[2007.01]浅谈影响型坯挤出质量若干因素

    本文针对大型中空挤出吹塑成型时的型坯挤出质量，从原料、设备结构、工艺参数等方面进行了分析，并介绍了目前200L塑料桶生产设备的一些基本情况，提出了一些建议与对策。
 
关键词：型坯挤出 质量 熔体 不稳定流动

引言：

    1984年，北京塑料制品厂从德国BEKUM引进BA200型大型中空成型机组，我国开始以HMWHDPE（高分子量高密度聚乙烯）为原料，采用挤吹工艺生产200L环塑料桶。`经长时间发展与市场孕育、接受，200L塑料桶在国内市场应用越来越广泛。生产设备从以进口德国毛瑟设备为主，发展为以国内陕西秦川SCJ230设备为主的局面。

    200L塑料桶要求有优异的机械强度、刚性、优良的抗冲击能力与良好的耐环境应力开裂。产品质量与设备、原料、工艺控制等多方面因素有关，而生产工序中的型坯挤出更是其中关键因素。它直接影响制品外观及内在质量。型坯质量主要指标有：型坯的熔体强度、外观质量、适宜的壁厚以满足吹塑的制品性能要求等。现就影响型坯挤出质量的若干因数，从设备结构、工艺参数等方面进行了分析

一、原料的影响

    在吹塑中原料的选择很重要。首先要求原料的性能满足制品的使用要求，影响原料性能主要指标有密度、分子量、分子量分布以及聚合成型时各种添加剂等，其次是原料的加工性能必须符合吹塑工艺的要求。目前，生产200L环塑料桶原料大部采用HMWHDPE（高分子量高密度聚乙烯）为原料，具体牌号有齐鲁DMDY1158，MarlexTR571, Lupolen5261Z、台塑7500,独山子HD5420GA等,它们性能各有差异,有的可单独使用,有的须与其它混合使用。

性能	单位	DMDY1158	TR571	5261Z	7500	HD5420GA
密度	g/cm3	0．95	0.953	0.952	0.951	0.947-0.953
熔体指数(1900,21.6kg)	g/10min	2．0	2.5	2	2.0	1.5-2.5
拉伸屈服应力	Mpa	25	27	26．8	27．7	28.8
抗环境应力开裂（ESCR）	h	428	515	130	1000	350
断裂伸长率	%	700	600	740	800	800

原料中影响型坯质量的主要因素有：

1、熔体流动速率：熔体流动速率一定程度反映相对分子量大下，熔体流动速率越小，相对分子量越大。相对分子量越大型坯具有较好的熔体强度，可改变型坯自重下垂，制品拉伸强度、冲击强度、热变形温度等性能都有所提高，是有利的，但相对分子量越大粘度越高，流动性越差，加工困难，同时型坯有很高的“回缩”性，在合模前型坯会有较大的收缩。同样的条件下，型坯不稳定流动现象加剧，甚至熔体破裂。因此,考虑设备加工能力与工艺可行性,几乎所有200L塑料桶生产厂家都选用HMWHDPE树脂,熔体流动速率能够满足制品质量要求即可，一般为2.0左右(g/10min,21.6kg)。
2、分子量分布：从成型加工观点来看，宽的分子量分布比分布窄的，流动性要好，易于加工控制，并且宽的分子量分布可降低口模压力，减少型坯熔体破裂倾向，改善加工性能，同样的条件下可提高挤出速度。 但是宽的分子量分布也说明存在相对分子量偏低和较高部分，当相对分子量偏低部分所占比例过高时，制品力学性能、热稳定性等皆有所下降，并且流动过程中的分级效应，又使聚合物中低分子量级较多集中到挤出型坯表面，甚至从表面晰出，型坯表面看上去是在上面撒了一些细小白色粒子，吹塑制品内壁粗糙，脱落的白色粒子常易堵塞气阀，引起气路系统故障。相对分子量偏高部分所占比例过高时，塑化困难，型坯表面出现未完全塑化颗粒，外观质量下降。目前双峰分布的树脂有替代单峰分布趋势，同样的条件下，具有出色的加工性能与熔体强度，抗环境应力开裂也明显提高，

二、设备机构

1、 螺杆：
大型中空机所配置的挤出机，其加工的原料主要是HMWHDPE，若采用常规设计，则其塑化效率与明显不足。国内生产的φ150/25挤出机在加工HMWPE粉料时，其塑化能力仅为300kg/h。在国外，尤其是在德国，许多大的中空机制造企业早已采用带强迫喂料结构、强制冷却段结构的单螺杆挤出机，被称为IKV结构。IKV结构的挤出机在相同长径比条件下，其塑化量较常规设计提高50%以上，且挤出量稳定，加之合理的屏障段和混炼段设计，能获得高的塑化质量。下表列出了国内外几家公司的单螺杆挤出机的性能。表中挤出机的产量，均是在加工HMWHDPE，并且是70%的新料（粉料）与30%的粉碎料混合的条件下测得。

项目	德国 MAUSER	德国 KRUPP	意大利 MEICO	中国 秦川	中国 东华
螺杆直径(mm)	Φ120	Φ150	Φ120	Φ150	Φ120
长径比	30:1	25:1	38:1	25:1	22:1
最高转速(rpm)	50	47	65	50	50
最高产量（Kg/h）	400	600	370	300	200
拖动功率（KW）	114	183	147	132	132

2、 储料式机头
 
    熔体挤入机头后，若在流道内受阻，或在某一部位滞留，塑料会因长期受热而分解、碳化，使型坯表面毛糙，呈现明显的熔接线痕迹，从而增加清洗机头的次数和时间。因此，机头内的所有流道，应设计成流线型，流道的表面必须高度光洁，必须消除能存积物料的阻滞部位. 

    储料式机头的流道主要有3种形式：单层心型包络流道、双层心形包络流道和螺旋流道。早期的中空机机头较多采用单层心形包络流道，这主要是因为当时对成型制品要求不高。随着用户对容器质量要求不断提高，因为熔合缝的强度问题，单层心形包络就显出弱点，转而出现了双层心形包络和螺旋流道设计。如果是单层心形包络流道，挤出的型坯圆周上存在明显的熔合缝区，而在双层心形包络流道挤出的型坯被完整的熔料层所覆盖，因此熔合缝区的强度得以提高。德国 Mauser公司自90年代后期推出的都是出双层储料式中空机，用于制造双色200L塑料桶。这种机头采用双层螺旋流道，内外层分别有两台挤出机供料，并同时储料。由于制品的内层不用着色，以及可选用两种不同档次的原料，在市场上非常有竞争力，有逐步替代单层200L全塑工业桶的趋势。国内现有两台进口德国双层200L中空机，其双层L桶产品已被市场认可和接受，产品销售情况很好。国内陕西秦川也已开发出采用双层心形包络流道生产双色塑料桶，正处于试生产阶段。

储料式中空机机头口模对挤出型坯有重要的影响：1）口模是决定型坯尺寸及形状的重要装置，对制品的外观、尺寸等都有影响。口模工作表面光洁度虽对熔体破裂无重要影响，但一般要求内表面光洁度应达到10且尺寸必须按设计要求加工。2）要定期清理口模上的粘焦料，口模上也不可有深划痕或瘤出物，否则挤出的型坯上会出现竖纹等缺陷。3）型坯挤出时，熔体弹性变形受到粘性阻滞，出口模后才能恢复，应设法降低引起不稳定流动的临界剪切速率，口模设计时，应考虑选择口模合适的长径比、入口角与流线型机构等因素，防止聚合物滞留，降低不稳定流动。

三、工艺参数调整：

1、 温度
吹塑成型过程中，在挤出口模结构尺寸一定的情况下，支配型坯形状的关键是材料的粘弹性行为，而温度的高低直接影响型坯的形状稳定性和吹塑制品的表现质量。挤出机温度设定偏低，挤出机负载大，塑料塑化不良，熔体粘度大流动困难，剪切应力增加。提高挤出机的加热温度，可降低聚乙烯熔体的挤出口模压力和熔体粘度，使熔体粘度达到成型操作的要求，改善熔体的流动性，降低挤出机的功率消耗，同时,适当的机筒温度，在提高螺杆转速时不会影响物料的混炼塑化效果，有利于改善最终制品的强度和光亮度。储料机头温度太高，塑料的型坯强度明显降低，易发生型坯切口处料丝牵挂，型坯打褶，挤出的型坯易产生自重下垂现象，模具夹持口不能迫使足够量的熔料进入拼缝线内，造成底薄，拼接缝处强度不足和冷却时间增长等弊病。温度过低，也会造成型坯壁厚不易受到控制，壁厚不均明显增大，吹塑易破裂。熔料的“模口膨胀”效应会变得更严重，壁厚不均和内应力增大，甚至出现熔接不良，模面轮廓花纹不清晰等现象。温度低，也会造成挤出后型坯长度向收缩和壁厚增大，离模膨胀效应加强，表面质量下降，严重时会出现如“鲨鱼皮”和“熔体破裂”等不稳定流动现象。

    适温度设定原则：1）由于挤出温度不仅和外供热量有关，也和挤出机螺杆特性与螺杆速度有关。在挤出温度设定时，也应依据挤出机螺杆特性与速度进行设定、摸索和调整。塑化能力强的挤出机或挤出机压缩比比较大的区域，温度设定应低一些，塑化能力比较差的挤出机或挤出机压缩比比较小的区域，温度设定应高一些。在机头与口模，物料已完全呈粘流态，建立了熔体压力，应使之温度、应力、粘度、和流速更趋均匀，为顺利地通过口模作最后的准备。由于改变运动方向，调整运动速度，克服摩擦，建立熔体压力需牺牲一定的热量为代价，同时在该区域内煎切热已不复存在，故仍需要一定的外热作补充。因此温度设定应高一些。并依据型坯截面持料量的多少进行调整，以保证型坯截面温度的均衡，方便挤出成形。2）在既能挤出光滑而均匀的型坯，传动系统又不超载的前提下，为保证型坯有较高的熔体强度，应尽可能采用较低的加热温度。3）挤出型坯过程中温度控制的精确度对于型坯质量影响很大，料筒与储料缸各段温度应能可靠设置，确保电加热完好与热电偶测量准确，温度控制电器可靠，储料缸机头各段温度必须温度均匀，周向温度一致，两半电加热连接空隙距离不能太大 。4）IKV型挤出机在使用时，对强制冷却段的温度有比较严格的要求，进料段温度高，进料不稳定，影响挤出量与提高了熔体温度，严重的会导致料斗内物料“架桥”或“抱螺杆”现象。进料段温度低，带走了塑化段的大量热量，热量损失大。建议刚开车时，加料口冷却水暂时关闭,待加料段温度直至700C左右，再开冷却水。进料段温度易控制在60-1000C之间，现在有些企业已采用通过控制水流量对进料段温度进行自动控制或采用将强制冷却系统改为循环式恒温系统方式。总之要尽量使将套的温度控制在村套内表面熔融而形成熔膜的温度以下，这样既得到高固体输送率，又能节能并减小螺杆与机筒的磨损。5）熔体对口模温度比较敏感，过高与过低的口模温度都会造成熔体破裂。挤出机口模与型芯温度应该一致，若相差较大，型坯挤出时会出现向内或向外翻转甚至扭歪等现象，一般的口模温度与挤出的型坯温度大致相若。5）由于型坯温度分布直接影响型坯吹胀行为和制品冷却 ,从而影响制品最终的壁厚分布和制品质量。型坯温度各部温度要尽良一致，

挤出机转  速（rpm）	原料配比	机型	挤出机温度（0C）							储料机头温度（0C）
30	3:1	秦川SCJ230	进料段	1	2	3	4	5	6	7	8		9		10		11		12
			60-90	150	175	185	190	195	195	200	195		195		195		195		200
			挤出机温度（0C）					储料机头温度（0C）
			进料段	1	2	3	4	5	6	7		8		9		10		11
		德国毛BM201	70-100	175	190	200	200	220	210	210		210		210		210		210

2、 螺杆转速

　螺杆转速直接影响挤出机产量和制品型坯质量质量，其值决定于螺杆及挤出制品的尺寸和形状，以及原材料的种类等。增加螺杆的转速能显著提高挤出机产量，但功率消耗也相应增加。从提高产量的目的考虑，采用较高转速是有利的，同时，增加螺杆的转速由于螺杆对物料剪切作用的增强，提高螺杆转速还能提高物料的塑化效果，改善制品的微观质量。但螺杆转速提高应受到限制，转速过高，塑料在机筒内停留时间短，有可能造成熔体温度不均匀，型坯表面质量下降。尤其是剪切速率增大造成高密度聚乙烯塑料，可能出现熔体破裂现象。而且转速提高时大量摩擦热的产生使塑料有瞬间降解的危险。所以应根据实际情况调节螺杆的转速。1）一股吹塑机都选用大一点的挤出装置，螺杆转速在35转／分以下。2）在生产过程中，螺杆转速应稳定，进料量无太大变化，如此确保型坯挤出时，挤出的型坯长短变化不大，型坯重量稳定，3）机头熔体压力应维持在一定范围内，熔体压力增加熔融物料通过挤出机机头时的压力，挤出产品质地致密，有利于提高制品质量。对色母料着色的高分子量聚乙烯，足够的熔体压力，可使型坯有良好的外观，减少“晶点”和云雾状花纹。但是，因杂物堵塞机头网板，造成熔体压力过高，会增加挤出机负荷超载损伤机器，应及时更换、清洗网板，使进入机头的熔体维持稳定的压力。
 
3、 挤出速度：

    为减少因自重而引起的型坯下垂与缩径，一般要求型坯挤出尽可能快。但是挤出速度快，熔体压力增大，聚合物在高压下体积收缩较大，分子间作用力增大，粘度增大，有些甚至会增加十倍以上，从而影响了流动性。其次聚合物的熔体粘度对口模剪切作用很敏感，在操作中剪切速率的微小变化都会引起粘度的显著改变，型坯表面质量下降。尤其是剪切速率增大可能出现熔体破裂现象。

4、 型坯壁厚控制系统与其数值设定

    对于中空制品来说，控制型坯壁厚对于产品质量的提高和成本的降低非常重要。在吹气成型过程中，型坯壁厚若没有得到有效控制，吹塑制品冷却后会出现厚薄不均的状况，厚薄不均的坯壁产生的应力也不同，制品会凹瘪、变形，薄的位置容易出现破裂等。目前型坯壁厚控制都采用自动伺服控制，分为轴向与径向壁厚控制系统。目前，德国毛瑟BM201吹塑机采用128点轴向与25点径向壁厚控制系统，而国内秦川SCJ230仅采用64点轴向壁厚控制系统壁厚控制系统，径向壁厚控制系统还处于实验阶段。轴向壁厚控制系统根据储料缸电子尺反馈控制口模开度，纵坐标显示储料缸位置，横坐标显示口模开度。采用轴向壁厚控制系统后，可使芯轴缝隙随着型坯位置变化而变化，产生厚薄均匀的制品。耐冲击力试验表明，壁厚均匀的制品不仅强度有很大提高，同时也节省了原料，缩短了成品冷却时间，降低了次品率。 壁厚控制系统要求灵敏度高，能够依据各点壁厚设定，快速、可靠调节口模开度。其次设定曲线时，光滑过度，不能突兀变高或变低，理论与实际型坯曲线重复度高，无明显无滞后。再次要根据200L塑料桶各部位情况与薄弱环节找出其在型坯长度方向上的位置，合理设定各点厚度，要充分考虑下一工序如吹胀压力、时间等对型坯拉伸、鼓胀的影响等。
 
    总之，合格制品生产与每一工序都息息相关，型坯挤出质量只是其中的一关键因素，在生产中我们要切实注意影响型坯挤出质量的若干因素，注重型坯表观质量，防止出现如“鲨鱼皮症”甚至“熔体破裂”的现象，并在对制品的如常温跌落、高温堆码、液压、气密等试验中找出型坯内在质量或壁厚设定的不足之处，认真分析与总结经验，调整出最佳工艺，生产出优良制品。

参考文献
1、 黄锐，《塑料成型工艺学》，中国轻工业出版社，2005
2、 周达飞《高分子材料成型加工》，中国轻工业出版社，2005
3、 孙荪 《聚烯烃》，化学工业出版社，2003
4、林一波 全塑工业桶成型设备与技术进展 《中国塑料橡胶》，2003
5、李源德 塑料包装容器成型过程质量监控，，《中国塑料橡胶》，2002
6、黄汉雄编著，塑料吹塑技术，北京化学工业出版社，1996

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