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聚乙烯塑料管材、管件的挤出技术介绍

来源:国际模具网 时间:2008/8/2 11:59:03

聚乙烯塑料主要分两大类:高密度聚乙烯HDPE(低压聚乙烯)和低密度聚乙烯LDPE(高压聚乙烯),高密度聚乙烯是乙烯单体在低压状态下共聚而成,故又称作低压聚乙烯,低密度聚乙烯是乙烯单体在高压状态下共聚而成,所以又称作高压聚乙烯。聚乙烯材料的应用非常广阔,管材领域只是聚乙烯应用领域中其中一个重要方面。由于HDPE和LDPE物理性能上存在差异,所以两种材料在管材应用领域上各有不同:低密度聚乙烯(LDPE)具有良好的柔韧性。但是,抗压耐压强度较低,所以只能用于低压力小直径的管材,它经常被制作成盘管而用于农村改水和一些非长期使用的场合。而高压聚乙烯材料由于具有较好的抗压性能,所以HDPE广泛应用于压力管领域(比如给水、供气、城市排水等)。70年代末,欧美某些化学企业也相继推出了新型的聚乙烯材料MDPE,MDPE的应用尚在推广阶段,这几种材料在给水管领域的应用比例如下(以欧洲国家的应用为例)

近年来,国际标准ISO4427-1996根据管材的最小要求强度(MRS)将管材用聚乙烯材料分为PE32、PE63、PE80、PE 100。也就是说:PE80通俗解释就是:该材料管材在20℃,连续受压50年不破坏,管壁承受最小要求强度是:8。0Mpa,如此类推。

在塑料管发展的初期,聚乙烯压力管材的使用是远小于聚氯乙烯,其主要原因是受到成本的约束,在早期,聚乙烯管材料主要是PE63,高性能、高强度的聚乙烯管材尚未开发成功,而使用PE63以下的管材料,在同样的压力和直径下,聚乙烯管的管壁比聚氯乙烯管厚一倍以上。所以其制造成本远比PVC高,而且只能用在低压下小直径领域。

同样是直径Φ200,同样是1Mpa压力等级,PE63管材壁厚是18。2毫米,而UPVC的管材壁厚是8。7毫米,也就是说,PE63的管材重量是UPVC管材的1。42倍,所以在制造材料成本上,PE63与UPVC相比,在材料成本上无法抗衡。

随着HDPE新材料、新技术的出现,这种成本(重量)上的差异发生了很大的变化,随着第二代聚乙烯管材料(相当于PE80)和第三代聚乙烯管材料(相当于PE100)的出现,在同样直径Φ200同样压力等级及条件下,相同长度的PE的聚乙烯管材重量只是UPVC管材的0。93。

所以,第二代和第三代的聚乙烯管材料不仅显著地提高了PE的最小要求强度,而且也提高了抗环境应力开裂性能,而且具有显著的抗裂缝快速增长能力,更重要的是在同样使和压力下可以减少壁厚,增加输送截面,(例如在10巴压力下输送水,Φ200直径的PE100聚乙烯管比Φ20PE80的聚乙烯管壁厚可以减少33%,输送截面增加16%)。而在同样壁厚下增加所用的压力,提高输送能力(例如:在同样壁厚下输送天然气,使用PE100的聚乙烯管输送压力可以达到10巴,用PE80聚乙烯管输送压力只能达到4巴),随着聚乙烯技术的改进、经济效益是显著的,最近有报道说,第四代聚乙烯管材料PE125已经开发成功,由此可以预测,更大直径,更具经济性的聚乙烯压力管道更具有广阔的使用领域。

2、 PE管材的挤出设备

聚乙烯管材生产线包括挤出主机,管材模头定型装置、定型模具、冷却装置、牵引装置、切割装置、收集装置等部分。联塑机器在聚乙烯管材挤出领域,一直以高速生产高品质的管材为发展方向,对Φ110mm以下的管材生产技术而言,生产速度和生产稳定性显得非常重要,而对Φ110mm以上规格的管材生产技术来说,质量的保证和生产的稳定性和设备的可靠性是最重要的,纵观目前国内企业对大口径(Φ250以上)高压力等级(壁厚较大)的聚乙烯管材的生产技术尚处在起步阶段,对很多企业来说,以高速生产高品质的大口径聚乙烯管材无疑是一个最新的课题。

2.1挤出机

聚乙烯管材挤出生产线的重要核心之一,就是挤出机。对于聚乙烯管材的加工,最广泛使用的主机都是单螺杆挤出机。

单螺杆挤出机是一种已有几十年发展历史的机种,对国内很多企业来说,单螺杆挤出机设计还是运用传统的设计理论为依据,因此,这类型的单螺杆挤出机存在以下缺陷:

低扭矩、低挤出量

高混炼与稳定挤出相冲突

高产量依赖于大直径的螺杆

因此,传统的单螺杆挤出机只能满足PE63以下材料的加工,由于挤出量的限制,生产大口径高压力等级的PE管材比较困难,如果生产Φ400、PN0。8的PE管材,使用传统的机型,必须选择螺杆直径Φ200MM以上的单螺杆主机,这样就增加了设备的加工难度,更重要的是产量/功率的比例就显是太低、耗能太大。

因此,为了达到最佳的熔体质量与制品质量,不断提高生产效率,高品质的单螺杆挤出机必须满足下列的要求:

高扭矩、以保证高挤出量

合理的螺杆直径,极高的挤出量

理想的混炼效果,稳定的高挤出量

严格控制剪切作用,以获得理想的物料温度,防止由于降解与交联导致材料性能的变化

较大的加工适应性

在较小机型在达到较高的挤出量,只有使用斜度沟槽衬套的挤出机才能实现。

这种挤出机配置了一个具有特殊结构的加料衬套,内孔表面具有多条带有斜度沟槽,沟槽的数目和深度同样会影响挤出机的产量,在沟槽的外壳布置一个螺旋环形槽的冷却系统,以实现对喂料区域的温度控制并且与相邻的高温机筒区相隔离。这种结构大大提高效率,因此,在这种系统里,决定整台挤出生产线产量的不是系统的反压,也不是简单加料段的螺槽深度,而是相互配合的输送效率。

为了更好地提高主螺杆的塑化效率,联塑机器首先倡导了一种简称为"双阶式螺杆"。

双阶式螺杆的基本原理就是把两根单独的螺杆所配合而产生的优点结合起来,在这种双阶式螺杆结构中,物料的塑化不全依赖在压缩比的大小,剪切的大小上,而主要体现在物料的混合以及相互的热交换上。

因此,特殊的斜沟槽加料衬套和双阶式螺杆的相互结合,体现了一种全新理念的单螺杆机型,这种机型的优点如下:

突破传统的产能概念可以实现小螺杆高产能的目标

有效地合理控制物料所受的剪切,完成其塑化

提高了挤出机的加工适应性、真正达到一机多用,一杆多用的效果。对于双阶式螺杆系统而言,螺杆机筒的材质应与传统的氮化钢材质有所改进,提高螺杆的抗韧抗弯强度,提高机筒螺杆的滑动效率,材料及工艺处理的方法有两种:一是采用双金属材料;二是采用合金主体烧结特殊合金材料。

体现传统机型与新机型的最直接的反映就是挤出效率的极大幅度的提高,同等直径的单螺杆挤出机,新机型的产量水平是传统机型的二倍。

2.2聚烯烃管材挤出模头

在管材挤出生产中,挤出模头的优劣对产品的品质同样起到非常重要的作用。对于加工聚乙烯材料而言。一种优化的管材挤出模头应满足以下的要求:

一、 物料在模头里可以得到进一步的充分的混合后以均匀的熔体挤出口模。

二、 能提供最恰当的物料在机头内的停留时间,停留时间过短,影响熔融物料的质量,过长则会促使熔融物料的降解和交联,破坏物料原有的物理性能。

三、 能确保物料在机头内保持较低熔体压力和挤出稳定的平衡。

四、 能确保物料在机头内维持较低的料温,以防止物料在机头挤出时产生横向流动和过早地产生氧化效应。

在PE管材的加工领域,使用较广泛的模头结构有:1、螺旋机头;2、篮式机头;3、过滤机头。

2.2.1螺旋机头

螺旋机头的原形来自于PE薄膜的管状模头,其原理就是:熔融物料从主机进入模头,通过若干个星状分配孔,或者通过若干道放射状分布的流道,环绕芯模形成多股的螺旋料流。螺旋机头因而得名。

在这种机头里,有个关键的部件--螺旋分流体,熔体在螺旋分流体的状态直接影响管材的品质。

螺旋机头的设计原理是通过利用多股螺旋分流对主机挤出的物料进行多次的轴向和径向的重叠,以达到充分混合的目的,以期达到高度均匀的挤出熔体。

多股螺旋料流的重叠沿着挤出方向,径向重叠逐渐减少,螺旋分流体与型腔间隙沿挤出方向逐渐增加,轴向流动逐渐成主流。在这个重叠过程中,由于螺旋料流较大程度地改变了主机挤出物料的方向,从而会产生多股料流之间因流动方向相冲击而产生过多的紊流,和沿挤出方向的压力波动,从而会对管材的内壁产生挤出波动,影响管材的品质。

因此,螺旋机头的合理和准确的设计就显得非常困难和掌握。如流道数量,螺旋流道的渐变斜度与宽度,螺旋分流体与型腔之间的间隙变化率等等因素的平衡和分配并不能依赖于理论上的优化设计。因此,机头的修模时间就会变得更长,成功率也会大大降低。

对不同的物料而言,有关螺旋分流体的参数必须加以调整,也就是说对一种设计的螺旋分流体而言,这只能满足特定的某种物料的挤出,改变挤出物料的品种,必须更换螺旋分流体,否则会影响熔物料熔体的质量,因而对螺旋机头而言,加工的适应面较窄是它的突出的缺点。

2.2.2篮式机头

在篮式机头里,同样存在着一个关键的部件--筛篮,在篮式机头上,芯模可以通过支架或带有星状孔的料流导入块固定在机头体上,在工作时熔融物料流过多孔区域,物料的流动方向不是沿轴向流动,而是沿径向从里向外流动,在筛篮区域内熔体料流两次改变流向。首先由轴向变成径向,然后再变成轴向,物料通过此种方式得到混合均化。

然后物料必须通过一个阻滞区域和相邻的松驰缓冲区域,实现料流之间的融合,从而以比较均匀的熔体挤出口模。

在这种结构的模头里,物料在筛篮区域的流动状态直接影响熔体的质量和管材的品质。

由于在篮式机头里,混合元件--筛篮往往设置在机头的芯棒体上,这样限制了筛篮体的直径大小。这种结构使能提供熔体在圆周截面上具有较大的过流面积,但是决定模头混合效果的主要是径间截面的过流面积的大小。因此,篮式机头在混合效果上不足是它的较明显的缺陷。

但是,这种机头在低压挤出的稳定性方面也有它的较好的体现。

2.2.3过滤式机头

在这种机头里有一个关键的核心部件--过滤网板。

在挤出时,熔融物料从主机通过星状分布的多个小孔分成多股料流,然后经过第一个松驰缓冲区进入第一阻滞区域,在这个过程中,熔体的流动速率发生了较大的变化。熔体流动速率的变化会对物料的均化发生较大的促进作用。

物料经过第一个阻滞区域后进入到第二个松驰缓慢区,在这个松驰缓慢区里,特别设置了一个具有极大过流面积的过滤网板。物料在这个过程中再次发生了一次流动速率的变化。物料得到再一次混合后经过核心元件--过滤网板,在过滤网板上设置了1200个以上的过滤小孔,物料由此得到了最充分的混合。

最后物料再经过一个压力阻滞区后挤出口模。

在这种过滤式机头里,物料的流动速率发生多次的变化从而增加了机头的混合效果,再经过过滤网板使料流之间产生重叠。由于在过滤网板上的径向过流面积较篮式模头增大很多,无疑过滤网板在这个区域里起到一个静态混合器的功能。同样,这种机头也是一个低压高混合机头,即使在很高的挤出量状态下,也能实现理想的均化效果,这种机头同样赋予物料的低压和超稳定的流动。因此,对管材的高速挤出特别适合和令人满意,同时这种机头的熔融物料得到足够和充分的热量传递和热量交换。因此,该模头具有较好的适应性能,能满足各种型号物料的高品质管材的挤出。

2.3定型装置

模具中的定型装置是PE管材挤出系统中较主要的部件,熔融物料在定径套内表面被冷却下来从而形成一层固相表层,保证管材获得准确的外径。也保证管材的稳定和正常的牵引和挤出。熔融物料在定型装置的状态和成型条件直接影响管材的内外表面质量,也直接决定着整个挤出系统的稳定性和高速生产的可靠性。

因此,良好的定型装置设计满足以下要求:

--良好的导热性能提供熔融物料在短距离内快速得到充分的表面冷却,冷却速度能保证管材的表面迅速形成固体相的皮层。

--高耐磨性能。

--内表面应具备较高的光洁度。

根据物料的不同和生产速度,质量要求的不同可以选择不同的定型结构,目前较流行的PE管材定型装置主要有两种:圆筒状定径套;片状组合式定径套。

在这两种定型装置,使用最广泛的是圆筒状定径套。它是有较广的适用性能,能满足PE管材的Φ20~Φ630的挤出成型。

对于圆筒状定径套来说,导入水环的水流的稳定性和均匀性直接影响管材的挤出质量,而熔融物料在定径套的冷却速率可以直接影响管材的内壁的品质。

而片状组合式定径套主要针对小口径、高速挤出的PE管材的生产,适用口径范围:Φ20~Φ63MM,根据管材直径和所加工材料的不同,可以达到35M/MIN或更高的挤出速度。

片状定型装置多层薄铜片组成,中间有定径圆孔,外侧由支撑柱固定。每层薄铜片之间的距离按以下规则分布:沿坯料导入方向。距离逐渐增加,在靠近坯料导入端,铜片之间的距离越小,以防止还处于塑化状态的坯料在薄片之间积存和挤压,随着管材表面硬层的形成,铜片之间的距离可以逐渐加大。

合理选择管材的定型装置,对管材的质量和生产的经济性起着较大的作用。

2.4真空定型装置和冷却装置

真空定型装置在PE管材生产线中是较重要的部件,真空定型装置设计的优劣直接影响生产的稳定性和管材内外表面的质量,一个优良的真空定型装置应该满足以下要求:

--能提供强力的冷却能力。

--具有各种生产条件下的稳定的真空度。

--具有稳定的水温水位控制系统。

--具有长期的防腐蚀性能。

对真空定型装置的设计除了考虑以上因素以外,还必须考虑真空定型装置的有效长度,以及能更大限度满足生产经济性要求的真空段的布置,根据联塑机器在该领域多年的探讨

有以下经验参数:

 

管材直径

 

Φ20—Φ50

 

Φ63—Φ160

 

Φ160—Φ400

 

总有效长度

 

6

 

8

 

8

 

真空段数目

 

2

 

2

 

2

 

第一真空段长度

 

1800mm

 

1500mm

 

1200mm

 


在真空定型装置之后,管材还需要进一步的冷却,因此,对现代的聚乙烯管材生产线来说,冷却装置是必不可少的,良好的冷却装置应满足以下要求: --能提供环绕管材的均匀的冷却能力。

--能满足管材足够的冷却长度,使管材通过牵引机后不会破坏管材的圆度。

--稳定的水温水位控制系统。

通常冷却装置有以下二种:

*浸浴式冷却装置

* 强力喷淋式冷却装置

浸浴式冷却装置:管材通过一个装有冷却水的水箱,在这个状态下,管材的整个截面是浸泡在水中,通过管材与水的接触,释放热量从而得到冷却的效果。这种装置较简单,造价低廉,但是对管材的生产会带来以下的弊端。

-冷却效率欠佳,影响管材的生产效率。

-由于管材浸泡在水中时,管材的圆周受到不同水压的作用,从而会导致管材的圆度超差。

因此,理想的冷却装置应以强力喷淋为最佳选择。

2.5牵引装置

由于管材的规格和压力等级的多种性,对牵引装置的要求也有各自的特点,根据多年的挤出设备制造经验,联塑机器目前能提供以下四种类型的牵引装置。

-双履带的牵引装置

-三履带的牵引装置

-四履带的牵引装置

-六履带的牵引装置

合理地选择牵引装置应根据管材的上径为依据,以下是各种牵引装置的最佳应用场合。

2.6切割装置

管材切割装置是生产过程中最后的质量控制环节,理想的切割装置应具备以下条件:

-保证切断的管材截面与轴心线的垂直度。

-保证切断的管材截面的平整度,不允许出现毛边等缺陷。

-满足生产线速度的要求。

目前,国内企业应用较多的切割装置主要是以下几种:

-锯片式切断装置

-行星式切断装置

锯片式的切断装置是最古老的机型,在过去,它常被用来切割Φ110mm管径以下的薄壁管,由于锯片切割很难保证管材截面与轴心的垂直度,而且切断的截面不平整,以及噪音较大等原因,目前处于被淘汰阶段。

行星切割较适合于Φ160mm以上的PE管材,它的原理就是高速旋转的圆盘锯片能围绕管材旋转,旋转一周将管材切断。

联塑机器根据聚烯烯烃管材的生产特点,能提供以下的切断技术。

--无屑刀切装置

--环面刀切装置

--行星切断装置

无屑刀切的原理:一个配置合金刀的特殊装置能在瞬间将Φ63以下的管材快速切断,在这个过程中,不会产生造成浪费的锯未,而且保证切断截面的垂直度和极高的平整度,是目前小口径管材最佳的切断装置。

环面刀切装置的原理有点类似于车床的切削原理,带有多种切削角度的刀具环绕管材旋转切削,经过若干圆周后,将管材切断。这种装置较适合Φ160以下的热熔性能较好的管材的切断,能保证管材切断截面的高平整水平,和高光洁度。

2.7控制系统

为了能有效地监控整个管材生产线的运行参数,实现更经济和更合理的生产状态,一套现代的PE管材挤出生产线应配备以下的控制装置:

*全电脑的控制系统

电脑控制界面能以智能化的程度有效地控制生产线的各项参数,能及时快速地查询故障产生原因,能提供方便的远程交换信息的功能。

*可靠的壁厚测量装置

壁厚测量装置能提供及时的在线管材的厚度,从而通过闭环控制快速调整,从而实现最大限度的生产经济性。

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