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电线电缆挤塑工序工艺流程控制知识

发布时间:2019-7-23

 1、引言

  在生产电线电缆金属导体外部包裹塑料的时候,需要经过一套有颗粒状固体到软体液体的混合物的过程,这一过程就叫挤出,也叫挤塑

  2、挤塑过程中的影响因素

  挤出过程的工艺条件对制品的产量和质量影响很大,特别是塑化过程,更直接影响制品的性能和外观,影响这一过程的主要因素是温度和机械剪切作用。

  2.1挤塑温度

  在塑料的挤出过程中,物料聚集态的转变及决定物料流动的粘度都取决于温度,因此,温度是塑料挤出工艺中最重要的工艺参数。

  由于温度影响着塑料的熔融过程和熔体的流动性,因此挤出温度就和挤出制品质量有着密切的关系。为使固体物料熔化为进行挤出加工的粘流态,挤出物的温度应高于物料的粘流温度(或熔点),而且加工温度还不应使物料出现大量分解,因此挤出温度上限为不能高于物料的最高稳定温度,如熔融态聚乙烯稳定的温度范围较宽,则有较宽的加工温度;而聚氯乙烯的稳定温度范围很窄,故加工温度范围也较窄,为提高材料的热稳定性,在树脂中加入稳定剂以提高最高稳定温度。

  因为聚合物的挤出温度是一个较大的范围,靠近温度下限和接近温度上限都可以完成塑料的挤出,低温挤出和高温挤出各有所长。

  低温挤出有如下优点:保持挤出塑料层的形状比较容易,由于挤包层中热能较小缩短了冷却时间;此外温度低还会减少塑料降解,这对容易产生热降解的塑料(如聚氯乙烯)尤为重要,同时对挤出过程易发生其它物理化学变化(如交联聚乙烯挤出温度高时容易发生先期交联,发泡制品易出现发泡度低)的塑料也很重要。但挤出温度低,临界剪切应力、临界剪切速率值也低,会使挤包层失去光泽,并出现波纹,不规则破裂等现象。另外温度低,塑料熔融区延长,从均化段出来的熔体中仍夹杂有固态物料,这些未熔物料和熔体一起成型于制品上,使挤出层性能下降。

  温度对产品的物理性能影响是复杂的,电缆用乙烯类塑料绝缘层抗张强度与挤出温度有关,对应于最大的抗张强度有一最佳的挤出温度,有关实验结果如表1

表1

  表1

  有研究指出,提高低密度聚乙烯护套的挤出温度,能提高抗应力开裂强度,但也应指出,挤出温度过高,易使塑料焦烧,或出现“打滑”现象;另外,挤包层的形状稳定性差,收缩率增加,甚至会引起挤出塑料层变色和出现气泡等。

  挤出物料的热量来自机筒加热和螺杆旋转剪切的粘性耗散和摩擦,前者在运行初期是很重要的,后者在运行稳定后则是主要的,升高机筒温度很自然地会增加机筒传递给塑料的热量,在挤出稳定运行之后,螺杆旋转剪切的粘性耗散和摩擦热量常常会使塑料达到或超过所需温度,此时机内控制系统切断加热电源,挤出机进入“自然挤出”过程,并应视情况对机筒和螺杆进行冷却。实践经验指出,冷却螺杆还有助于改善挤出质量,但同时也会降低了挤出流率。改善质量是由于冷却使螺杆均化段的有效槽深减少,增加了剪切作用。

  机筒设置温度和螺杆转速之间还有以下的相互影响:机筒温度升高,增加了机筒到物料的热传导,有利于物料的熔融。熔体温度升高使熔体粘度降低,使螺杆旋转产生的摩擦剪切热降低,趋向降低熔融速率,因此,对应于最大的熔融速率存在最佳的机筒温度,机筒温度升高,会使螺杆所需功率降低。

  由于塑料品种的不同,甚至同种塑料由于其结构组成的不同,其挤出温度控制不尽相同,表2列出了电线电缆生产中几种常见的塑料的挤出温度,应说明,表中操作温度的比较,只有对同一设备才有意义,设备不同,机筒壁厚薄不一样,测温点的深浅不一样,仪表误差不同,而且测温点是在机筒和机头外壁上,未深入熔体中,因此测得的实际机筒和机头的温度,与物料的实际温度也存在差异,因此,挤出过程中应随时观察塑料的塑化质量,并调节温控。

表2

  表2

  采用这样温度设置的原因是:

  1)加料段采用低温,这是由于加料段要进行机械剪切并搅拌混合,形成固体塞,为熔体挤出产生足够的推力,如温度过高,使塑料早期熔融,不但导致挤出过程中的分解,而且引起“打滑”,造成挤出压力波动,导致挤出量不均匀,并因过早熔融,而致混合不充分,塑化不均匀,所以这一段采用低温。

  2)熔融段的温度要有大幅度较大的提高,在该段塑料要实现聚集态的转变,变为粘流态的熔体,需要大量的热量,只有达到一定的温度才能确保大部分组分得以塑化。

  3)均化段温度最高,塑料在熔融段已大部分塑化,而其中小部分高分子组成尚未完全塑化,就进入均化段,这部分组成尽管很少,但其塑化是必须实现的,这部分组分的塑化的温度往往需要更高,因此,均化段的挤出温度有所升高是必须的,有时候(在挤出稳定之后),可以维持不变,而赖以塑化时间的延续,实现充分塑化。

  4)机脖的温度要保持均化段的温度或稍微降低,这是因为此处要完成将旋转运动的塑料熔体转变为平行直线运动,并将熔体均匀、平稳地导入机头中。在此处滤网、多孔板上的孔将塑胶体分散为条状物,在进入机头时必须在其熔融态下将其彼此压实,显然温度下降太多是不行的。

  5)机头承接已塑化均匀且由机脖压实的熔体塑料,起继续挤压使之密实之作用,塑胶在此有固定的表层与机头内壁长期接触,若温度过高,势必出现分解甚至焦烧,特别是在机头的死角处,因此机头温度一般要下降。

  6)在模口处温度升高、降低都有实例,一般模口升高可提高表面质量,使表面光亮,但模口温度过高,易造成表层分解,更易导致成型冷却困难,使产品难于定型,形成下垂自行形变或压扁变形。模口温度降低,降低了表层分解的可能性,便于冷却成形,但易出现表面无光泽,光洁度变差等现象。

  因此,尽管各种塑料的挤出温度控制的高低不一,但都有一个普遍的规律,即从加料段起到模口止,都有一个温度从低—高—低的变化规律。如果挤出过程中温度控制得不合适,塑料就会产生很多缺陷,影响挤出制品质量。

  2.2、螺杆转速

  由挤出物料输送和均化段粘流体的流率分析可知,塑料流率(即挤出速度)和螺杆转速成正比,由于调节方便,螺杆转速是挤出过程中表征挤出速度的重要操作变量。因此,在一般情况下,提高螺杆转速是提高生产速度,实现高速挤出的重要手段,但通过对塑料熔融长度分析得知,螺杆转速增加,一方面由于增强剪切作用,使剪切摩擦热量增加;另一方面,在没有机头压力控制的情况下,螺杆转速增加。流率增加,物料在机内停留的时间缩短,导致塑料塑化程度下降。而且后者的影响超过前者,会因熔融长度延长至均化段而破坏正常的挤出过程。所以,需要增加螺杆转速来提高挤出速度时,还必须提高加热温度或采用控制机头压力来提高塑料的塑化程度,以保证高速挤出时塑料挤出质量。

  2.3、牵引速度

  挤包制品是由牵引装置拖动通过机头的,为保证产品的质量,要求牵引速度均匀稳定,与螺杆转速协调,以保证挤出厚度和制品外径的均匀性。如果牵引速度不稳定,挤包层易形成竹节状,而牵引过慢时挤出厚度大,且发生堆胶或空管现象;牵引速度过快,易造成挤出拉薄拉细,甚至出现脱胶漏包现象。所以,正常挤出过程中,一定控制好牵引速度。

  2.4、冷却

  挤塑工序中,冷却是很重要的一项。一般分为螺杆冷却、机身冷却及产品冷却。

  螺杆冷却的作用是消除摩擦过热,稳定挤出压力,促使塑料搅拌均匀,提高塑化质量。

  机身冷却的作用是增加机筒散热,以克服摩擦过热形成的温升,因为这一温升在挤出过程中,甚至在切断加热电源后也不能停止,从而使合理的温度不能得以长期维持,必须增加散热,使机筒冷却下来,以维持挤出过程中的热平衡。机身冷却是分段进行的,主要以风机冷却为主,考虑到机身各段功能不同,对均化段冷却的使用尤其注意。

  产品冷却是确保制品几何形状和内部结构的重要措施。塑料挤包层在离开机头后,应立即进行冷却,否则会在重力作用下发生变形。对于聚氯乙烯等非结晶材料可以不考虑结晶的问题,塑料制品可采用急冷方式用冷水直接进行冷却,使其在冷却水槽中冷透,不再变形。

  3、聚乙烯、聚丙烯等结晶聚合物的冷却

  对于聚乙烯、聚丙烯等结晶型聚合物的冷却,则要考虑到结晶问题,就通常情况而言,当聚乙烯厚度较薄或加工温度较低时,因为冷却迅速、充分和均匀,一般出现问题少。但在挤出厚度较大(如:电力电缆的护套厚度大多在2.0mm以上,JKLY-10型电缆的绝缘厚度为3.4mm)、挤出温度较高(如:线性低密度聚乙烯为180~220℃,高密度聚乙烯为190~260℃),若冷却工艺处理不当就容易出现问题。聚乙烯加工工艺控制主要从塑化挤出和冷却两方面来控制。聚乙烯成型加工温度宽,但在低温挤出时易形成熔体破裂,造成表面粗糙,光亮度差,还会产生残留的内应力,导致绝缘或护套后期的开裂。因此聚乙烯挤出温度要适当高些,以保证充分塑化塑化越好,其耐环境应力开裂性能就越优良。但挤出温度的提高会对电缆表面质量带来了一些负面影响,易形成表面缺陷,影响电缆表面质量,严重时造成废品。一般我们采取以下措施进行改进:①高温到室温分段冷却的第一段冷却水温选为60—70℃,以手可以伸入水中但停留片刻即感觉烫手为宜,这样既可避免因水温过低骤冷使聚乙烯产生内应力,又可避免水温过高,在聚乙烯表面形成气泡,产生凸起。②冷却水循环过程中,向水槽加水要特别注意,宜采用大口径、低流速加水,并且水不能直接冲到产品表面,最好沿水槽壁缓缓流下。③在产品入水后约半米处增加一个去除气泡的装置,如用软毛刷或细棉纱触刷产品表面,拂去附着的气泡,保持产品表面光洁。④在循环水中加入消泡剂,避免气泡的形成。

  通过实践证明,按照以上措施对挤塑生产线水冷却部分进行了改进:冷却水槽向机头延伸,使电缆出机头后在空气中暴露不到一米即整体进入冷却水中;在水槽中增加了除气泡的软毛刷;控制冷却水的分段冷却温度,温度设定为60℃一70℃;并加快了生产节奏,减少线芯存放时间。改进后,生产的产品表面光洁,极少出现凹坑等表面缺陷。

  4、结束语

  在生产过程中,我们只有了解挤塑设备及塑料属性,然后经过细心调试,才可能生产出符合要求的产品,如果在这过程中,出现像上述类似质量缺陷时,我们不妨用介绍方法进行故障寻找与解决,希望对同行有所帮助。

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