薄型片材挤出生产中的问题及解决方案

作者：Processing Technolog    来源：PT《现代塑料》

欢迎访问e展厅 展厅 2 塑料挤出机展厅 片材生产线, 单螺杆挤出机, 双螺杆挤出机, 板材生产线, 木塑挤出机, ... 在薄型片材的挤出生产中，原材料、辊的构造及工艺条件等众多因素都会对最终的片材质量造成影响。如何成功地避免生产过程中的不利因素，以生产出高品质的薄型片材，是薄型片材挤出生产领域共同面对的挑战。本文详细分析了薄型片材挤出过程中的10大影响因素，并提出了相应的解决方案。 薄型片材和厚型片材的料片有明确的划分标准。通常，双抛光薄型片材与厚型流延薄膜的划分域值为200μm。为了确保在所需厚度上可以实现良好的抛光效果，域值需要根据加工树脂的热物理性能和力学性能而定。 目前，在薄型片材的挤出生产中，挤塑操作人员面临着一些独特的困难和挑战，通常包括以下10个方面。 原材料 一个配置正确的挤出系统可以提供稳定的操作条件，并且能够确保将均匀的熔体输送到片材挤出模头中。在以纯料和再生料为混合物制备原材料的过程中，原材料的多变性为稳定工艺条件和避免不必要的波动(机头压力急剧上升)带来了挑战。 首先，波动的机头压力会对熔体料垄（melt bank，在两个主镀铬夹紧辊之间形成）的均匀性造成不利的影响。通常，压力波动范围在±0.3MPa以内是可以接受的，但是如果压力波动超过这个范围，就会阻碍生产的顺利进行。 其次，在后挤塑过程中会产生各种需要回收的边角料或回用料。如何合理地处理和回收回用料，也是保证高质量生产的关键。因此，根据片材挤出工艺所产生和回收回用料的数量，挤出生产系统需要具备既能够在特定场合中处理大量的回用料，也能在工艺工程中处理较少的回用料的能力，这一点非常重要。 第三，在体积密度方面，与以纯原料和高浓度的厚型回用料为主的混合物相比，由于薄型产品具有很高的回用料含量，因此体积密度的测量变化很可能高达2:1或以上。 为了减少上述因素造成的影响，挤出系统需要拥有一个整体设计良好的进料螺杆，同时还要能够保持稳定的压力与温度，并且在进入片材模头前能够使熔融的流体热均质化。位于齿轮泵进口上游的背压阀可以逐渐增加机头压力，从而确保在加工更高含量的回用料时，进料螺杆的计量螺纹能够被有效地填充。而当低体积密度回用料的数量减少时，也可以对该阀进行相应调节。总体而言，关键是要使片材挤出模头获得均一的熔体压力和熔体均匀性，从而能够精确控制并最大程度地减少位于夹紧辊之间的熔体料垄。 工艺条件/设定值 挤出薄型片材的工艺操作窗口低于厚型片材的工艺操作窗口。当熔体进入辊架时，通过分析熔体料垄是如何存在于夹紧区域的，就可以很容易地对此做出解释。熔体料垄往往冷固较快，使其在主夹紧区域中的体积不断缩小。这种快速冷固会阻碍夹紧区域的流动，进而影响片材的抛光效果。另外，夹紧区域流动性的降低还会导致在主夹紧区域的间隙中形成高的辊载荷。而熔体料垄的快速冷固还会降低其均匀性，并在片材表面形成无光泽的局部区域。导致这种现象的原因是，片材在辊的表面宽度范围内没有得到适当抛光。为了解决上述工艺给生产带来的难题，更高的控制水平就显得至关重要，这也会影响整个生产工作周或工作月的重复性。 除了具备更严格的整体控制水平（从挤出机机筒到模头）外，薄型片材挤出系统还要保证镀铬辊的温度设定足够高，以防止熔体料垄在中间辊上快速冷固。几种常见聚合物的典型熔融温度见表1。 模唇出口到辊距的距离 通常情况下，将尽可能地减小模唇出口到主夹紧辊间隙的距离视为理想的操作条件。通过最大限度地缩短这个距离，能够尽量减小由于熔融聚合物预结皮（快速冷固）和熔体“帘流（curtain）”过度缩颈带来的不利影响。同时，这也有助于提高挤出系统的控制水平和熔体料垄的均匀性。但是，一些条件的存在限制了这种物理距离的减小。片材挤出模头的钝横截面就是其中之一，其他的限制条件还包括外部凸出的模头调幅杆和附件、镀铬辊的物理尺寸(直径)等。 对以上几个影响因素，有其相应的解决方法：首先，在片材挤出模头上使用一种具有柔软波状的装置（contoured body），使其可以与相配的镀铬辊紧密配合；其次，内部和“紧压”垫片调幅杆可用于控制进入夹紧区域的帘流宽度，同时还可以避免模头表面突起，确保间距不至于太宽；最后，可以通过减小引入辊的直径，来达到使间隙最小化的目的。 根据经验及所使用零部件尺寸的不同，从模唇出口到辊距间隙的距离一般在100~200mm范围内。 片材宽度和模头调幅杆 目前，有几种被认可的做法可用来限制熔融聚合物帘流（从片材挤出模头退出并在夹紧辊之间形成滚动的熔体料垄）的整体宽度。除了上面提到的内部和紧压垫片调幅杆外，外部调幅杆也是常用的一种调幅方法。但是，它们突出于片材挤出模头的外表面，往往会增加模头出口到辊距间隙的距离。虽然如此，外部调幅杆可提高辊架的整体线速度，并在“牵伸”现象的作用下降低熔融帘流的宽度。 对于薄型片材的加工而言，通过牵伸来降低片材宽度的方法并不十分理想，因为这会增加熔体帘流和边缘条的厚度，产生更多有待解决的问题。这些问题包括：过度的片材取向和尺寸的稳定性问题。另外，厚边缘条的暴筋使其难以保持熔体料垄的均匀性，最终导致难以在片材的整个宽度范围内进行适当抛光。 辊的构造及质量 想要适应具有更高辊载荷的运行条件，适当的辊设计和构造是必需的。薄型片材的生产需要高品质的辊和一个能够在高辊载荷下精确运行的系统，尤其重要的是辊轴颈和轴承。C1球形圆锥滚柱轴承能够提供非常高的操作精度，产生12.7μm或更小的总指示偏转（TIR）。辊轴和轴承轴颈必须设计合理，同时辊壳的整体构造和式样也必须能够在极端载荷下进行精确旋转，因为在薄型片材的加工中，辊载荷高达175000N/m的生产条件是非常常见的。除此之外，辊的表面处理也是一个重要因素，粗糙的辊表面处理会导致在生产过程中出现问题，而高质量的辊表面处理有助于减少这些问题的产生。通常情况下，推荐进行高度抛光（0.5Ra）的镀铬超级表面处理。 辊的闭合力及夹紧载荷 表2中推荐使用的辊载荷可确保生产出质量一致的薄型片材。另外，推荐在生产中采用一种增强的气动或液压辊驱动方法来获得合适的辊载荷，使辊保持闭合。如果载荷生成不足，会阻碍辊保持所需要的间距，进而导致不良后果。 降低辊的挠曲变形 钢铬辊的整体设计和质量决定了它在特定载荷下被放置时所产生的挠曲变形量（载荷越高，产生的挠曲变形量也越大）。在薄型片材的生产中，与预期的目标厚度相比，挠曲变形的程度有时显得更加重要，因为它可能导致无法进行高品质片材的生产。一个挠曲变形的辊会在片材中心形成相对较高并与挠曲变形形状相一致的暴筋。例如，如果片材的目标厚度是0.254mm，而辊的挠曲变形量为0.0762mm，那么净偏差达到了目标厚度的30％以上，如此大的差异是不能被接受的。对于厚度更薄的片材来说，合理的厚度性能标准要求净偏差在目标厚度的±3％范围内。 有3种较为基本的方法，可以用来抵消辊的挠曲变形带来的不利影响。第一种方法是使用带有预磨曲面的中高辊。虽然这项技术非常有效，但由于曲面的形状是固定的，并且限制了挠曲变形（等同于减少了一个加工窗口），所以此种方法适用的生产范围相对较窄。 第二种方法是使用抗弯曲辊。在抗弯曲辊的设计中，含有使辊向载荷相反方向弯曲的设计，使它能够最大程度地减少挠曲变形带来的影响。但是这种技术在较宽的工作范围内限制了整体的有效性，并且由于弹簧系数和该类辊的设计操作窗口的机械限制，要求辊的载荷低于140000N/m。 最后一种方法是采用辊交叉技术。辊交叉采用了一个十字轴定位装置，该装置限定了辊的挠曲变形量，确保主夹紧辊能够在一个较宽的操作范围内形成均匀的间隙。 尽量减小片材凹陷和下垂 由于重力的作用，熔融帘流会退出片材挤出模头，而挤出模头相对于叠辊机的位置将会对熔融帘流退出模头的方向造成影响。下面介绍几种不同的辊架配置，每种都有其优点和局限性。 首先是垂直辊架，其应用广泛，并且拥有宽泛的多功能性加工操作窗口。但是，当要生产更薄的片材时，它并不是十分理想的配置。这是因为重力对片材的影响非常显著，不仅会导致凹陷和下垂的现象，还会造成中间辊上熔体料垄的快速冷固和预结皮。 第二种辊架配置是J叠层排列辊架，它能够使模头形成接近45°的空间位置。这种排列方法不仅可以降低重力的影响，还可以在料片路径（web path）的作用下，形成一个更大的中心辊抱辊（center-roll wrap）。然而，在这个向上叠层的排列中，料片路径向上横穿过整个辊架，而熔体帘流仍然有下垂到下辊的趋势。 第三种辊架配置是水平辊架。虽然该种配置的辊架被推荐用于生产超薄型片材，但在加工较厚的片材产品时，由于几何形状的原因，使其在操作方面仍然存在一定的局限性。水平辊架的优点是，消除了凹陷和下垂带来的不利影响，并使熔体料垄能够被准确、直接地引入主辊的夹紧位置。不仅如此，水平辊架还能够给操作人员提供更大的操作空间，解决了薄型片材生产过程中，特别是在加工难处理的材料时所遇到的难题。 控制熔体料垄的位置 无论使用哪种辊架配置，要想避免熔体料垄快速冷固和预结皮带来的不利影响，控制熔体料垄的位置是非常重要的。经验丰富的操作人员会根据模唇出口的位置来调整辊架的高度，使熔体料垄能够紧靠着中间辊运行，这样既能够减少快速冷固与预结皮带来的不利影响，同时也能够避免片材出现凹陷与下垂。 精确的速度控制 精确的速度控制对于生产所有树脂类型的高品质薄型片材来说都是必需的，这需要使用良好的数字驱动控制平台，将辊与辊之间的速度协调值控制在设定值的±0.01%。 辊与辊之间辊速的协调一致是确保辊之间最小取向的关键因素。不仅如此，这还有助于平衡辊架的引出速度，减少模头出口处由于牵伸现象带来的不利影响。 在主镀铬辊和拉辊装置之间进行适当的张力控制，可以最大程度地减少片材中不必要的横向方向线（以淡的振痕形式），并可避免在拉伸片材时引入取向。在片材的整个宽度范围内，应该将这种张力值控制在350~700N/m。(end)

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