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          交聯電纜擠出工藝詳解

          發布時間:2020-10-24作者:admin

          一.塑料擠出理論

          塑料擠出理論的研究是根據塑料在擠塑機中的明顯可分的三個階段進行的。即有研究加料段的固體輸送理論;研究熔融段的熔化理論和研究均化段的熔體輸送理論。

          這些理論在不同程度上揭示了物料性質、擠塑機結構參數和工藝條件對熔融過程和流體輸送的影響。這就為改進擠塑結構設計,制訂合理的工藝條件,選擇材料提供了理論依據。

          1.固體輸送理論

          圖3--9擠出過程示意圖

          ?擠出過程,見圖3—9。加入螺槽中的固體物料,由旋轉螺桿螺紋的推力作用,向前推進,在機頭的作用下,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的有彈性的“固體塞”。如固體塞和機筒的摩擦力很大,和螺桿的摩擦力小時,物料將不隨螺桿旋轉,而呈“固體塞”狀向前推進。

          這如同周向定位螺母,當螺栓轉動時,被迫作軸向移動那樣,一般情況下,固體塞的實際運動可分解為軸向移動和剛體旋轉運動兩部分,因此,機筒作用在固體塞上的摩擦力也可以分解為軸向和切向兩個分量,在固體輸送理論研究中較有代表性的是達涅耳(Darnell)和莫耳(M0L)固體對固體摩擦的靜力平衡方程為基礎建立起來的固體輸送理論。固體塞的流率QS近似計算式:

          式中n--螺桿轉速(r/min);

          ? ? ? ?Db-機筒內徑(mm);

          ? ? ? ?H-機筒與螺桿間間隙(mill);

          ? ? ? θb-螺紋傾斜角;

          ? ? ? φ-方向角,900-θ。

          ? ? 從上式可以看出:

          ? ? (1)Qs與n和H成正比關系,并與螺桿的螺紋直徑近似成平方關系。

          (2)方向角是研究加料段的固體輸送速度率的極其重要的參數。它與螺桿的結構參數,物料壓力和物料與螺桿表面及物料與機筒內表面的摩擦力有關。實際φ角的取值范圍為0~90°;

          式中n--螺桿轉速(r/min);

          ? ? ? ?Db-機筒內徑(mm);

          ? ? ? ?H-機筒與螺桿間間隙(mill);

          ? ? ? θb-螺紋傾斜角;

          ? ? ? φ-方向角,900-θ。

          ? ? 從上式可以看出:

          ? ? (1)Qs與n和H成正比關系,并與螺桿的螺紋直徑近似成平方關系。

          (2)方向角是研究加料段的固體輸送速度率的極其重要的參數。它與螺桿的結構參數,物料壓力和物料與螺桿表面及物料與機筒內表面的摩擦力有關。實際φ角的取值范圍為0~90°;

          a)如果聚合物與螺桿間的摩擦力較大,使它與螺桿粘附在一起,那么固體塞將抱住螺桿一起旋轉,由圖3~9中看出Vp。等于零,(ψ角也等于零,故此時Qs=0。

          b)如果聚合物與螺桿的摩擦力很小而可忽略,固體塞將獲得與機筒內表面在沿螺槽方向的分速度相等的速度,這時有.大的輸送速度,方向角ψ=90°-Φb。

          c)輸送速率的理論極限發生在Φ=90°的時候,這時固體塞的切向分速度等于機筒表面的速率,這種情況相當于螺桿轉動,固體塞象螺母一樣只作軸向移動。

          2.熔融理論

          ?熔融理論是建立于熱力學,流變學基礎的一種理論。固體物料由料斗加入機筒后,沿螺槽向機頭移動,在加料段末端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,聚集在推進螺紋的前面,形成熔池。由于機筒和螺桿根部的相對運動,使熔池產生了物料的循環流動。

          螺棱后面是固體床,物料沿螺槽向前移動的過程中由于熔融段的螺槽深度逐漸變淺,固體床不斷被擠向機筒壁,加速了機筒向固體床的傳熱過程,同時螺桿的轉動床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,直到全部消失。從熔化開始固體床寬度下降為零的長度稱熔融區長度,顯然,熔融區的長度大于熔融段螺槽的長度,固體床就可能堵塞部分或全部螺槽,使擠出料流產生時斷時續的波動現象。

          影響熔融長度的因素有:

          ? ? (1)物料特性的影響? 主要有熱性能和流變性能,如比熱容、熱傳導率、熔點、粘度和密度等,比熱小、熱導率和密度高,熔化溫度低的塑料,熔融長度較短。這樣的物料可以有較大的生產能力。

          ? ? (2)流動率的影響? 在保持其它變量不變的情況下,增加流動率,必然要延長熔融長度,其結果是擠出物的均勻度和塑化性能變差。

          (3)螺桿轉速的影響? 在保持流動率和機筒溫度不變的條件下,增加螺桿轉速將大大增加擠出機的熔融速率,因此縮短了熔融區的長度。但是對于大多數沒有配置壓力控制設備的擠塑機來說,螺桿轉速增加,流動率也增加。在這種情況下,由于螺桿轉速增加帶來的加速熔融的作用會被流動率增加帶來產品質量惡化所抵消,通常負作用還要大一些。

          ? ? (4)機筒溫度和物料初溫? 機筒溫度增加有利于加熱物料,促進熔融,但由于提高了熔體的平均溫度,使熔體粘度降低,從而導致剪切生熱作用下降,通常能找到一個相對于.大熔融速率的.佳機筒溫度。但物料初溫增加對于熔融總是有利的。?

          4.影響擠塑機生產能力的因素分析

          ? ? (1)螺桿轉速的影響? 螺桿轉速與擠塑機的生產能力成正比關系,出膠量基本取決于螺桿轉速,機頭和螺桿的幾何尺寸。在一定的轉速范圍內,出膠量與螺桿轉速基本上是成正比關系的,這種關系對生產實踐有重大意義,它是現代螺桿擠出機提高生產能力的重要途徑之一?

          2)螺桿幾何尺寸的影響

          ? ? 1)螺桿直徑對生產能力有很大影響,出膠量與螺桿直徑D的平方成正比關系。就是說,D的增加,將導致Q的大幅度提高,它的影響甚至比轉速的影響還大。

          ? ? 2)螺槽深度對出膠量的影響:在固體輸送段,輸送能力和螺槽深度H近似成正比。而在均化段,它們的關系較為復雜,正流流量正比于H的一次方,而倒流和流率卻正比于H的三次方,螺槽太深反而不利于出膠量,因此螺桿深度有一個.佳值。此外,螺槽深度的選擇還與機頭阻力等有關。

          3)螺桿均化段長度對生產能力的影響? 倒流與漏流與均化長度成反比,故當均化段長度增加時,倒流和漏流減少,總生產能力則增加。這正是現代化螺桿擠出機長徑比不斷增加的重要原因。

          4)螺紋升角θ對生產能力的影響。均化段.大流動率的θ角為30°?

          5)螺桿與機筒間隙δ的影響? ? ?漏流流量正比于間隙的三次方,就是說,δ增加,出膠量會明顯降低。對于使用較久的擠出機應特別注意,機筒和螺桿因長期使用磨損,間隙值δ會增加很多,擠出機的出膠量會明顯降低,這時就應修復或更換螺桿。

          6)機頭反壓力的影響? ?倒流和漏流流動率與反壓力成正比,因此,反壓力會使生產能力降低。但反壓力的存在將有利于物料的塑化,提高擠出制品質量,尤其是對于流動性較好的塑料是很必要的。

          二.擠出工藝

          ? ? 擠出過程的工藝條件對制品的產量和質量影響很大,特別是塑化情況,更能直接影響制品的物理機械性能和外觀,塑化即是熔融,決定這一過程的主要的因素是溫度形成的機械剪切作用。

          1.溫度? 在塑料擠出過程中,物態的轉變以及決定物料流動的粘度都取決于溫度,因此,溫度是塑料擠出工藝中.重要的工藝參數。

          為使固體物料熔化成熔體,擠出物的.終溫度應大于物料的粘流溫度(或熔化溫度),其上限溫度決定于聚合物的.高穩定溫度,交聯聚乙烯料是在聚乙烯中混有交聯劑,擠出溫度應在交聯劑的分解溫度以下,以防止交聯劑的分解。

          擠出過程中溫度不是孤立的,在流動率不變,螺桿轉速不變時,增加擠出溫度會使聚合物的擠出壓力降低。在低流動率下,溫度對壓力的影響是很明顯的,但影響隨流動率的增加而逐漸減少。另外擠出溫度增加,螺桿負荷也降低。

          擠出物料的熱量來自機筒加熱器和螺桿旋轉剪切的摩擦力,前者在運行初期是很重要的,后者在運行穩定后則是主要的,升高機筒溫度很自然地會增加從機筒到聚合物的熱傳導。較高的機筒溫度導致了較高的熔體平均溫度,降低了熔體粘度,使粘性耗散產生的熱量降低,由于粘度的溫度的依賴性使得熔膜的速度分布變形,熔膜將固體床從機筒分開,趨向減少熔融速率。增加通過機筒的傳導熱量不足補償上述粘性耗散熱量和熔融速率的減少,因此對應于.大熔融速率有一個.佳機筒溫度。?

          在擠出穩定運行以后,螺桿旋轉剪切變形的粘性耗散和摩擦熱量常常會使物料達到或超過所需溫度。此時機內控制系統切斷電源,擠出機進入“自熱擠出”過程,并應視情況對機筒和螺桿進行冷卻。實踐經驗指出,冷卻螺桿還有助于改善擠出質量,但同時降低了擠出流動率。改善質量是由于冷卻使螺桿均化段的有效槽深減少,增強了剪切作用。交聯聚乙烯的擠出溫度見下表3—1。

          表3—1交聯聚乙烯的擠出溫度

          表3—1中操作溫度的比較,只有對同一設備有意義。設備不同,機筒壁厚薄不一樣,測溫點的深淺不一樣,而且測溫僅是機筒和機頭的溫度,與物料實際溫度也不一樣。

          2.螺桿轉速? ?由于調節方便,螺桿轉速是擠出過程中的重要操作變量。

          由擠出機固體輸送段的均化段的流動率分析可知,流動率和螺桿轉速成正比,因此,在一般情況下,提高螺桿轉速是現代擠出機提高生產能力的重要手段。但對塑料熔融長度分析得知,螺桿轉速增加,一方面由于剪切作用增加,使粘性耗散熱量增加;

          另一方面,在沒有機頭壓力控制的情況下,螺桿轉速增加,流動率增加,物料在機內停留時間縮短。而且是后者的影響超過前者,會因熔融長度延長至均化段而破壞正常擠出過程。所以超常范圍增加螺桿轉速增加生產速度時,還必須增加加熱溫度或采用控制機頭壓力才能達到目的。

          三.模具及調整

          ?對于一定規格的擠出機都有一個比較適合的生產范圍,生產范圍的確定主要考慮以下兩點:

          ?1)要有合理的產量;

          ?2)使機頭具有一定的壓力。

          模具的尺寸是由制品的尺寸決定的。由于熔體離模后的變化,使得擠出線徑并不等于模套的孔徑。一方面由于牽引冷卻使制品截面收縮,外徑減小。另一方面又由于離模后壓力降至零,塑料彈性回復而脹大。離模后塑料形狀尺寸的變化與物質性質、擠出溫度及壓力有關。?

          模具的具體尺寸,可根據生產經驗公式確定。

          ? ? d=d0+e1

          ? ? 式中d-—模芯孔直徑;

          ? ? e1——模芯孔放大值;

          ? ? d0——芯線直徑。? ? ,

          ? ? D=d+2δ+e2

          ? ? 式中D-模套孔直徑;

          ? ? ? ? ?δ——絕緣厚度;

          ? ? ? ? ?e2——模套孔放大值。

          模芯模套的配合型式有三種,即擠壓式、擠管式和半擠管式,見圖3—11。

          擠壓式適用于擠出塑料絕緣,交聯聚乙烯絕緣大多采用這種方法。其優點是擠包層緊密結實,表面平整;缺點是擠出線芯彎曲性能不好,對配模的準確性要求較高。擠管式適用于塑料護套的擠出,其優點是擠包層的厚度均勻,擠出線纜的彎曲性能好,能節省材料,配模簡便,能擠包各種形狀的線芯,例如扇形絕緣層;缺點是擠包層不緊密,制品表面有線芯或纜芯絞合的痕跡。半擠管式與擠管式模具大體相同,只是模套的承線稍短,模角也略小一些。半擠管式適合于擠包要求包緊力大的護套,為提高擠管式擠包層對芯線的包緊程度,可采用抽真空或大牽引的生產方法。

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