張黎明
（高科建材（咸陽）管道科技有限公司，陜西 咸陽 713300）
摘要：通過分析塑料管材擠出成型的作用機理及工藝流程，結(jié)合管材專用料高密度聚乙烯樹脂HDPE的性能測試及實際應(yīng)用情況，分析擠出溫度、擠出速度等參數(shù)對管材性能的影響，在合理參數(shù)取值下進(jìn)行高性能管材制備。
關(guān)鍵詞：聚乙烯；塑料管材；擠出成型；熔體流動速率
根據(jù)塑料制品擠出成型形狀上的不同，可將制品劃分為管材擠出、板擠出以及片材擠出等，其中管材擠出成型方式占比較大，工藝技術(shù)也相對成熟，各種高性能、特殊結(jié)構(gòu)管材的出現(xiàn)也使其應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛。高密度聚乙烯樹脂即HDFE作為一種新型管材專用料，具備耐腐蝕、耐熱、耐磨性能，本文通過控制該種材質(zhì)下管材成型工藝及相關(guān)參數(shù)，對成型管材進(jìn)行性能結(jié)構(gòu)測試，分析HDPE材質(zhì)下管材成型性能及應(yīng)用效果[1]。
1管材擠出設(shè)備分析
料管材成型加工過程中的管材擠出生產(chǎn)線如圖1所示，包括擠壓機、定形裝置、水冷裝置、切割裝置、卷取堆料架等設(shè)備。其中擠壓機作為生產(chǎn)線最關(guān)鍵設(shè)備，用于塑化管材，為擠壓成型提供壓力，通常包括單螺桿、雙螺桿及多螺桿擠壓機設(shè)備，具體擠壓系統(tǒng)由螺桿和機筒組成，通過驅(qū)動螺桿在選定扭矩轉(zhuǎn)速參數(shù)下進(jìn)行塑料擠出成型加工；定形裝置主要是對管材的內(nèi)徑、外徑進(jìn)行定型確定，水冷裝置用于控制定徑管材定型，防止管坯變形；切割裝置即用于將擠出管材從端口處切割成所需長度，并進(jìn)行統(tǒng)一卷曲堆疊。
1—擠壓機；2—機頭；3—定形裝置；4—水冷裝置；5—驅(qū)動裝置；6—切割裝置；7—卷取堆料架
圖1 管材擠出生產(chǎn)流程示意圖
2 HDPE管材制備及工藝流程
料管材的制備過程，主要依據(jù)選用材質(zhì)及管材結(jié)構(gòu)性能，選取不同的制備生產(chǎn)工藝，但基本過程都是通過將聚合物物料添加至擠出機料斗，并通過控制加熱溫度，利用螺桿、機同對物料進(jìn)行摩擦擠壓，從而使物料變?yōu)樗芑廴趹B(tài)，并在螺桿推移下向前運動，經(jīng)預(yù)制尺寸機頭流出，進(jìn)行后續(xù)定型冷卻切割作業(yè)，完成擠出成型過程。其中，擠出成型過程中所需控制的參數(shù)包括螺桿轉(zhuǎn)速、加熱溫度、水冷溫度以及牽引速度等[2]。
1）螺桿轉(zhuǎn)速控制。螺桿轉(zhuǎn)速參數(shù)主要影響到管材的產(chǎn)量以及擠壓質(zhì)量，螺桿轉(zhuǎn)速的確定需要結(jié)合所產(chǎn)管材的尺寸規(guī)格進(jìn)行綜合確定，轉(zhuǎn)速過慢會影響到生產(chǎn)線整體產(chǎn)能，而轉(zhuǎn)速過快則會影響到物料的塑化過程，影響到成型管材的性能強度。
2）加熱溫度。溫度參數(shù)會影響到管材的塑化質(zhì)量及產(chǎn)品性能，溫度太低會影響塑化水平，而溫度過高則會導(dǎo)致物料發(fā)生分解，因此需要結(jié)合實際物料材質(zhì)、擠出機設(shè)備結(jié)構(gòu)進(jìn)行溫度參數(shù)確定，其中HDPE管材的加工溫度范圍如表1所示[3]。
表1 HDPE管材的加工溫度范圍
3）水冷溫度控制。HDPE管材的整個生產(chǎn)流程都需要進(jìn)行水冷降溫處理，包括對擠出螺桿、定徑套管以及冷卻水槽的降溫過程，其中對螺桿進(jìn)行水冷降溫可以有效避免因螺桿與物料的長期摩擦導(dǎo)致的物料粘結(jié)、分解，有助于提高生產(chǎn)效率。螺桿的冷卻水溫多控制在70~80℃，定徑套管的溫度多控制在30~50℃，成型管材經(jīng)定徑處理后還需通過冷卻水槽進(jìn)行水冷降溫，需要注意管材的水浸需要與管材擠出方向相反，從而使管材逐步進(jìn)行降溫，避免管材內(nèi)應(yīng)力過大出現(xiàn)彎曲變形。
4）牽引速率。管材成型過程中的驅(qū)動速率控制，是確保管材直徑尺寸一致的關(guān)鍵因素，速率過快會導(dǎo)致成型管材厚度不一，而速率過慢則無法進(jìn)行高效生產(chǎn)，因此需要結(jié)合擠出機的轉(zhuǎn)速進(jìn)行牽引速率匹配，一般要求牽引速率稍大于擠壓機轉(zhuǎn)速。
3 HDPE管材結(jié)構(gòu)及性能測試
3.1方案設(shè)計
為了分析HDPE管材的實際擠出工藝效果，找出影響管材成型性能的關(guān)鍵因素參數(shù)，制定了如下測試方案：設(shè)定160~220℃溫度范圍，通過改變擠出溫度來分析溫度參數(shù)對管材成型性能的影響；在一溫度恒定值下，分析擠出速率參數(shù)對管材成型性能的影響，設(shè)定速率包括0.5、1.0、2.0、4.0、5.0m/min幾項，所設(shè)計HDPE管材的公稱外徑32mm、管厚2.9mm。
3.2管材擠出效果分析
在進(jìn)行管材實際制備擠出生產(chǎn)時，需要注意擠出速率均勻，也即控制好電機電流波動，保證螺桿速率穩(wěn)定，同時需要嚴(yán)格控制擠出溫度，保證單一變量下分析管材成型性能，避免因溫度波動對擠出壓力、熔體黏度產(chǎn)生影響。最后需要控制好每次試驗的料斗加料情況，在加料速度穩(wěn)定情況下，研究溫度、速率參數(shù)對管材擠出成型性能的影響。
1）擠出速率的影響。如表2所示，為溫度恒定200℃下，各擠出速率下生產(chǎn)線生產(chǎn)性能的變化情況。可以看出，在控制相同溫度參數(shù)條件下，通過增大擠出速率，擠出機主機轉(zhuǎn)速、電流強度以及聚合物熔體壓力都顯著增大，同時由于擠出速率的變化會直接影響到管材成型的壁厚、尺寸以及性能，因此需要注意控制擠出速率與牽引速度向匹配[1]。
表2 擠出速率對管材生產(chǎn)性能的影響
2）溫度參數(shù)的影響。控制擠出速率4m/min不變，分析不同溫度參數(shù)下的生產(chǎn)工藝條件，具體見表3所示。分析表3數(shù)據(jù)可以看出，在擠出速率不變的條件下，提高溫度參數(shù)，電流強度以及熔體壓力數(shù)據(jù)都會相應(yīng)降低，同時當(dāng)溫度參數(shù)＞200℃時，這一影響效果會變緩。同時通過分析上述兩種參數(shù)因素對生產(chǎn)線生產(chǎn)工藝的影響可以發(fā)現(xiàn)，在該溫度、速率控制范圍內(nèi)，均可制備出性能優(yōu)異的HDPE管材，綜合考慮到產(chǎn)量以及能耗方面的影響，可以確定溫度參數(shù)控制在180~200℃、速率參數(shù)參數(shù)結(jié)合生產(chǎn)設(shè)備上限時，管材的制備效率最優(yōu)[2]。
表3 溫度參數(shù)對管材生產(chǎn)性能的影響
3）管材拉伸性能測試。選取上述溫度、速率參數(shù)下生產(chǎn)線實際生產(chǎn)HDPE管材，進(jìn)行性能測試，包括MFR、拉伸性能兩方面結(jié)果測試，具體如表4所示。分析表4數(shù)據(jù)可以看出，溫度參數(shù)以及擠出速率參數(shù)兩因素對HDPE管材的成型性能，包括MFR、拉伸強度的性能影響關(guān)系并不明顯，其中前者主要控制在10g/10min左右，后者拉伸強度的變化保持在530%~615%左右。因此可以認(rèn)為，HDPE管材的成型性能存在的偏差并不會由擠出溫度、速率的變化而出現(xiàn)顯著差異，也即該HDPE管材的加工工藝中，溫度、速率參數(shù)可以控制在較廣的加工范圍內(nèi)，該材質(zhì)均可保持較好的材料性能[3]。
表4 HDPE管材性能測試結(jié)果
4結(jié)論
通過分析上述HDPE管材的加工生產(chǎn)線流程，同時分析溫度參數(shù)、擠出速率參數(shù)對生產(chǎn)工藝性能以及管材性能的影響，得出如下結(jié)論：
1）溫度、擠出速率參數(shù)的改變，會影響到實際生產(chǎn)過程中生產(chǎn)工藝的變化，包括主機轉(zhuǎn)速、電流強度、熔體壓力等參數(shù)的變化，需要通過協(xié)調(diào)匹配生產(chǎn)參數(shù)，完成管材成型加工工藝流程。
2）溫度、擠出速率參數(shù)的改變，對管材的成型材質(zhì)不會產(chǎn)生顯著影響，通過測試MFR、拉伸性能等參數(shù)并不會發(fā)生顯著改變，也即該HDPE管材的溫度敏感性弱，可以在上述參數(shù)范圍內(nèi)，實現(xiàn)性能優(yōu)良HDPE管材的生產(chǎn)。
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