振动技术在塑料挤出成型中的应用

1、前言 塑料在加工过程中，由于不可避免的内部应力不一致、结晶差异和流体的非牛顿性等使制品产生一些缺陷，诸如熔接痕、鳖鱼皮症（熔体破裂）等。为了避免或者减少这些缺陷，研究者试图通过改变加工条件探索出新的塑料加工方法。将振动力场引人塑料加工过程就是一种新的塑料加工方法。最初只是将振动技术用于实验研究，主要用在流变仪测量聚合物熔体的粘度；随后研究者们开始在挤出机机头上施加振动来改善挤出过程；1990年，华南理工大学瞿金平教授从换能方式入手，将电磁场引起的机械振动力场引入聚合物塑化挤出的全过程，提出了聚合物动态塑化挤出、直接电磁换能、机械结构集成化等新概念和原理，成功研制了塑料电磁动态塑化挤出设备。将振动力场引人到聚合物加工过程，提高了聚合物的力学性能。本文主要介绍了振动技术在塑料挤出成型中应用的进展，并以高分子链及其链段运动理论为依据分析说明了振动力场在挤出成型中的作用机理。 2、振动技术在塑料挤出成型中的应用 2.1在机头上引入振动 2.1.1机械振动 将低频率的机械振动引入聚合物的挤出成型中，通过一定的机械装置，将来自低频振动源的振动传递到聚合物挤出成型的流道壁面（边界）上，从而在聚合物的挤出过程中引入了机械振动力场。 1—挤出机；2—锥形过渡段;3—振动段；4—挤出出口段 J.Casulli和J.R.Clermont研究了通过在挤出机机头处的口模部分，叠加上纵向或横向的机械振动，对聚合物熔体的挤出过程和成型制品性能的影响。他们选用低密度聚乙烯(LDPE)、高密度聚乙烯（HDPE)和聚苯乙烯(PS)作为实验材料，实验设备采用Bra-bender卧式挤出机或Scamia立式挤出机，其结构组成如图1所示。在工作过程中，振动段3借助滑动和转动轴承可以在纵横两个方向上自由振动，两台伺服电机（图中未画出）分别精确控制振动段的振动频率与幅值。聚合物熔体在较短的挤出口模段中的停留时间为2s-3s，这远低于熔体的松驰时间，因而由于振动而产生的结构性能变化在离开该稳定段后仍将保留在材料当中。实验中，纵向振动的幅值变化范围为O~3Omm，值变化范围为0~35mm，频率的变化范围也为0 ~50Hz。 研究表明：叠加振动后，挤出物的机械性能得到了显著的提高，断裂伸长率可增大150％，拉伸强度可增大70％；同时，还减小了出口处的挤出胀大。力学性能得以提高的原因，可能是振动促进了聚合物材料高分子链的取向。在振动场的作用下，挤出体积流率增大，机头的压力降低，单位量的挤出物功率消耗（即单耗）减小，与不施加振动时系统的功耗相比，在一定的振动频率和幅值条件下，振动系统的节能可高达25％。无论是施加纵向还是施加横向的机械振动，均能够提高挤出物的机械性能，降低机头的压力，增加流动速率。总的来说，施加纵向振动的效果要比施加横向振动的效果更为显著。 M: L. Fridman和S.L.Peshkovsk采用如图2所示的振动挤出装置，以聚乙烯(PE)和聚丙烯(PP)为实验材料进行了大量的实验研究，用以探讨机械振动 1—单螺杆挤出机；2—过渡段；3—芯棒支承；4—可更换芯棒尖端；5—对中螺栓；6—旋转芯棒；7—滑动轴承；8—支承轴肩；9—铸铁套；10—加热器；11—热电偶： 的频率和幅值对聚合物熔体挤出过程的影响规律。其中，机头内的螺旋芯棒能以25Hz的频率往复旋转振动，通过在机头上引人这种低频小振幅（摆角θ＜22.3。）的机械振动后，挤出机的机头压力和产量均产生了显著变化。在相同的操作工艺条件下，相对于原来没有引人机械振动力场以前的挤出机，挤出特性得以改善：随着振幅的增大，机头的压力可降低20％～30％，单位时间的产量提高1.4~2.0倍，单耗也相应减小。由此可以说明：低频机械振动可使挤出过程中聚合物熔体的有效粘度减小；而且，通过测试挤出试样的物理机械性能，还发现随着振幅的增大，其物理机械性能也有所提高。不过，振幅对挤出特性的改善是有限的，也就是说幅值不能超过某一量值。实验发现：当振幅超过某一阈值时（比如当0>22.3°时），再进一步提高振动的幅值，机头压力、挤出流率则保持在一定的水平上，单耗也无明显变化。 C.M.Wong和C.H.Chen研制出的机械振动挤出系统，如图3所示。这里利用偏心机构将电动机轴的旋转运动转化为挤管机头内表面在平行于聚合物熔体挤出方向上振动。实验结果表明：在平均挤出流率相等的条件下，随着振动强度（振动的频率与幅值之乘积）的增大，机头的压力降低，出口处熔体的温度升高。实际上，机头压力的降低和熔体温度的升高都是振动场的频率和幅值的函数；而且还发现，在垂直于挤出方向上（横向）与在平行于挤出方向上（纵向）施加振动的效果是相类似的。 2.1.2超声振动 1990年，由A.I.IsayevE51等研制出的超声波振动挤出系统，其结构组成如图4所示。其中，机头包括一个专门的转换器和产生纵向振动的扬声器，在圆形口模内平行于挤出方向上叠加了超声波振动。应用超声波振动的主要目的是对传递波的介质（比如聚合物熔体）产生作用，通过不同设计的超声振动件弹性振荡使介质获得周期性的剪切和体积应变，这种振动件同时又可以作为挤出机机头内的成型元件。超声波在介质中引起搅动、空化作用（空穴），并产生化学作用和机械作用。实验结果表明：由于超声波振动的作用，使得机头的压力降低，同时出口膨胀（挤出胀大）减小；并且，在相同挤出流率的条件下，频率越高机头的压力越小，振幅越大机头的压力也越小；不过，振幅的增加比频率的增加要更为有效。机头压力减小的程度与聚合物材料及操作工艺条件有关，但总的情况是，高频比低频及较大振幅比较小振幅使机头压力的减小更为显著。而且A.I.Isayev分析认为，机头压力的降低，在低频时只是由于粘弹效应的作用，而在高频时则是由于温升和粘弹效应两者共同作用的结果。 1—超声波发生器；2—连接套；3—模头；4—熔体；5—挤出机 总之，在聚合物挤出加工的机头上，通过施加不同形式的机械振动或超声波振动，在主剪切流上叠加了一个附加的交变应力，强化了聚合物在加工中的物理和化学变化过程，从而改变了聚合物熔体的流变状态；同时，周期性的剪切振动还产生大量的耗散热，导致熔体的表观粘度减小，挤出熔体所要求的压力降低，挤出流率增大，挤出过程中所消耗的功率降低，而且出口处的挤出胀大减小，并能够提高成型制品的物理机械性能。