1、引言
在生產(chǎn)電線電纜金屬導(dǎo)體外部包裹塑料的時(shí)候，需要經(jīng)過(guò)一套有顆粒狀固體到軟體液體的混合物的過(guò)程，這一過(guò)程就叫擠出，也叫擠塑。
2、擠塑過(guò)程中的影響因素
擠出過(guò)程的工藝條件對(duì)制品的產(chǎn)量和質(zhì)量影響很大，特別是塑化過(guò)程，更直接影響制品的性能和外觀，影響這一過(guò)程的主要因素是溫度和機(jī)械剪切作用。
2.1擠塑溫度
在塑料的擠出過(guò)程中，物料聚集態(tài)的轉(zhuǎn)變及決定物料流動(dòng)的粘度都取決于溫度，因此，溫度是塑料擠出工藝中最重要的工藝參數(shù)。
由于溫度影響著塑料的熔融過(guò)程和熔體的流動(dòng)性，因此擠出溫度就和擠出制品質(zhì)量有著密切的關(guān)系。為使固體物料熔化為進(jìn)行擠出加工的粘流態(tài)，擠出物的溫度應(yīng)高于物料的粘流溫度（或熔點(diǎn)），而且加工溫度還不應(yīng)使物料出現(xiàn)大量分解，因此擠出溫度上限為不能高于物料的最高穩(wěn)定溫度，如熔融態(tài)聚乙烯穩(wěn)定的溫度范圍較寬，則有較寬的加工溫度；而聚氯乙烯的穩(wěn)定溫度范圍很窄，故加工溫度范圍也較窄，為提高材料的熱穩(wěn)定性，在樹脂中加入穩(wěn)定劑以提高最高穩(wěn)定溫度。
因?yàn)榫酆衔锏臄D出溫度是一個(gè)較大的范圍，靠近溫度下限和接近溫度上限都可以完成塑料的擠出，低溫?cái)D出和高溫?cái)D出各有所長(zhǎng)。
低溫?cái)D出有如下優(yōu)點(diǎn)：保持?jǐn)D出塑料層的形狀比較容易，由于擠包層中熱能較小縮短了冷卻時(shí)間；此外溫度低還會(huì)減少塑料降解，這對(duì)容易產(chǎn)生熱降解的塑料（如聚氯乙烯）尤為重要，同時(shí)對(duì)擠出過(guò)程易發(fā)生其它物理化學(xué)變化（如交聯(lián)聚乙烯擠出溫度高時(shí)容易發(fā)生先期交聯(lián)，發(fā)泡制品易出現(xiàn)發(fā)泡度低）的塑料也很重要。但擠出溫度低，臨界剪切應(yīng)力、臨界剪切速率值也低，會(huì)使擠包層失去光澤，并出現(xiàn)波紋，不規(guī)則破裂等現(xiàn)象。另外溫度低，塑料熔融區(qū)延長(zhǎng)，從均化段出來(lái)的熔體中仍?shī)A雜有固態(tài)物料，這些未熔物料和熔體一起成型于制品上，使擠出層性能下降。
溫度對(duì)產(chǎn)品的物理性能影響是復(fù)雜的，電纜用乙烯類塑料絕緣層抗張強(qiáng)度與擠出溫度有關(guān)，對(duì)應(yīng)于最大的抗張強(qiáng)度有一最佳的擠出溫度，有關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1
表1
擠出溫度對(duì)聚氯乙烯絕緣物理機(jī)械性能的影響
擠出溫度 ℃
延伸率 %
抗張強(qiáng)度 Mpa
175.6
213
12.55
176.7
214
12.69
178.7
224
12.82
179.4
263
14.89
182.2
267
14.13
184.2
275
14.41
185.0
277
14.62
193.3
285
14.07
有研究指出，提高低密度聚乙烯護(hù)套的擠出溫度，能提高抗應(yīng)力開(kāi)裂強(qiáng)度，但也應(yīng)指出，擠出溫度過(guò)高，易使塑料焦燒，或出現(xiàn)“打滑”現(xiàn)象；另外，擠包層的形狀穩(wěn)定性差，收縮率增加，甚至?xí)饠D出塑料層變色和出現(xiàn)氣泡等。
擠出物料的熱量來(lái)自機(jī)筒加熱和螺桿旋轉(zhuǎn)剪切的粘性耗散和摩擦，前者在運(yùn)行初期是很重要的，后者在運(yùn)行穩(wěn)定后則是主要的，升高機(jī)筒溫度很自然地會(huì)增加機(jī)筒傳遞給塑料的熱量，在擠出穩(wěn)定運(yùn)行之后，螺桿旋轉(zhuǎn)剪切的粘性耗散和摩擦熱量常常會(huì)使塑料達(dá)到或超過(guò)所需溫度，此時(shí)機(jī)內(nèi)控制系統(tǒng)切斷加熱電源，擠出機(jī)進(jìn)入“自然擠出”過(guò)程，并應(yīng)視情況對(duì)機(jī)筒和螺桿進(jìn)行冷卻。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)指出，冷卻螺桿還有助于改善擠出質(zhì)量，但同時(shí)也會(huì)降低了擠出流率。改善質(zhì)量是由于冷卻使螺桿均化段的有效槽深減少，增加了剪切作用。
機(jī)筒設(shè)置溫度和螺桿轉(zhuǎn)速之間還有以下的相互影響：機(jī)筒溫度升高，增加了機(jī)筒到物料的熱傳導(dǎo)，有利于物料的熔融。熔體溫度升高使熔體粘度降低，使螺桿旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的摩擦剪切熱降低，趨向降低熔融速率，因此，對(duì)應(yīng)于最大的熔融速率存在最佳的機(jī)筒溫度，機(jī)筒溫度升高，會(huì)使螺桿所需功率降低。
由于塑料品種的不同，甚至同種塑料由于其結(jié)構(gòu)組成的不同，其擠出溫度控制不盡相同，表2列出了電線電纜生產(chǎn)中幾種常見(jiàn)的塑料的擠出溫度，應(yīng)說(shuō)明，表中操作溫度的比較，只有對(duì)同一設(shè)備才有意義，設(shè)備不同，機(jī)筒壁厚薄不一樣，測(cè)溫點(diǎn)的深淺不一樣，儀表誤差不同，而且測(cè)溫點(diǎn)是在機(jī)筒和機(jī)頭外壁上，未深入熔體中，因此測(cè)得的實(shí)際機(jī)筒和機(jī)頭的溫度，與物料的實(shí)際溫度也存在差異，因此，擠出過(guò)程中應(yīng)隨時(shí)觀察塑料的塑化質(zhì)量，并調(diào)節(jié)溫控。
表2
品種
加料段
熔融段
均化段
機(jī)脖
機(jī)頭
模口
聚氯乙烯
150～160
160～170
175～185
175～180
170～175
170～180
聚乙烯
140～150
180～190
210～220
210～215
200～210
200～210
聚乙烯
130～140
160～170
175～185
170～180
170～175
170～180
氟-46
260
310～320
380～400
380～400
350
250
泡沫聚乙烯
150～160
180～190
210～220
210～215
200～210
210～220
采用這樣溫度設(shè)置的原因是：
1)加料段采用低溫，這是由于加料段要進(jìn)行機(jī)械剪切并攪拌混合，形成固體塞，為熔體擠出產(chǎn)生足夠的推力，如溫度過(guò)高，使塑料早期熔融，不但導(dǎo)致擠出過(guò)程中的分解，而且引起“打滑”，造成擠出壓力波動(dòng)，導(dǎo)致擠出量不均勻，并因過(guò)早熔融，而致混合不充分，塑化不均勻，所以這一段采用低溫。
2)熔融段的溫度要有大幅度較大的提高，在該段塑料要實(shí)現(xiàn)聚集態(tài)的轉(zhuǎn)變，變?yōu)檎沉鲬B(tài)的熔體，需要大量的熱量，只有達(dá)到一定的溫度才能確保大部分組分得以塑化。
3)均化段溫度最高，塑料在熔融段已大部分塑化，而其中小部分高分子組成尚未完全塑化，就進(jìn)入均化段，這部分組成盡管很少，但其塑化是必須實(shí)現(xiàn)的，這部分組分的塑化的溫度往往需要更高，因此，均化段的擠出溫度有所升高是必須的，有時(shí)候（在擠出穩(wěn)定之后），可以維持不變，而賴以塑化時(shí)間的延續(xù)，實(shí)現(xiàn)充分塑化。
4)機(jī)脖的溫度要保持均化段的溫度或稍微降低，這是因?yàn)榇颂幰瓿蓪⑿D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的塑料熔體轉(zhuǎn)變?yōu)槠叫兄本€運(yùn)動(dòng)，并將熔體均勻、平穩(wěn)地導(dǎo)入機(jī)頭中。在此處濾網(wǎng)、多孔板上的孔將塑膠體分散為條狀物，在進(jìn)入機(jī)頭時(shí)必須在其熔融態(tài)下將其彼此壓實(shí)，顯然溫度下降太多是不行的。
5)機(jī)頭承接已塑化均勻且由機(jī)脖壓實(shí)的熔體塑料，起繼續(xù)擠壓使之密實(shí)之作用，塑膠在此有固定的表層與機(jī)頭內(nèi)壁長(zhǎng)期接觸，若溫度過(guò)高，勢(shì)必出現(xiàn)分解甚至焦燒，特別是在機(jī)頭的死角處，因此機(jī)頭溫度一般要下降。
6)在模口處溫度升高、降低都有實(shí)例，一般模口升高可提高表面質(zhì)量，使表面光亮，但模口溫度過(guò)高，易造成表層分解，更易導(dǎo)致成型冷卻困難，使產(chǎn)品難于定型，形成下垂自行形變或壓扁變形。模口溫度降低，降低了表層分解的可能性，便于冷卻成形，但易出現(xiàn)表面無(wú)光澤，光潔度變差等現(xiàn)象。
因此，盡管各種塑料的擠出溫度控制的高低不一，但都有一個(gè)普遍的規(guī)律，即從加料段起到模口止，都有一個(gè)溫度從低—高—低的變化規(guī)律。如果擠出過(guò)程中溫度控制得不合適，塑料就會(huì)產(chǎn)生很多缺陷，影響擠出制品質(zhì)量。
2.2、螺桿轉(zhuǎn)速
由擠出物料輸送和均化段粘流體的流率分析可知，塑料流率（即擠出速度）和螺桿轉(zhuǎn)速成正比，由于調(diào)節(jié)方便，螺桿轉(zhuǎn)速是擠出過(guò)程中表征擠出速度的重要操作變量。因此，在一般情況下，提高螺桿轉(zhuǎn)速是提高生產(chǎn)速度，實(shí)現(xiàn)高速擠出的重要手段，但通過(guò)對(duì)塑料熔融長(zhǎng)度分析得知，螺桿轉(zhuǎn)速增加，一方面由于增強(qiáng)剪切作用，使剪切摩擦熱量增加；另一方面，在沒(méi)有機(jī)頭壓力控制的情況下，螺桿轉(zhuǎn)速增加。流率增加，物料在機(jī)內(nèi)停留的時(shí)間縮短，導(dǎo)致塑料塑化程度下降。而且后者的影響超過(guò)前者，會(huì)因熔融長(zhǎng)度延長(zhǎng)至均化段而破壞正常的擠出過(guò)程。所以，需要增加螺桿轉(zhuǎn)速來(lái)提高擠出速度時(shí)，還必須提高加熱溫度或采用控制機(jī)頭壓力來(lái)提高塑料的塑化程度，以保證高速擠出時(shí)塑料擠出質(zhì)量。
2.3、牽引速度
擠包制品是由牽引裝置拖動(dòng)通過(guò)機(jī)頭的，為保證產(chǎn)品的質(zhì)量，要求牽引速度均勻穩(wěn)定，與螺桿轉(zhuǎn)速協(xié)調(diào)，以保證擠出厚度和制品外徑的均勻性。如果牽引速度不穩(wěn)定，擠包層易形成竹節(jié)狀，而牽引過(guò)慢時(shí)擠出厚度大，且發(fā)生堆膠或空管現(xiàn)象；牽引速度過(guò)快，易造成擠出拉薄拉細(xì)，甚至出現(xiàn)脫膠漏包現(xiàn)象。所以，正常擠出過(guò)程中，一定控制好牽引速度。
2.4、冷卻
擠塑工序中，冷卻是很重要的一項(xiàng)。一般分為螺桿冷卻、機(jī)身冷卻及產(chǎn)品冷卻。
螺桿冷卻的作用是消除摩擦過(guò)熱，穩(wěn)定擠出壓力，促使塑料攪拌均勻，提高塑化質(zhì)量。
機(jī)身冷卻的作用是增加機(jī)筒散熱，以克服摩擦過(guò)熱形成的溫升，因?yàn)檫@一溫升在擠出過(guò)程中，甚至在切斷加熱電源后也不能停止，從而使合理的溫度不能得以長(zhǎng)期維持，必須增加散熱，使機(jī)筒冷卻下來(lái)，以維持?jǐn)D出過(guò)程中的熱平衡。機(jī)身冷卻是分段進(jìn)行的，主要以風(fēng)機(jī)冷卻為主，考慮到機(jī)身各段功能不同，對(duì)均化段冷卻的使用尤其注意。
產(chǎn)品冷卻是確保制品幾何形狀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的重要措施。塑料擠包層在離開(kāi)機(jī)頭后，應(yīng)立即進(jìn)行冷卻，否則會(huì)在重力作用下發(fā)生變形。對(duì)于聚氯乙烯等非結(jié)晶材料可以不考慮結(jié)晶的問(wèn)題，塑料制品可采用急冷方式用冷水直接進(jìn)行冷卻，使其在冷卻水槽中冷透，不再變形。
3、聚乙烯、聚丙烯等結(jié)晶聚合物的冷卻
對(duì)于聚乙烯、聚丙烯等結(jié)晶型聚合物的冷卻，則要考慮到結(jié)晶問(wèn)題，就通常情況而言，當(dāng)聚乙烯厚度較薄或加工溫度較低時(shí)，因?yàn)槔鋮s迅速、充分和均勻，一般出現(xiàn)問(wèn)題少。但在擠出厚度較大（如：電力電纜的護(hù)套厚度大多在2.0mm以上，JKLY-10型電纜的絕緣厚度為3.4mm）、擠出溫度較高（如：線性低密度聚乙烯為180～220℃，高密度聚乙烯為190～260℃），若冷卻工藝處理不當(dāng)就容易出現(xiàn)問(wèn)題。聚乙烯加工工藝控制主要從塑化擠出和冷卻兩方面來(lái)控制。聚乙烯成型加工溫度寬，但在低溫?cái)D出時(shí)易形成熔體破裂，造成表面粗糙，光亮度差，還會(huì)產(chǎn)生殘留的內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致絕緣或護(hù)套后期的開(kāi)裂。因此聚乙烯擠出溫度要適當(dāng)高些，以保證充分塑化塑化越好，其耐環(huán)境應(yīng)力開(kāi)裂性能就越優(yōu)良。但擠出溫度的提高會(huì)對(duì)電纜表面質(zhì)量帶來(lái)了一些負(fù)面影響，易形成表面缺陷，影響電纜表面質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)造成廢品。一般我們采取以下措施進(jìn)行改進(jìn)：①高溫到室溫分段冷卻的第一段冷卻水溫選為60—70℃，以手可以伸入水中但停留片刻即感覺(jué)燙手為宜，這樣既可避免因水溫過(guò)低驟冷使聚乙烯產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，又可避免水溫過(guò)高，在聚乙烯表面形成氣泡，產(chǎn)生凸起。②冷卻水循環(huán)過(guò)程中，向水槽加水要特別注意，宜采用大口徑、低流速加水，并且水不能直接沖到產(chǎn)品表面，最好沿水槽壁緩緩流下。③在產(chǎn)品入水后約半米處增加一個(gè)去除氣泡的裝置，如用軟毛刷或細(xì)棉紗觸刷產(chǎn)品表面，拂去附著的氣泡，保持產(chǎn)品表面光潔。④在循環(huán)水中加入消泡劑，避免氣泡的形成。
通過(guò)實(shí)踐證明，按照以上措施對(duì)擠塑生產(chǎn)線水冷卻部分進(jìn)行了改進(jìn)：冷卻水槽向機(jī)頭延伸，使電纜出機(jī)頭后在空氣中暴露不到一米即整體進(jìn)入冷卻水中；在水槽中增加了除氣泡的軟毛刷；控制冷卻水的分段冷卻溫度，溫度設(shè)定為60℃一70℃；并加快了生產(chǎn)節(jié)奏，減少線芯存放時(shí)間。改進(jìn)后，生產(chǎn)的產(chǎn)品表面光潔，極少出現(xiàn)凹坑等表面缺陷。
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