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PVC木塑挤出技术

2014-12-08

定型装置分为干湿定型两部分。其中干定型部分即通常所?#26723;?#23450;型模,湿定型部分则是指水箱。
    型材通过定型模时是靠真空吸附使型材与定型模紧密接触,冷却水流经水孔带走热量,与型材完成热交换,使型材冷却,但是型材本身不与水接触。湿定型部分采用浸浴式真空涡流水箱,最大限度地对制品进行冷却和定型。图2、图3分别为定型模和水箱的总装图。开发和应用发展迅速。木塑复合材料具有坚硬、强韧、持久、耐磨、尺寸稳定等优点。一般来说,木塑复合材?#31995;?#30828;度较未处理的木材高出2~8倍,耐磨性高出4~5倍,各种添加剂的应用还赋予其许多特殊的性能。它还是一种环保材料,可回?#32617;?#22797;使用,且原料廉价丰富,在减少环境污染、保护森林资源、促进经济发展方面都有良好的效益,受到了众多研究者关注。此外,木塑复合材料还具有二次加工性,制作的各种产品外形美观。是木材理想的替代品之一。

木塑复合材料挤出技术是在传统塑料异型材配方的基础上,加人木屑、刨花、边角废料及农作物纤维等填料,得到低成本的绿色材料,并设计出和该种配方相适应的模具,应用先进独特的挤出加工方法制成木塑制品。在此笔者探讨?#21496;?#27695;乙烯(PVC)/木粉复合材?#31995;?#25380;出技术。

1 实验部分 :原料选择

木粉主要是使用木制品加工行?#26723;?#36793;角余料和木屑,经机械粉碎、?#24515;?#21046;得。PVC选择K值为57~60(平均分子量650~750)的原料。另外还应加人发泡剂、偶联剂、助发泡剂、增塑剂、成核剂、润滑剂、着色剂、紫外线稳定剂等助剂。

2 配方及工艺?#38382;?#30830;定
2.1 配方确定


配方设计的依据是制品的性能、原辅材料、成型工艺及其设备。这是一?#25351;?#26434;而繁琐的工作,为了?#38887;?#36215;见,通常只是在原有成熟配方的基础上根据经验作些小改革,然后再通过试验来确定其中符合要求的最优方案。笔者是以普通PVC门窗异型材的配方为基础,加人木粉、发泡剂、助发泡剂、着色剂等,再根据正交试验确定不同原辅材?#31995;?#29992;量。

木粉的加入一般会使材?#31995;?#27969;动性能变差。随着木粉含量的提高,塑化时间延长,流动性?#19981;?#36234;来越低。若材?#31995;?#27969;动性太差,木粉将受到较大的剪切作用力,增加在挤出机中的停留时间,使木粉容易烧焦,不利于挤出;反之,如果流动性过大,不能形成足够的挤出压力,?#19981;?#36896;成制品的强?#28909;?#38519;和表面缺陷。所以,在挤出过程中,体系的流变特性对加工过程和最?#32617;?#21697;的各?#20013;?#33021;都有较大的影响。表2示出不同木粉含量时复合材?#31995;?#21152;工性能。
由于试验所使用的木粉粒径较大、密度小,随着填充量的增加,木粉填料在体系中所占体积比增大,对润滑剂、增塑剂、加工助剂等吸附量大。加工过程中虽能产生较大的摩擦热使塑化速度加快,但不足以抵消由于增塑剂、加工助剂等被吸附而使塑化速度减慢致使塑化时间增加的影响,从而使PVC的塑化延迟。而木粉含量越大,吸收的加工助剂越多,这样会使塑化时间增长,加工性能变差。最终确定选择木粉含量为30份。
其它原料用量为PVC 100份、三?#20301;?#24615;硫酸铅3份、二?#20301;?#24615;硫酸铅1.5份、硬脂酸铅0.5份、硬脂酸钙0.4份、硬脂酸0.8份、聚乙烯蜡。.3份、丙烯酸酷类共聚物5份、氯化聚乙烯6份、CaCO30份、AC发泡剂0.9份、ACR-530 5份、铁黄0.31份、铁棕0.15份。

2.2 螺杆转速对挤出成型的影响

从固体输送理论公?#33014;?#31896;性流体输送理论公式可知生产能力与转速成正比。

提高转速可以有效地增加挤出产量、?#26723;?#25104;本和提高生产效率,是工业化生产的需要。但转速的提高受到功率、塑化质量和挤出温度的限制。从粘性流体输送理论中的功率计算公式可知,随着转速的提高,功率消耗增加。
 试验中还发?#20540;?#34746;杆转速逐渐提高的过程中有如下现象:①螺杆转速很小时,物料以层流向前?#24179;?#25380;出物出口模后制品表面光滑,只是产量很低;②螺杆转速增加,物料在口模中逐渐向滑流过渡,如果滑流不顺利或受阻就会出现制品质量问题。所以随着螺杆转速的不断提高,物?#31995;?#21463;热历程缩短及其在口模中的融合效果变差而产生内应力,出口模后造成制品表面粗糙甚至破裂;其次,螺杆转速的升高会使物料在挤出机内停留时间缩短,物?#31995;?#28151;合质量有所?#26723;停?#24433;响最终产品的强度;再次,PVC和木粉都是热敏性材料,过高的螺杆转速容易导致物?#31995;慕到?#21644;糊化;最后,针对木塑挤出模具,在口模的出口段设计一段冷却板,若用较高的螺杆转速时,物料来不及冷却就被顶出来,这样会使制品冷却不均匀造成制品表面出现波纹,影响制品外观和挤出成型的质量,严重时造成制品不成型,使生产间断,不能连续生产。因此,只有在满足物?#31995;?#25380;出温度、混合质量及生产线设计?#26408;?#27982;指标的前提下,才能最大限度地提高转速以提高生产率。最终确定加料转速为8.2 r/min;主机转速为8.8 r/min。

2.3挤出温度对挤出成型的影响

 由于木粉的吸水率高,一般含水率在40%a以上,这容易使材料在受热或长时间放置?#21271;?#24418;,特别是在成型加工过程中水分的蒸发和木质素等成分的分解,在180℃以上时易发生“烧伤”而成褐色,使制品外观不良、弯曲强度和冲击强度下降。所以挤出机的温度控制十分重要。    
     试验发现,木塑复合体系的粘度对温度非常敏?#23567;?#38543;着温度的升高,复合体系的熔体表观粘?#21364;?#20026;?#26723;汀?#22312;同一剪切速率下,160℃的熔体粘度要比200℃的熔体粘度高一个数量级。从分子运动的角度来看,粘度与物料流动时分子的内摩擦扩散和取向等因素有关,当温度升高时,分子链段的活动能力增加,体积膨?#20572;?#20998;子?#23454;?#30456;互作用力减弱,流动性 增加,粘度?#26723;汀?br /> 木塑复合材料在挤出加工过程中常受机?#21442;?#24230;和口模温度的影响。
     机?#21442;?#24230;对复合材?#31995;?#28151;炼塑化效果具有决定性的影响,而口模温度则对挤出成型有重要的影响。由于挤出机各段职能及粘流状态不同,片面地采用全冷却或全加热的方式都是不适?#35828;模?#24517;须?#23454;?#22320;选择挤出机各段温度?#27573;А?#20174;固体输送理论中摩擦系数的分析,并结合试验体会可以发现,加料段温度的高低会影响物料与机筒的摩擦系数的大小,摩擦系数随加热温度的变化而变化。生产时,机筒与螺杆的温度应根据不同的物料作相应的选择和控制,保证物料与机筒有较大的摩擦力,以满足固体输送的需要。对塑化段而言,由于它是加料段向挤出段的过渡区,对生产能力的影响不十?#32622;?#26174;,但由于此?#38382;?#36215;塑化作用?#27169;?#23427;的加热温度必须保持在物?#31995;?#31896;流温度?#27573;?#20869;,以保证满足塑化温度及挤出?#32441;?#22987;温度的要求。挤出段的温度受?#35282;?#20004;段温度的影响,一般根据不同的物料可选择在其相应的粘流温度与分解温度之?#23454;?#26576;一?#27573;?#20869;。
    口模温度过高或过低都会造成熔体破?#36873;?#22914;果温度过低,则会加大熔体与流道之间的摩擦作用,影响滑移,造成熔体破裂?#25442;?#20250;增大木塑复合材?#31995;?#31896;度,造成流动困难,使流道壁面处的料流过早冷却固化,不能充满机头流道,难以挤出成型?#25442;?#20250;使物料塑化不良,不能充分包裹木粉,使制品的强度受?#25509;?#21709;。若将温度升高,则挤出制品的表面质量会有很大改善,物料通过过渡段进人定型段流道时呈熔融状态。为保证挤出顺利进行,机头的温度应分段控制,即温度逐渐?#26723;汀?br />
2.4 挤出压力对挤出成型的影响
挤出机的挤出压力和温度有密切的关系。挤出温度高,机头压力低,使挤出的型材不密实,因?#35828;?#33268;制品性能缺陷,破坏木粉作为填充剂的优良性质,并且严重影响外观。当机头压力?#31995;?#26102;,制品表面出现条纹,并产生分段现象,挤出不成型,出现物料堆积现象,得不到连续的外观质量好的制品,影响生产的连续?#28020;?#22312;压力许可?#27573;?#20869;,挤出压力越高,挤出制品越密实,挤出质量就?#33014;谩?#23545;排气挤出机而言,机头压力与第二计量段的充满长度有关。该段充满程?#28909;?#20915;于供料量,当充满长度超过排气口时,挤出机的螺杆扭矩上升并且从排气口冒料,影响挤出的稳定,则挤出制品出现“波纹状”,即不稳定的压力使物料不能均匀地流过机头流道,这种时快时慢的熔体流动造成了挤出成型制品中存在着一?#25105;?#27573;的裂纹,严重影响了制品的物理力学性能。
当机头温度下降时,机头压力升高,这时挤出物成型性较好,制品表面较光滑。但机头压力很大时,机头挤出的物?#31995;玫胶?#22909;的冷却,制品较硬,后面还没冷却的物料较软,顶不动前面的硬制品,导致物料大部分在排气口溢出,使机?#21453;?#20379;料不均匀,挤出不稳定,制品表面出现分段的条纹,影响制品外观质量。
所以,合理地增加挤出机的挤出压力,使得熔融物料平稳顺利挤出,既可保证制品的外观质量又可使制品致密、强度高。

3 模具设计
3.1 口模设计

口模是和挤出机接口相连的部件,其主要作用是使熔融物料由旋转运动变为直线运动,产生必需的成型压力,成型出所需截面形状的塑料制品。木塑复合材料模具除以上作用外,还必须在模具的平?#20493;我郧案?#29076;融物料提供足够的压力,以保证物料在挤出机、合流芯、机头等模具人口部分不发泡, 在口模出口部分将机头压力缓慢释放,出口模前在成核剂周围形成均匀的微泡。 异型材机头的流道结构一般分为过渡段、分流段、压缩段和定型段4个部分。
定型装置是用来将物料山高弹态按制品要求最终成型到固态。应考虑到出口模后物?#31995;?#28201;度还很高,在定型模内发泡并未完全停止,物料仍继续膨?#20572;?#26408;塑复合材料冷却收缩?#24335;?#24046;,后期收缩较大。
定型装置分为干湿定型两部分。其中干定型部分即通常所?#26723;?#23450;型模,湿定型部分则是指水箱。
    型材通过定型模时是靠真空吸附使型材与定型模紧密接触,冷却水流经水孔带走热量,与型材完成热交换,使型材冷却,但是型材本身不与水接触。湿定型部分采用浸浴式真空涡流水箱,最大限度地对制品进行冷却和定型。图2、图3分别为定型模和水箱的总装图。

3:3 软件分析


Flow2000是Compu Plast国际公司专为塑料挤出工业开发的工业应用软件。该系统共有12个模块(包括三维流动、挤出机、型材模头、型材冷却等。)现利用异型材模头系统 分析口模设?#21697;?#26696;。异型材口模系统?#33108;?#20110;有限元方法的?#25105;?#24418;状异型材模头的设计和分析,适用于PVC门框窗框型材。现以口模出口处的断面(图4)进行分析,分析过程为:① 输入。将断面?#21363;?#20026;dxf格式并输入;②有限元划分。在编辑几何图形的环境下将断面图划分成小单元,并自动生成网格;③计算。输入材料、设备挤出量、挤出速度等?#38382;?#36827;行计算。计算结果见图5。


3.4 模具方案确定
从图5可看出,由于边界效应,物料靠近模腔外壁和内壁的部分流速较慢,中心部分流速较快,在内筋与主壁的交汇处及拐角处物料流速也较快。
从Flow2000的分析结果看,采用最初的设?#21697;?#26696;,料流基本均匀,能?#29615;?#21512;挤出要求,确定该方案为最终方案。如在调试过程中制品仍有缺陷,可以在调试过程中予以修整。

4 结语
挤出加工是改性塑?#31995;?#37325;要成型方法之一,在挤出加工过程中必然要涉及到加工对象性能的问题。加工物?#31995;?#24615;能不仅对制品的使用性能起着决定性的作用,而且对挤出质量、产量有极大的影响。因此,研究改性塑?#31995;?#24615;能与挤出过程的关系有着重要的现实意义。木塑复合材料挤出技术的挤出过程是非常复杂?#27169;?#24433;响因素很多,工艺、配?#33014;?#27169;具的综合作用造成了变量之间的不确定?#28020;?#26408;塑复合材料挤出技术的关键问题是:①原材料选择(如木粉的品种)及如何提高塑料基体与木粉之间的界面结合力;②成型设备和成型工艺选择③成型模具设计。木塑复合挤出技术是未来最为重要的发展方向之一, 其挤出产品具有很大的市场潜力,但在最终生产出窗用型材之前,还需要很多人的辛勤工作。









 

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