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        塑料在擠出機中如何運動的

        塑機的工作原理是:利用特定形狀的螺桿,在加熱的機筒中旋轉,將由料斗中送來的塑料向前擠壓,使塑料均勻地塑化(即熔融),通過機頭和不同形狀的模具,使塑料擠壓成連續性的所需要各種形狀的塑料層,擠包在線芯和電纜上。

        一,塑料擠出過程

        電線電纜的塑料絕緣和護套是采用連續擠壓方式進行的,擠出設備一般是單螺桿擠塑機。塑料在擠出前,要事先檢查塑料是否潮濕或有無其它雜物,然后把塑料預熱 后加入料斗內。在擠出過程中,裝人料斗中的塑料借助重力或加料螺旋進人機筒中,在旋轉螺桿的推力作用下不斷向前推進,從預熱段開始逐漸地向均化段運動;同 時,塑料受到螺桿的攪拌和擠壓作用,并且在機筒的外熱及塑料與設備之間的剪切摩擦熱的作用下轉變為粘流態,在螺槽中形成連續均勻的料流。在工藝規定的溫度 作用下,塑料從固體狀態轉變為熔融狀態的可塑物體,再經由螺桿的推動或攪拌,將完全塑化好的塑料推入機頭,到達機頭的料流,經模芯和模套間的環形間隙,從 模套口擠出,擠包干線芯或纜芯周圍,形成連續密實的絕緣層或護套層,然后經冷卻和固化,制成電線電纜產品。

        二,擠出過程的三個階段

        塑料擠出主要依據的是塑料所具有的可塑態。塑料在擠出機中完成可塑成型過程是一個復雜的物理過程:包括了混合、破碎、熔融、塑化、排氣、壓實并最后成型定 型,這一過程是連續實現的。然而習慣上,人們往往按塑料的不同反應將擠塑過程,人為的分成各個不同階段;①塑化階段(塑料的混合、熔融和均化);②成型階 段(塑料的擠壓成型);③定型階段(塑料層的冷卻和固化)。

        1,塑化階段。也稱為壓縮階段。它是在擠塑機機筒內完成的,經過螺桿的旋轉作用,使塑料由顆粒狀固體變為可塑性的粘流體。塑料在塑化階段獲得熱量的來源有 兩個方面:一是機筒外部的電加熱;二是螺桿旋轉時產生的摩擦熱。起初的熱量是由機筒外部的電加熱產生的;當正常開車后,熱量的取得則是由螺桿旋轉物料在壓 縮,剪切、攪拌過程中與機筒內壁的摩擦和物料分子問的內摩擦而產生的。

        2,成型階段。它是在機頭內進行的,由于螺桿旋轉和壓力作用,把粘流體推向機頭,經機頭內的模具,使粘流體成型為所需要的各種尺寸形狀的擠包材料,并包覆在線芯或導體外。

        3,定型階段。它是在冷卻水槽中進行的,塑料擠包層經過冷卻后,由無定型的塑性狀態變為定型的固體狀態。

        三,塑化階段塑料流動的變化

        塑化階段,塑料沿螺桿軸向被螺桿推向機頭的移動過程中,經歷著溫度、壓力、粘度、甚至化學結構的變化,這些變化在螺桿的不同區段情況是不同的。塑化階段根 據塑料流動時的物態連續變化過程又可分成三個階段:①加料段(又稱破碎段);②熔融段(又稱塑化段);③均化段又稱均壓段)。各段對塑料擠出產生不同的作 用,塑料在各段呈現不同的形態,從而表現出塑料的擠出特性。

        1,加料段,首先就是為顆粒狀的固體塑料提供軟化溫度,其次是以螺桿的旋轉與固定的機筒之間產生的剪切應力作用在塑料顆粒上,實現對軟化塑料的破碎。而最 主要的則是以螺桿旋轉產生足夠大的連續而穩定的推力和反向摩擦力,以形成連續而穩定的擠出壓力,進而實現對破碎塑料的攪拌與均勻混合,并初步實行熱交換, 從而為連續而穩定的擠出提供基礎。在此階段產生的推力是否連續均勻穩定、剪切應變率的高低,破碎與攪拌是否均勻都直接影響著擠出的質量和產量。

        2,熔融段,經破碎、軟化并初步攪拌混合的固態塑料,由于螺桿的推擠作用,沿螺槽向機頭移動,自加料段進人熔融段。在此段塑料遇到了較高溫度的熱作用,這 時的熱源,除機筒外部的電加熱外,螺桿旋轉的摩擦熱也在起著作用。而來自加料段的推力和來自均化段的反作用力,使塑料在前進中形成了回流,回流產生在螺槽 內以及螺桿與機筒的間隙中,回流的產生不但使物料進一步均勻混合,而且使塑料熱交換作用加大,達到了表面的熱平衡。由于在此階段的作用溫度已超過了塑料的 流變溫度,加之作用時間較長,致使塑料發生了物態的轉變,與加熱機筒接觸的物料開始熔化,在機筒內表面形成一層聚合物熔膜,當熔膜的厚度超過螺紋頂與機筒 之間的間隙時,就會被旋轉的螺紋刮下來,聚集在推進螺紋的前面,形成熔池。由于機筒和螺紋根部的相對運動,使熔池產生了物料的循環流動。螺棱后面是固體床 (固體塑料),物料沿螺槽向前移動的過程中,由于熔融段的螺槽深度向均化段逐漸變淺,固體床不斷被

        擠向機簡內壁,加速了機筒向固體床的傳熱過程,同時螺桿的旋轉對機筒內壁的熔膜產生剪切作用,從而使熔膜和固體床分界面的物料熔化,固體床的寬度逐漸減 小,直到完全消失,即由固態轉為粘流態(可塑態)。此時塑料分子結構發生了根本的改變,分子間張力極度松弛,若為結晶性高聚物,則其晶區開始減少,無定形 增多,除其中的特大分子而外,主體完成了塑化,即所謂的“初步塑化”,并且在壓力的作用下,排除了固態物料中所含的氣體,實現初步壓實。

        3,均化段,具有這樣幾個突出的工藝特性:這一段螺桿螺紋深度最淺,即螺槽容積最小,所以這里是螺桿與機筒間產生壓力最大的工作段;另外來自螺桿的推力和 篩板等處的反作用力,是塑料“短兵相接”的直接地帶;這一段又是擠出工藝溫度最高的一段,所以塑料在此階段所受到的徑向壓力和軸向壓力最大,這種高壓作 用,足以使合于塑料內的全部氣體排除,并使熔體壓實、致密。該段所具有的“均壓段”之稱即由此而得。由于高溫的作用,使得經過融熔段未能塑化的高分子在此 段完成塑化,從而最后消除“顆!,使塑料塑化充分均勻,然后將完全塑化熔融的塑料定量、定壓地由機頭均勻地擠出。

        四.擠出過程中塑料的流動狀態

        擠出過程中,由于螺桿的旋轉使塑料推移,而機筒是不動的,這就在機筒和螺桿之間產生相對運動,這種相對運動對塑料產生摩擦作用,使塑料被拖著前進。另外, 由于機頭中的模具、多孔篩板和濾網的阻力,又使塑料在前進中產生反作用力,這就使塑料在螺桿和機筒中的流動復雜化。通常將塑料的流動狀態看成是由以下四種 流動形式組成的:

        1,正流――是指塑料沿著螺桿螺槽向機頭方向的流動。它是由螺桿旋轉的推擠力產生的,是四種流動形式中最主要的一種。正流量的大小直接決定著擠出量。

        2,倒流――又稱逆流,它的方向與正流的流動方向正好相反。它是由于機頭中的模具、篩板和濾網等阻礙塑料的正向運動,在機頭區域里產生的壓力(塑料前進的反作用力)造成的。由機頭至加料口形成了“壓力下的回流”也稱為“反壓流動”。它能引起生產能力的損失。

        3,橫流――它是沿著軸的方向,即與螺紋槽相垂直方向的塑料流動。也是由螺桿旋轉時的推擠所形成的。它的流動受到螺紋槽側壁的阻力,由于兩側螺紋的相互阻 力,而螺桿是在旋轉中,使塑料在螺槽內產生翻轉運動,形成環狀流動,所以橫流實質是環流。環流對塑料在機筒中的混合、塑化及熱交換影響很大,塑料所以能在 螺桿中混合、塑化成熔融狀態,是和環流的作用分不開的。環流使物料在機筒中產生攪拌和混合,并且利于機筒和物料的熱交換,它對提高擠出質量有重要的意義, 但對擠出流率的影響很小。

        4,漏流――它也是由機頭中模具、篩板和濾網的阻力產生的。不過它不是螺槽中的流動,而是在螺桿與機筒的間隙中形成的倒流。它也能引起生產能力的損失。由 于螺桿與機筒的間隙通常很小,故在正常情況下,漏流流量要比正流和倒流小得多。在擠出過程中,漏流將影響擠出量,漏流量增大,擠出量將減小。

        塑料的四種流動狀態都不能以單獨形式出現,就某一塑料質點來說,既不會有真正的倒流,也不會有封閉的環流。熔體塑料在螺紋槽中的實際流動是上述四種流動狀態的綜合,以螺旋形軌跡向前的一種流動。

        五,擠出量

        擠出量是擠塑機的重要特性參數,是擠出理論的重要研究內容之一。如上所述擠出過程中塑料流動是人為的將螺桿按某工作特性分為三個部分,事實上,螺桿本身是 一個整體;塑料沿螺桿全長上的物態變化,是逐漸連續發生、發展并完成的,并不存在一個兩相界面。為此,對擠出量就有了兩個假設,把塑料由固態轉為粘流態的 全過程假定發生并完成在變化區段的所謂“粘結點”,而塑料被壓實則假定發生并完成在變化區段的所謂“填實點”,由此人為的將全部物料分為兩部分,即“粘結 點”前的固體部分和“粘結點”后的流體部分。對于一個結構合理的擠出機構,由于擠出具有連續性的特點,其固態下的擠出量與粘流態下的擠出量應絕對相等(逸 出的氣體忽略不計),因此擠出量即可由兩部分之一求得,一般都以后段的流體力學方法計算,對等距不等深螺桿的擠出量計算公式是:

        v*b*h1-h2     b*g*p*h12*h22

        q =

        h1+h2     6η*l*(h1+h2)

        式中:

        q――擠出量(cm3/分);

        v――螺桿在推進方向的速度(cm/分);

        b――螺槽寬度(cm)

        h1――填實點螺紋深度(cm);

        h2――端部螺紋深度(cm);

        g――重力加速度(cm/分2);

        p――擠出壓力(kg/cm2);

        η――塑料粘度(kg/cm?分)

        l――填實點到端部螺紋展開長度(cm)。

        擠出量計算公式來看,影響擠出量的因素主要是:

        l)擠出壓力越大,擠出量就越小。擠出壓力是推力與其反作用力形成的,擠出壓力大則反作用力大,而反作用力是回流(倒流和漏流)產生的根源,故擠出壓力越大,對正流的抵消作用也就越大,從而使擠出量減少。

        2)螺槽越淺,擠出量越穩定。在擠出過程中,因溫度、螺桿速度的微小變化,將導致擠出壓力的變化。從擠出量計算公式第二項可以知道,當螺槽深度較大時,(h12*h22)之值將很大,即使擠出壓力發生微小變化,也將引起第二項式的大量波動,影響擠出量的大幅度波動。

        3)螺槽寬度越大,螺槽容積越大,則擠出量越大。但不能一味地加大螺槽寬度來提高擠出量,因加寬螺槽寬度,將使螺紋厚度減小或塑化路徑縮短,前者使螺紋耐磨強度降低,后者使塑化能力降低。

        4)螺紋深度要適當,太淺則擠出量;太深則形成擠出量不穩,并影響塑化均勻性。

        六,擠出質量

        擠出質量主要指塑料的塑化情況是否良好,幾何尺寸是否均一。即徑向厚度是否一致,軸向外徑是否均勻。決定塑化狀況除塑料本身之外,主要是溫度和剪切應變率 及作用時間等因素。擠出溫度過高不但造成擠出壓力的波動,而且導致塑料的分解,甚至可能釀成設備事故,因此擠出溫度應按工藝溫度控制。而減小螺槽深度,增 大螺桿長徑比,雖然有利于塑料的熱交換和延長受熱時間,滿足塑化均勻,但將影響擠出量,又為螺桿制造和裝配造成困難。所以確保塑化的重要考慮應是提高螺桿 旋轉對塑料所產生的剪切應變率,以達到機械混合均勻,擠出熱交換均衡,并由此為塑化均勻提供保障。這個應變率的大小由螺桿與機筒間的剪切應變力所決定,其 剪切的應變率數值的為:

        πd*n

        δ=

        h

        其中:δ――為剪切應變率(l/min);

        d――為螺桿直徑(cm);

        n――為螺桿轉速(r/min);

        h――為螺槽深度(cm);

        由此可見,在保證擠出量的要求下,可以在提高轉速的情況下加大螺槽深度。此外,螺桿與機筒的間隙也對擠出質量有影響,間隙過大時則塑料的倒流、漏流增加,不但引起擠出壓力波動,影響擠出量;而且由于這些回流的增加,使塑料過熱而導致塑料焦燒或成型困難。

        七,擠出理論的研究

        塑料擠出理論的研究就是根據塑料在擠出機中的三個歷程――即從加料區的固態到過渡區(熔融區)的固態――粘流態、直到均化區的粘流態這三種物理過程進行研 究。擠出機的擠出理論主要分成三個職能區進行研究,即一般所謂加料區的固體輸送理論、熔融區的熔融理論和粘流體輸送理論。

        理論不同程度上揭示了物質性質、機器結構參數和工藝條件對熔融過程、輸送流率的影響,為改進擠出機結構、制定合理的工藝條件、選擇材料等提供了依據。

        1,固體輸送理論

        在擠出過程中,加入螺桿中的固體塑料,由旋轉螺桿的推力作用,向前推進,在機頭阻力作用下,物料不斷被壓實。開始塑化和尚未塑化物料連續整齊排列,形成充 塞于整個送料段螺槽有彈性的“固體塞”。根據這一現象,利用固體對固體摩擦的靜力平衡方程為基礎,建立了固體輸送理論。

        2,熔融理論

        熔融理論是建立在熱力學、流變學基礎上的一種理論。在加料段末段與加熱機筒接觸的物料開始熔化,在筒內表面形成一層聚合物熔膜,當熔膜的厚度超過螺紋頂與 機筒之間的間隙時,就會被旋轉的螺紋刮下,聚集在螺紋的前面,形成熔池。由于隨著溫度的不斷提高及螺桿的剪切作用,熔池不斷擴大。影響熔融段長度的因素主 要是物料特性、流率、螺桿轉速、機筒溫度和物料初溫。

        3,熔體輸送理論

        熔體輸送理論又稱為流體動力學理論,它是研究螺桿均化段如何保證塑料徹底塑化,并使之定壓、定量、定溫擠出,以獲得穩定的質量和產量。

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