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浅谈塑料异型材挤出技术

11已有 429 次阅读  2012-05-02 13:43

  化学建材是继传统建筑三大材料之后的第四大类新型建筑材料,由于其性能优越,目前在国内外均获长足发展。 作为化学建材之一的硬质PVC材料正日渐受到格外瞩目, 硬质PVC(聚氯乙烯)塑料异型材、管材、板材的应用在世界发达国家获得了快速稳步发展,某些国家如德国和北美的一些国家市场占有率已超过50。 我国也提出了在2010年, 塑料管和塑料门窗在应用领域的全国年均市场占有率分别达50和30以上的目标,主要原因是由于塑料异型材具备突出的节能降耗、隔音保温、防火阻燃、美观耐用等优点。因而, 硬质PVC塑料建材已成为化学建材业最重要的一个分支, 已经形成了产业化发展的趋势。 生产这类新型建材的技术相关性强,技术复杂程度较高,对生产组织的规模化和集约化要求较高。直接生产技术一般采用塑料成型加工方法中的挤出成型技术,在此技术基础上发展起来的塑料异型材挤出加工装备为适应加工对象的要求,其技术正向高可靠性、高加工效率、高自动化程度和低使用成本方向发展。目前,其装备技术创新程度已开始发生了质的飞跃。为有利于行业挤出技术的创新发展,本文作者基于从事硬质PVC挤出技术工作实践的经验和认识,以目前国内塑料异型材挤出技术系统为例,对塑料异型材挤出技术作一简要介绍,姑且抛砖引玉,不当之处,请专家同行指正。

  一、 塑料异型材挤出生产的工艺过程

  在生产工艺过程中,塑料异型材挤出生产工艺只包括配方设计、主辅料的配混、挤出加工、冷却定型、牵引计长切割及贴膜打印与翻料过程。挤出生产的异型材最终还需组装、加工、焊接等若干专用工序处理才能作为门窗等最终制品进行应用。因而从异型材的应用角度而言,塑料异型材的挤出生产类似于木制品的半成品材料生产(伐木后对木材的锯解保存处理)。从以上异型材生产工艺的一般要求同样也说明了对异型材生产装备的功能要求和技术路线,即在配方设计(反复实验)和物料配混工序完成后,异型材挤出装备必须连续和全自动的完成上 料、塑化、排气、挤出、成型、冷却定型、牵引、计长切割、堆料的全过程。而要连续高效的完成每一步工序并最终生产出合乎标准的异型材,其中涉及的技术关联程度是相当高的, 装备技术与加工对象具体工艺要求的科学匹配往往成为目前挤出技术工作中最具实践意义的工作。与切削加工无机金属材料的机床不同,作为对有机高分子聚合物(塑料异型材)成型加工的异型材装备,其异型材的性能特性和成型精度不仅与装备精度有关,更与加工对象的物性和加工的各种历程(热历程、流变历程、相变历程等)及其匹配程度有关。因此,从装备技术的创新发展和异型材生产工艺的更深入研究两方面的提高将推动异型材挤出技术向更高层次飞跃。

  二、 塑料异型材挤出技术系统

  塑料异型材挤出技术包含三大相互关联密切相关的关键技术系统,即配方(工艺)设计与原料配混技术、挤出设备技术、挤出模具技术。这三大技术系统有机地结合在一起,构成塑料异型材挤出技术的核心。

  (一) 配方(工艺)设计与原料配混技术系统

  配方(工艺)设计是对最终制品起决定性作用的技术因素之一,配方设计的好坏关系到挤出生产的稳定性及制品是否合格。塑料异型材挤出制品配方(工艺)设计是一门专业技术,可以认为是挤出技术系统中的软件。它遵循PVC塑料配方设计的一般规律, 但又有其独特性。 聚氯乙烯是一种热敏性塑料, 制品的优异性能全靠添加若干助剂如加工助剂、稳定助剂、改性、填充助剂、发泡助剂(仿木型材)等系列助剂的加入来保证,但各类助剂和原料名目繁多、优劣杂陈,如何优选、合理搭配并最终达到配方构成的低成本高性能是配方设计追求的目标。同时,配方与装备性能的适应性及与之相适应的加工工艺的确定(挤出过程中温度、速度、真空度、压力等参数的设定),更是直接影响制品的品质及生产效率。挤出生产的工艺设计即是为保证配方、挤出装备、挤出模具之间的科学匹配而实现最佳挤出在生产过程中各工艺参数设定的规范要求,在某一具体生产过程中的各技术要素(设备、模具、配方及相关配套条件等)均已确定的条件下,工艺设计往往成为提高制品质量和生产效率的最主要手段。

  塑料异型材挤出配方设计一般遵循如下原则:

  (1) 充分了解对异型材性能的要求。

  充分了解异型材要求的各项性能指标,应以满足用户要求的最高标准为依据;了解型材使用环境如气候、温湿度、风压、噪声及紫外线等具体条件限制、使用目的如是做门窗还是用作架棚等其他用途及使用中可能出现的问题;了解市场信息、消费者兴趣及销售趋势。

  (2) 注意原材料的选择。

  注意原料的作用、性质和各种助剂配合时的相互影响,发挥原料间的协同作用以获最佳效果,一般用户喜欢属地原料,因而用同样一种设备要生产出相同性能的型材因原料质量的差异,配方设计很不相同;注意原料质量及检验;注意相关原料用量与异型材性能、挤出工艺之间的联系;注意原料价格,保持原料供货渠道稳定,降低成本。

  (3) 对挤出设备和生产条件深入了解注意物料在挤出设备中受热行为的全过程研究;注意物料在挤出设备中的停留时间的影响;弄清机头、模具的结构特点与物料流变行为的关系。在此基础上才能把握配方设计的精髓从而为科学有效的调整配方提供实践指导和理论依据。

  配方设计是一个反复实践和认识的过程,它是一门实践性较强的科学和更注重理论与实践相结合的经验积累,但也遵循其独有的客观规律。型材配方设计中以稳定剂系列不同派生出的铅盐、有机锡、稀土等系列配方各有其特点,目前以国产主原料(树脂)为配方基础的高性价比塑料异型材配方已经批量应用并开始创造较好的经济效益。

  目前配方中树脂和各种助剂的用量经常用重量百分数表示,一般以树脂为100(重量份)份,其他助剂为树脂重量的百分之几来表示。

  在配方设计完毕后,按照配方要求进行物料配混也是最重要的一步工序。不同配方对混料有不同的工艺要求,主要是加料顺序、热混温度、冷混(出料)温度等要求不一样,塑料异型材加工对混料的均匀性有极高要求,越均匀越好。这种要求是由挤出加工装备的特性所决定的。正如我们所了解的,用于塑料异型材挤出的异向旋转啮合双螺杆挤出机的正位移输送(泵送)作用远远大于其对物料的混合混炼作用,物料在这种挤出加工过程中的混合混炼效应比之同向平行双螺杆挤出小得多,因而要求得完美的制品质量而达到配方中各组分尽量均匀混合的主要任务不是由挤出机承担,而是由挤出之前的混料工序完成。因此,混料工艺的设计及混料效果直接影响异型材的最终质量。关于混料的工艺设计有若干精辟的专业论述,在此不多述及。但应注意混料的最终效果是与混料设备的技术水平密切相关的。目前对此有充分认识的异型材挤出生产者一般选用冷热混一体式无转序的全自动混料设备,优点是物料热混后直接转入冷混不易在转序时吸潮并可保持环境清洁和提高生产效率。而混料设备的叶片结构设计对混料的质量和效率有重要影响,一般以高置式叶片结构设计为主的高强度混料机可完全靠物料的自摩擦达到设定的混料温度并达到最大限度的物料微观均匀性混合,比之流行的低置式叶片结构设计靠辅助加热实现混料温度的混料机可达到更高的混合质量。对大型塑料异型材制品厂家而言,配备全自动配混的大型配混料系统对保证混料质量和降低生产成本是有实际意义的。

  (二) 挤出装备技术系统

  挤出加工技术是塑料加工技术的一大分支,在塑料加工技术领域占有重要地位,主要是由于用挤出加工方法生产的塑料制品产量在塑料成型制品中居于首位之故。挤出设备和模具可认为是挤出技术系统中的硬件,其性能优劣对挤出制品的质量和效率影响是不言而喻的。塑料异型材挤出设备随着我国装备技术水平的进步,已从初期的单螺杆挤出发展到目前的双螺杆挤出,而且目前大都用锥形双螺杆挤出生产。对塑料异型材挤出生产而言,从技术先进性、制品质量和生产效率方面比较,单螺杆挤出存在比功率大、比流量小、制品质量不稳定等弊端,因而目前国内外均采用异向平行或锥形双螺杆挤出设备进行塑料异型材挤出生产。

  塑料异型材的挤出设备技术是一个十分复杂的技术系统,该设备一般成线配套,全自动连续化生产,其满足的生产工艺过程一般包括自动上料、定量加料、自动控温、无级调速、合格塑化、稳定挤出、定型冷却、牵引定长切割、自动翻料等,另外还附加自动吹风除水、自动贴膜、自动远红外校直、型材表面打印、自动吸屑等功能。这样一条用于塑料异型材挤出生产的生产线一般包括自动上料机、异向双螺杆挤出机、冷却定型台、牵引切割机、自动翻料架、自动吸屑机等单机,各单机必须满足挤出生产的工艺要求并能完美结合才能形成一条高产高效的挤出生产线。在塑料异型材挤出生产线中,依挤出制品的规格、用途不同派生出若干型号。 有专用于生产主型材的大规格塑料异型材生产线(如SY240系列),用于生产辅助型材的小异型材生产线(如SY120系列)等。 目前国产异型材生产线技术水平已开始接近国外同类设备先进水平,并且已成系列化,主辅型材生产线配套十分齐全,价格仅为国外进口设备的五分之一。在异型材挤出生产线中,其关键技术是双螺杆挤出机的挤出系统设计的先进性和制造质量的稳定性;定型台的定型冷却能力匹配及其调节的可靠稳定性;牵引切割机的牵引力匹配与牵引稳定性,以及跟踪切割水平的匹配;翻料架的定长翻板的可靠性,还有整条生产线的电控系统包括调速控制、温度控制、压力控制、同步调节控制的准确可靠和稳定性。这些技术性能的每一项都对挤出生产线的整体性能产生重要影响。在不同制品类型(型材、管材、板材)的生产线中,其挤出主机可以是相同机型的,因此,目前常见一种挤出机配多种辅机生产不同种类挤出制品的情形。描述一条挤出生产线的主关技术参数一是合格的挤出塑化能力即挤出量Q,以Kg/h计量, 它是指在标准测试条件下(见JB6491-92、JB6492-91标准规定)的合格挤出量, 说明了生产线的生产能力,也是挤出机综合水平的反映。二是主传动功率P,即驱动挤出系统的功率匹配, 在同样挤出能力的前提下,功率越小说明性能越先进,必然导致整体性能提高。对这两者的一个综合评价指标即挤出机的比功率,它是指在单位时间内生产单位质量的制品所消耗的功率,目前锥形双螺杆挤出机的比功率一般应小于0.14KW/(Kg/h)。再一个是全线稳定生产能力,这与电控系统、 辅机设计制造水平有关。具体说来即稳定的牵引速度、连续生产无故障持续周期。同一机型挤出生产时能达到的牵引速度越高,故障率越低说明生产率越高,自然效益明显。目前国内外塑料挤出装备正朝着高产高效化方向发展,也说明了这一点。

  鉴于挤出设备技术的复杂性和成系统性,考虑到目前用于塑料异型材挤出生产的技术特点,下面将以锥形双螺杆挤出机为主机的异型材生产线为主,简要介绍异型材挤出生产线的技术特点。

  1.挤出机:是用于挤出成型加工的主要设备,也是塑料异型材生产线的主机。目前锥形双螺杆挤出机应用较多。锥形双螺杆挤出机属于异向向外旋转的双螺杆挤出机机型,其对物料的输送是靠相互啮合的两根螺杆形成的C形小室,随螺杆异向向外旋转强制前移输送--称为正位移输送,而完成的,因而此类挤出机的挤出量在加料量足够时,与螺杆转速基本上成正比。关于锥形双螺杆挤出机的结构特点及与平双和单螺杆挤出机的性能对比均有专业文章叙述,在此不多述及,只将其关键技术特点作一简介。

  锥形双螺杆挤出机一般由传动系统、挤压系统、自动上料及定量加料系统、真空排气系统、机筒及螺杆调温系统、电控系统等组成。其中挤压系统和电控系统是其最为关键的两个系统。

  (1)挤压装置:由机筒、螺杆、过渡体及温控系统组成。螺杆分加料段、预塑化段、压缩段、排气段、计量段,也有加料、预塑化共为一段的。其基本作用是完成PVC粉料的输送、压缩、排气、塑化和计量挤出过程,PVC粉料在机筒中受到螺杆输送的压延、剪切、混炼作用,同时受到机筒上加热片的加热作用和螺杆芯部调温作用的影响,逐渐从粉料变成塑化良好的熔体,再经模具规范成型后冷却定型即得需要的塑料异型材制品。目前螺杆设计理论正在发展中,对各段的理论计算模型仍在完善和探索,高效双锥设计思想正在受到重视,即大长径比和最佳螺槽系数的选择设计而导致的超大挤出塑化能力使高速挤出的技术平台不断升高,因此螺杆设计换代的周期正在缩短,导致同一机型的挤出机生产能力大幅上升。目前国际上先进机型(直径90-110mm的异向平行双螺杆挤出机)已可达到双股合格主型材挤出线速度3.5-4.5m/min,国产设备的先进机型(小端直径60-65mm的锥形双螺杆挤出机)也可实现挤出单股合格主型材3.5m/min左右的挤出线速度。

  除螺杆设计是挤压系统的技术关键外,其机筒加热冷却功率的匹配设计、螺杆调温装置的可靠性设计、温度控制的准确有效性均是挤压系统的技术关键,它们之间统筹兼顾,达到完美统一是高效挤压系统成功的基础。例如,国产SJZ60/130锥形双螺杆挤出机采用了高效双锥的挤压系统设计思想,不仅采用了大长径比(同机型最大)、大锥角、最佳槽深系数等最新结构设计,而且在四个关键间隙的设计和温度控制方式的选择及辅助功能如排气系统的设计上均认真吸取了国际先进机型的设计思想,极大地提高了塑化质量和能力,测试挤出量可达300Kg/h,比功率降低到一个新的水平。

  (2)电控系统:挤出机的故障率大多发生在电控系统,一是因为电控系统较为复杂;二是影响电控系统的相关因素较多。挤出机必须有调速(同步)控制、温度控制、超扭矩报警控制及电气安全保护控制等,每一种控制系统都相当复杂,因此目前国内外在技术上均采用专用智能软件进行工控机(工业微机)控制,有良好的人机交互操作介面,可进行所有主要工艺参数的设定、修改、保存、调用等。如目前最先进的PCC控制系统,不仅能实现单条挤出生产线的所有控制,而且可进行远程通讯从而实现若干挤出生产线的集中控制,为实现异型材生产的集约化提供了技术保证。电控系统关键还在于其主关键件单元的可靠性上,一般调速控制以变频调速较为可靠,选用国际名牌工业变频器可完全满足使用要求;温度控制关键在于测温元件的选用和温控表的可靠性,一般国外专业厂产品可靠性较高。

  2.定型台:由托模装置、真空系统、冷却系统及调整机构组成。主要完成挤出物料熔体的定型和冷却。主要技术要求是能适应不同模具的安装,定型冷却能力足够大,调整操作方便,稳定性和操作重复精度高。目前异型材定型台放置3~4台大功率真空泵(产主型材),对高速挤出型材定型台还设强力排水泵或循环水泵以保证高速定型模的有效冷却。一般定型台面的有效托模长度不低于4m。各种定型台均能完成上下左右前后三维方向的调整,调整方式不尽相同,电动调节加手动微调方式是较为先进的一种调整方式。一般定型台纵向可调位移500-600mm,上下可调位移不小于50mm,横向可调位移不小于20mm。定型台冷却系统的节水设计也是衡量定型台技术先进性的一个指标。另外,定型台是否适宜人体操作,是否稳固可靠和便于维护均是选用定型台考虑的主要因素。还有其中的各种辅助功能装置的选配如型材表面打印装置、吹风除水装置、型材远红外校直装置等,应根据异型生产的现实要求合理选配,如果模具采用密封性较好的高速模具,型材挤出时表面无水则吹风除水装置就不用配置。

  3.牵引切割机:主要功能是完成制品定型后从模腔内拉出并依设定长度切断,达到连续生产的目的。它一般由牵引履带系统、气动加压系统、机架、切割装置、吸屑装置、贴膜装置等部分组成。主要技术要求是牵引力足够大、牵引稳定、牵引速度能与在最大挤出量时的制品生产速度匹配,切割同步性好等。目前有两种形式,一种为牵引切割分开式、另一种为牵引切割一体式。前者为被动同步切割,后者为主动同步切割。从技术原理上分析,后者优于前者,但对主型材生产而言,实用中并末有明显差别。一般履带对制品的压力是无级可调的,牵引速度也是无级可调的,依生产制品不同作不同的调整,同时牵引切割机的操作可在定型台上实现,便于生产中的全线控制调整。目前,最为先进的切割方式为无屑切割,即型材的切割为非锯片切割而是如金属薄板剪切加工中的冲剪切割,不仅实现无屑切割型材,省去了吸屑机,而且型材切口质量明显提高并消除了切割噪音,如SY240C异型材挤出生产线的牵引切割机可选配无屑切割功能。

  另外,在制品切割完毕后要进行堆放。翻料架即完成此功能,在牵引切割机切断制品后推到料架上,由料架自动翻板堆放,型材与管材翻料架均为同一原理,关键为定长准确,落料可靠。

  三、挤出模具技术系统

  在具备完善的配方(工艺)设计和挤出设备之后,没有相应的模具配套支持,要挤出良好制品仍是梦想。挤出模具是决定型材制品表面质量优劣和挤出产率高低的关键因素,它的主要作用是保证塑料熔体获得要求的截面形状并固定下来,同时发挥出挤出设备的最大潜力且让其稳定地进行高产率生产。因此,挤出模具技术系统是挤出技术系统的技术关键之一。

  挤出模具设计也是技术性很强的一个专业,在此不探讨挤出模具的具体设计原理只把模具选配应注意的问题简介如下:

  1.依挤出设备经济产量确定模具截面尺寸,即模具规格。

  2.在确定好模具截面规格后,应认真计算定型模长度L,一般型材按L=400t2v计算(t-制品最大壁厚cm;v-牵引速度cm/s;L-定型模长度cm),在确定合适的牵引速度后即可定出定型模概略长度。应保证模具有足够的定型冷却长度,有利于发挥设备潜力。

  3.模具冷却和真空口应设计合理均匀,便于高效冷却又不产生冷冲击应力,便于真空吸附定型又不易于卡模。一般依制品截面结构不同,设计各有特点,但达到的总体要求应是保持型材各实体部分(尤其是截面形状复杂时的各内筋)同时得到均匀充分的冷却。

  4.模具尺寸应与定型台匹配,加热片不应影响模具安装调整。不同规格模具在同一挤出设备上应用时,应尽量保证联接方式一致并便于安装和调整操作,气、水接头数量相配,便于识别和连接。

  5.机头模具上应有相应的温度插孔、压力插孔并且位置适宜。

  6.注意模具与设备的完整匹配,不仅性能匹配恰到好处,而且视觉效果浑然一体。

  三、塑料异型材挤出技术的发展趋势

  塑料异型材挤出技术发展至今,已具备相当水平。其发展方向大致有如下几点:

  1.向高速高效化方向发展。塑料异型材挤出已逐渐走出低速、高能耗阶段,目前国外先进技术水平已能达到主型材的多腔高速挤出,单股合格主型材稳定生产挤出线速可达5~6m/min。其发展的最终结果将导致生产率的大幅度提高和集约化生产方式的的成熟。

  2.向高档型材的复合共挤技术方向发展。随着行业技术进步和人们生活水平提高,对塑料异型材的高性能和多层次要求,使得单色的挤出制品缺乏活力,复合共挤可完善单一挤出制品的性能和装饰效果,如软硬复合型材共挤出、彩色型材挤出、微发泡仿木型材挤出等,使型材挤出技术向更为复杂的复合功能化方向发展。

  3.向低成本多功能方向发展。多种复合助剂的应用、新型配方和生产工艺的创新研制等均使塑料异型材挤出技术向更高性价比和更广阔的应用领域方向迈进,如目前以植物纤维(木粉、桔杆等)与通用塑料混合后的复合型材挤出,不仅使型材成本大为降低,而且使挤出技术开拓了一个全新领域。

  4.向超大规模技术集成化方向发展。由于市场竞争的影响,导致制品生产开始向大规模化集中,导致挤出技术往超大规模集成化方向发展,如集中配混料技术生产车间的全自动挤出生产集成控制技术等,将导致挤出技术发生质的飞跃。

  以上简要介绍了塑料异型材挤出技术的应用及特点,由于其技术的复杂性和技术创新的日新月异,挂一漏万,难以尽述,不当之处,敬请指正。

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