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Home >> Technical Articles >>Dynamic Optimization of Extruder Barrel Temperatures
Dynamic Optimization of Extruder Barrel Temperatures
Time: 2009-02-14
擠出的基本機理很簡單:
 
1:一個螺杆在筒體中轉動並把塑膠向前推動。螺杆實際上是一個斜面或者斜坡,纏繞在中心層上。其目的是增加壓力以便克服較大的阻力。就一台擠出機而言,有3種阻力需要克服:固體顆粒(進料)對筒壁的摩擦力和螺杆轉動前幾圈時(進料區)它們之間的相互摩擦力;熔體在筒壁上的附著力;熔體被向前推動時其內部的物流阻力。
牛頓曾解釋說,如果一個物體沒有向一個給定的方向運動,那麼這個物體上的力就在這個方向中平衡。螺杆不是以軸向運動的,雖然在圓周附近它可能橫向快速轉動。因此,螺杆上的軸向力被平衡了,而且如果它給塑膠熔體施加了一個很大的向前推力那麼它也同時給某物體施加了一個相同向後推力。在這裏,它施加的推力是作用在進料口後面的軸承-止推軸承上。
多數單螺杆是右旋螺紋,像木工和機器中使用的螺杆和螺栓。如果從後面看,它們是反向轉動,因為它們要盡力向後旋出筒體。在一些雙螺杆擠出機中,兩個螺杆在兩個筒體中反向轉動並相互交叉,因此一個必須是右向的,另一個必須是左向的。在其他咬合雙螺杆中,兩個螺杆以相同的方向轉動因而必須有相同的取向。然而,不管是哪種情況都有吸收向後力的止推軸承,牛頓的原理依然適用。
 
2.熱原則
可擠出的塑膠是熱塑膠-它們在加熱時熔化並在冷卻時再次凝固。熔化塑膠的熱量從何而來?進料預熱和筒體/模具加熱器可能起作用而且在啟動時非常重要,但是,電機輸入能量--電機克服粘稠熔體的阻力轉動螺杆時生成於筒體內的摩擦熱量--是所有塑膠最重要的熱源,小系統、低速螺杆、高熔體溫度塑膠和擠出塗層應用除外。
對於所有其他操作,認識到筒體加熱器不是操作中的主要熱源是很重要的,因而對擠出的作用比我們預計的可能要小(見第11條原則)。後筒體溫度可能依然重要,因為它影響齒合或者進料中的固體物輸送速度。模頭和模具溫度通常應該是想要的熔體溫度或者接近於這一溫度,除非它們用於某具體目的像上光、流體分配或者壓力控制。
 
3.減速原則
在多數擠出機中,螺杆速度的變化通過調整電機速度實現。電機通常以大約1750rpm的全速轉動,但是這對一個擠出機螺杆來說太快了。如果以如此快的速度轉動,就會產生太多的摩擦熱量而且塑膠的滯留時間也太短而不能製備均勻的、很好攪拌的熔體。典型的減速比率在10:1到20:1之間。第一階段既可以用齒輪也可以滑輪組,但是第二階段都用齒輪而且螺杆定位在最後一個大齒輪中心。
 
在一些慢速運行的機器中(比如用於UPVC的雙螺杆),可能有3個減速階段並且最大速度可能會低到30rpm或更低(比率達60:1)。另一個極端是,一些用於攪拌的很長的雙螺杆可以以600rpm或更快的速度運行,因此需要一個非常低的減速率以及很多深冷卻。
有時減速率與任務匹配有誤--會有太多的能量不能使用-而且有可能在電機和改變最大速度的第一個減速階段之間增加一個滑輪組。這要麼使螺杆速度增加到超過先前極限或者降低最大速度允許該系統以最大速度更大的百分比運行。這將增加可獲得能量、減少安培數並避免電機問題。在兩種情況中,根據材料和其冷卻需要,輸出可能會增加。
 
4.進料擔當冷卻劑
擠出是把電機的能量--有時是加熱器的--傳送到冷塑膠上,從而把它從固體轉換成熔體。輸入進料比給料區中的筒體和螺杆表面溫度低。然而,給料區中的筒體表面幾乎總是在塑膠熔化範圍之上。它通過與進料顆粒接觸而冷卻,但熱量由熱前端向後傳遞的熱量以及可控制加熱而保持。甚至當前端熱量由粘性摩擦保持並且不需要筒體熱量輸入時,可能需要開後加熱器。最重要的例外是槽型進料筒,幾乎專用於HDPE。
 
螺杆根表面也被進料冷卻並被塑膠進料顆粒(及顆粒之間的空氣)從筒壁上絕熱。如果螺杆突然停止,進料也停止,並且因為熱量從更熱的前端向後移動,螺杆表面在進料區變得更熱。這可能引起顆粒在根部的粘附或搭橋。
 
5.在進料區內,粘到筒體上滑到螺杆上
為了使一台單螺杆擠出機光滑筒體進料區的固體顆粒輸送量到達最大,顆粒應該粘在筒體上並滑到螺杆上。如果顆粒粘在螺杆根部,沒有什麼東西能把它們拉下來;通道體積和固體的入口量就減少了。在根部粘附不好的另一個原因是塑膠可能會在此處熱煉並產生凝膠和類似污染顆粒,或者隨輸出速度的變化間歇粘附並中斷。
 
多數塑膠很自然地在根部滑動,因為它們進入時是冷的,而且摩擦力還沒有把根部加熱到和筒壁一樣熱。一些材料比另一些材料更可能粘附:高度塑化PVC,非晶體PET,和 某些最終使用中想要的有粘附特性的聚烯烴類共聚合物。
 
對於筒體,塑膠有必要粘附在這裏以便它被刮掉並被螺杆螺紋向前推動。顆粒和筒體之間應該有一個高的摩擦係數,而摩擦係數反過來也受後筒體溫度的強烈影響。如果顆粒不粘附,它們只是就地轉動而不向前移動--這就是為什麼光滑的進料不好的原因。
 
表面摩擦並非影響進料的唯一因素。很多顆粒永遠都不接觸筒體或螺杆根部,因此在顆粒物內部必須有摩擦和機械與粘度連鎖。
 
帶槽筒體是一種特殊情況。槽在進料區,進料區與筒體其餘部分是熱絕緣的並是深度水冷的。螺紋把顆粒推入槽內並在一個相當短的距離內形成一個很高的壓力。這增加了相同輸出較低螺杆轉速的咬合允量,從而前端產生的摩擦熱量減少,熔體溫度更低。這可能意味著冷卻限制吹制膜生產線中更快的生產。槽特別適合於HDPE,它是除過氟化塑膠之外最滑的普通塑膠。
 
6.材料的花費最大
在某些情況下,材料成本可以占到產成本的80%--多於其他所有因素之和--除過少數品質和包裝特別重要的產品比如醫用導管。這個原則自然引出兩個結論:加工商應該盡可能多地重複使用邊角料和廢品來代替原材料,並盡可能嚴格地遵守容差以免背離目標厚度及產品出現問題。
 
7.能源成本相對來說並不重要
儘管一個工廠的吸引力和真正問題和上升的能源成本在同一水平線上,運行一台擠出機所需的能源仍然是總生產成本中很少一部分。情況總是這樣的因為材料成本非常高,擠出機是一個有效的系統,如果引入了過多能量那麼塑膠就會很快變得非常熱以致于無法正常加工。
 
8.螺杆末端的壓力很重要
這個壓力反映螺杆下游所有物體的阻力:過濾網和污染紮碎機板、適配器輸送管、固定攪拌器(如果有)以及模具自身。它不但依賴於這些元件的幾何圖形還依賴於系統中的溫度,這反過來又影響樹脂粘度和通過速度。它不依賴於螺杆設計,它影響溫度、粘度和通過量時除外。就安全原因來說,測量溫度是很重要的--如果它太高,模頭和模具可能爆炸並傷害附近人員或機器。
 
壓力對於攪拌是有利的,特別在單螺杆系統的最後區域(計量區)。然而,高壓力也意味著電機要輸出更多的能量--因而熔體溫度更高--這可以規定壓力極限。在雙螺杆中,兩個螺杆相互咬合是一種更加有效的攪拌器,因此用於這種目的時不需要壓力。
 
在製造空心部件時,比如使用支架對核心定位的蜘蛛模具製造的管子,必須在模具內產生很高的壓力來幫助分開的物流重新組合。否則,沿焊接線的產品可能較弱並且在使用時可能出現問題。
 
9.輸出=最後一個螺紋的位移+/-壓力物流和洩漏
最後一個螺紋的位移叫做正流,只依賴於螺杆的幾何形狀、螺杆速度和熔體密度。它由壓力物流調節,實際上包括了減少輸出量的阻力效果(由最高壓力錶示)和增加輸出量的進料中的任何過咬合效果。螺紋上的洩漏可能是兩個方向中的任意一個方向。
 
計算每個rpm(轉)的輸出量也是有用的,因為這表示某時間螺杆的泵出能力的任何下降。另外一個相關的計算是所用每馬力或千瓦的輸出量。這表示效率並能夠估計一台給定電機和驅動器的生產能力。
 
10.剪切率在粘度中起主要作用
所有普通塑膠都有剪力下降特性,意思是在塑膠運動得越來越快時粘度變低。一些塑膠的這個效果表示得特別明顯。例如一些PVCs在推力增加一倍時流速會增加10倍或更多。相反,LLDPE剪力下降得不是太多,推理增加一倍時其流速只增加3到4倍。減少了的剪力降低效果意味著擠出條件下的高粘度,這反過來又意味著需要更多的電機功率。這可以解釋為什麼LLDPE運行時溫度比LDPE高。流量以剪切率表示,在螺杆通道中時大約是100s-1,在多數模具口型中是100和100s-1之間,在螺紋與筒壁間隙和一些小模具間隙中大於100s-1。熔體系數是粘度的一個常用的測量方法但卻是顛倒的(比如是流量/推力而不是推力/流量)。可惜,其測量是在剪切率在10s-1或更小時而且在熔體流速很快的擠出機中可能不是一個真實的測量值。
 
11.電機與筒體對立,筒體與電機對立
為什麼筒體的控制效果並非總是和期望的一樣,特別是在測量區內?如果對筒體加熱,筒壁處的材料層粘度變小,電機在這個更加光滑的筒體內運行需要的能量更少。電機電流(安培數)下降。相反地,如果筒體冷卻,筒壁處的熔體粘度增大,電機必須更加用力地轉動,安培數增加,通過筒體時除去的一些熱量又被電機送回。通常,筒體調節器的確對熔體產生效果,這是我們所期望的,但是任何地方的效果都沒有區域變數大。最好是測量熔體溫度來真正瞭解發生了什麼情況。
 
第11條原則不適用於模頭和模具,因為那裏沒有螺杆轉動。這就是為什麼外部溫度變化在那裏更加有效。可是,這些變化是從裏到外因而不均勻,除非在一個固定攪拌器中攪勻,這對於熔體溫度變化以及攪拌都是一個有效的工具。
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