一温度。因 此，我们要牢记在挤出塑料时，热塑性塑料的 热降解量与其受热时间成正比。一般在塑料 挤出成型中，为了提高挤出制品的内在质量，应尽量防止熔体产生的热降解，即应避免熔 维普资讯 http:/ 塑料包装 2 0 0 5 年第 l 5 卷第 2 期 体在模头中停留时间过长。四、进料区要素 大家都知道，每台挤出机的输入进料比 给料区中的筒体和螺杆表面温度低，然而给 料区中的筒体表面，几乎总是在塑料熔化范 围之上，它通过与进料颗粒接触的冷却，使热 量由热前端向后传递的热量以及可控制加热 而保持，甚至当前端热量由粘性磨擦，保持并 且不需要筒体热量输入时 这时需要开后加 热器。尤其是一般槽型进料筒，专用于低压聚 乙烯，为了使一台单螺杆挤出机光滑筒体进 料区的固本颗粒输送量到达最大，塑料粒料 应该在筒体上并滑到螺杆上。如果这些料粘 在螺杆根部，没什么东西把它拉下来，通道体 积和固体人口量就减少。多数塑料很自 然在 根部滑动，因此，它们在进入时是冷的，而且 磨擦力还没有把根部加热到和筒壁一样热，例如，高度塑化P V C和某些最终使用中想要 的有粘附特性的聚烯烃共聚物。对于机筒体、塑料粘附在筒体内，以便它 被除掉并被螺杆的螺纹向前推动。这时颗粒 和筒壁之间应该有一个高的磨擦系数，而磨 擦系数返过来也受后筒体温度的强烈影响。如果料粒不粘附，只是就地转动而不向前推 动 这就是光滑的进料不好的原因。表面磨擦并非是影响进料的唯一因素。很多颗粒始终都不接触筒体体或螺杆根部，因此在筒体内部必须有磨擦和机械与粘度连 锁。一些机筒中带槽的当然是另一种情况。槽 在进料区内与筒体其余部分是热绝缘的，并 还是深度水冷却的。螺纹把颗粒推人槽内，并 在一个相当的距离内形成一个很高的压力，这就增加了相同输出较低螺杆转速的咬合允 量，从而使前端产生磨擦热量减少，熔体温度 更低。这就可能意味着，冷却限制流出的膜生 产线中流速加快。因此，料筒中开槽特别适合 于聚乙烯。五、螺杆末端的压力要素 螺杆末端压力在挤出中非常重要，这个 压力反映了螺杆下游所有物体的阻力过滤 网和适配器输送管，以及模具自 身。它不但依 靠于这些组件的几何图形，还依赖于系统中 的温度，这反过来又影响树脂粘度和移动速 度。它虽然不会依赖于螺杆设计，但它影响温 度粘度和通过量时除外。就安全要素来说，每 台挤出机的温度测量是非常重要的如果它 太高，模头和模具可能崩裂伤害到操作人员 和整个挤出机。但压力对机筒内的搅拌是有 利的，尤其在螺杆的计量度。但是压力太大就 意味着电机要输出大的能量，因而造成树脂 熔体温度过高，但可以规定压力极限。六、模头内融体塑料停留时 所有的挤出塑料，它们在挤出时熔体在 到达机头后，在机头中的停留时间是塑料是 模头设计中的一重要因素。在挤出过程中，塑 料料流的停留时间应控制在松驰时间和热稳 定时间之内，停留时间有太短，则模头膨胀比 较大，挤出的制品就会有较大的残余应力，如 果停留时间过长，则物料会因为受热而产生 热降解影响挤出塑料制品的质量。七、挤出主电机与机筒体相连关系 所有的挤出机，它的主电机与机筒体是 对立的 而机筒机与主电机也是对立的。为什 么机筒的控制效果，并非总是和期望的一样，特别是温度测量区内。如果对机筒体加热，料 筒壁处的材料层粘度变小，主电机在这个更 加光滑的机筒运行时需要的能量就更少。这 时电机电流下降，相反，如果筒体冷却，料筒 壁处的熔体粘度增大，电机必须更加增力转(下转第1 8 页)维普资讯 http:/ 1 8 塑料包装 2 0 0 5 年第 1 5 卷第2 期 成薄膜斜纹路，易漏料，清理维修困难；旋转 挤出机台方法的不足是旋转体积大、加工费 用高等，现今大多用旋转牵引来取代上述两 种方法，其避免了模具漏料问题，解决了旋转 体积大等问题。本设计采用了旋转牵引，其结 构见示意图。1 0收卷机的设计 1 O 1 卷取机结构的选择 薄膜收卷机形式，常用有中心卷取、表面 卷取。中心卷取适应范围广，实现自 动换卷机 构复杂，手工换卷工作量大。表面卷取机构简 单，实现自 动换卷简单，手工换卷操作简便，其缺点不适应厚度很薄、外层使用带粘性的 树脂共挤膜的卷取。考虑到工作的可靠性，确 定采用自 动、手动换卷两种形式的表面卷取。1 O 2张力控制 在薄膜生产过程中，张力控制对薄膜卷 取质量至关重要，我们采取意大利R e 公司磁 粉离合器控制薄膜张力，为配合张力控制增 加了重力浮动辊结构。结束语 我公司研制的 E V O H五层共挤高阻隔复 合膜机组，为加工 E V O H共挤薄膜设备制造 进行了有益的实践，设备在自 动化控制方面 与国外先进设备比尚有差距。我们相信：随着 国家相关行业的发展，通过对 E V O H五层共 挤高阻隔复合膜机组的进一步研究，机组技 术水平会赶上发达国家，我们愿意与同仁一 道为我国塑料加工业的进步继续努力工作。参考文献【1】黄棋尤主编，机械工业出版社，2 0 0 3 3 【2】邓舜扬，王强，朱普坤编 新编塑料薄膜)，轻工业出版社，1 9 9 4 5 【3】陈昌杰，张烈银，阴其倩编 ，化工 出版社 1 9 9 7 1 0 【4】w 米歇利(德国)，挤塑模头设计及工程计算，烃加工出版 社 1 9 8 9 【5】多层软包装的应用，中国塑料橡胶 2 0 0 2 年6 7 2 2 (上接第2 6页)动，这时电流也增加。这时 通过料筒时除去的一些热量又被 主电机送回。通常料简体调节器的确对熔体 产生效果，这就是我们所期望的。但是任何地 方的效果都没有区域变量大，这时最好方法 就是通过测量熔体温度来真正了解发生的各 种情况，以便更好采取对策。八、高质量的传感器 塑料挤出实际上是种“黑盒”工艺，因为 我们无法看清挤出机运转时内部情况，这只 得依赖于各种仪表。因为我们还需要确信所 有的传感器工作是否正常，所有的传出器调 校正确。因此，必须了解到监测仪的所有工艺 变量。例，A：熔体压力，典型值为 1 0 0 批次 s；B：浸入探头每 l s 一 1 0 s 或红外感应仪仅 1 M 一 1 0 M S 测得的熔体温度，C：进料口温度；D：模 具温度(1 3 O 个或系数传感器，依模具而定)。E：以千瓦(K W)表示的加热器功率，F：冷却功 率，若是气冷测量为风机转速(M P)，若是水冷 测量则为水温增量或流速，G：螺杆速度，H：以 安培表示的电机负荷，I：线速度。(下转第2 3页)维普资讯 http:/ 2 0 0 5 年第 l 5 卷第2 期 塑料包装 2 3 电流随着电压的增大，表现出非线性关 系 在低电压区域I 电汉正比于电压，基本上 服从欧姆定律 呈线性关系，到高压区域 I I 时 电流就不正比于电压了，非线性增加，呈现为 双曲正玄关系，到更高电压区域 I I I 时，电流 更加剧增 直至产生绝缘破坏。3 导电高聚物的种类：(2)结构型高聚物自身具有共轭 键等特殊结构，称高分子半导体。(3)添加型在高聚物中添加金属(粉，纤维)或碳粒之类的导电性物质，而成为 导电能力的高聚物材料。(上接第5 3页)质量。5、加强机电仪的配合，加强了设备维护 维修 减少了因设备故障而造成的废品。结果及效益 通过分厂职工近一年的努力，特别在更 新设备及应用新材料后，统计表明编织袋印 刷质量有了大幅度提高废次品率有了一定 幅度降低 并取得了一定的经济效益，主要表 现在两个方面：1、采用全胶版后，胶版腐蚀少，使用时间 长 相应减少了材料成本。经过计算，一年可 以节约胶版的材料费近 6 万元。2、废次品率降低后相应产生一定的效 益。通过计算，废次品率每降低 1，一年可节 约成本 1 O 万元。从上面分析可知，通过加强管理及技改 技革 不仅提高了产品的质量，也为企业创造 了定经济效益。当然 通过设备更新及技术革新后，我分 厂在编织袋印刷质量上并非完美，还存在一定 问题 还有许多问题需要解决，还有相应制度 需要坚持和完善 对此我们还需进一步努力。结论 从设备和技改技革两个方面人手 解决了 编织袋印刷中的实际问题，有效地提高了印刷 质量，降低了废次品率，并取得了一定经济效 益。通过上述情况，我们可以得出以下结论：1、加大设备更新，加强设备维护。设备是企业生产的物资基础是企业生 产的先决条件设备的新旧好坏及能力直接 决定了企业生产经营情况，因此 必须加大设 备更新，同时加强设备维护。毕竟设备比生产 工艺更新快在生产环节能最早体现技术的 发展进步，投用后增效也最大，虽然初期投资 成本较高。2、注意应用新技术新材料 加强技改技革。生产管理人员要关注技术及材料更新情 况，注意在生产中应用新技术新材料，还要结 合实际情况加强技改技革。3、加强生产及设备管理 加强管理制度 的实施方法及落实情况，注意结合实际进一 步细化和更新。(上接第 1 8页)其它工艺变量可能通过上游机构，如干 燥器、混合器，输送管及进料机构和下游的齿 轮泵，过滤网变换器等。九、挤出操作工的培训 对每一位刚接触塑料挤出工艺的操作人 员，在进入生产车间应该接受挤出的材料特 性和塑料机械特性课程特别培训，如工艺控 制、螺杆、模具的结构设计及作用，机械操作，挤出产品质量的控制等课目培训。综上所述挤出塑料生产中的九大要素 是笔者长期以来从事塑料挤出工艺领域方 面 通过不断的实践和实际操作探索整理得 出的，上述粗浅的认识，不妥之处，望同行专 家给予指正。维普资讯 http:/