挤出机头设计与制造----第三节 吹塑薄膜挤出机头设计

第三节  吹塑薄膜挤出机头设计

 吹塑薄膜挤出机头简称吹膜机头,其方法是挤出壁薄的大直径管坯,然后用压缩空气吹涨。吹塑成型可以生产聚氯乙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚胺等各种塑料薄膜,应用广泛。根据成型过程中管坯的挤出方向及泡管的牵引方向不同,吹塑薄膜成型可分为平挤上吹、平挤下吹及平挤平吹三种方法。其中前两种使用直角式机头,后一种使用水平机头。

一、机头结构类型和结构参数

    常用的薄膜机头大致可分为:芯棒式机头、十字形机头、螺旋机头、多层薄膜吹塑机头和旋转机头。

    1.芯棒式机头 如图5-10所示。来自挤出机的塑料熔体,通过机颈7到达9转向90°,并分成两股沿芯棒轴分流线流动,在其末端尖处汇合后,沿机头流道芯棒轴9和口模3的环隙挤成管坯,由芯棒9中通入压缩空气,将管坯吹涨成膜,调节螺钉5,可调节管坯厚薄的均匀性。

图5-10  芯棒式机头

1-芯棒 2-缓冲槽 3-口模 4-压环 5-调节螺钉 6-上机头体 7-机颈

8-紧固螺母 9-芯棒轴10-下机头体

    芯棒扩张角和分流线斜角芯棒扩张角在选取上不可取得过大,否则会对机头操作工艺控制、膜厚均匀度和机头强度设计等方面产生不良影响。通常取=80°-90°,必要时可取=100°-120°。芯棒轴分流线斜角的取值与塑料的流动性有关,不可取得太小,否则会使芯棒尖处出料慢,形成过热滞料分解,一般 =40°-60°。

图5-11 十字形机头

1-机颈2-十字形分流支架 3-锁压盖 4-连杆 5-芯模6-锁母 7-调节螺钉

8-口模 9-机头座 10-气嘴 11-套 12-过滤板 13-机头体 14-堵头

    芯棒式机头结构简单,机头内部通道空隙小,存料少,熔体不易过热分解,适用于加工聚氯乙烯等热敏性塑料,仅有一条薄膜熔合线。但芯棒轴受侧向压力,会产生“偏中”现象,造成口模间隙偏移,出料不均,所以薄膜厚度不易控制均匀。

    2.十字形机头  如图5-11所示,其结构类似于挤管机头。在设计这种中心进料式机头时,要注意分流器支架上的支承肋在不变形的前提下,数量尽可能少一些,宽度和长度也应小一些,以减少接合线。为了消除接合线,可在支架上方开一道环形缓冲朝槽,并适当加长支承肋到出口的距离。

    十字形机头的优点是出料均匀,薄膜厚度易于控制。由于中心进料,芯模不受侧向力,因而没有“偏中”现象。其缺点是:因为有几条支承肋,增加了薄膜的接合线;机头内部空腔大,存料多,不适合于容易分解的物料。

    3.螺旋式机头  如图5-12所示。熔融树脂从机头底部的树脂流人口10进入模体,通过一个由若干个径向分布孔所组成的星形分配器,自分歧点9分成2-8股料流,分别沿着各自的螺槽旋转上升,并从切向流动逐渐过渡为轴向流动。熔料至成型前的5处汇合,然后经缓冲槽4均匀地从定型段挤出。这种机头适合于加工流动性好而不易分解的树脂。

图5-12 螺旋式机头

1-调节螺钉  2-口模  3-定型段  4-缓冲槽  5-合流部分  6-芯模  7-树脂流道

8-模体  9-螺旋分歧点  10-树脂流入口  11-压缩空气进口

   (1)螺旋槽数目见表5-11,主要取决于挤出量和螺旋芯棒的直径。

表5-11 螺旋槽数目与芯棒直径的关系

芯棒直径(mm)

50

100

200

300

螺旋槽数

2

2-4

3-4

4-6

     星形分配器各径向孔的直径取决于树脂类型、熔体指数、加工温度,通常为8-16mm。

 螺槽开始点的深度16-20mm

 螺距16-22mm

 口模定型段高度h为20-25mm, 口模间隙为为0.8-1.2mm

 (2)中心进料孔直径可根据挤出机大小和口模直径按表5-12进行选取。

表5-12 中心进料孔直径与螺杆、口模直径的关系 (mm

螺杆直径

45

65

90

150

口模直径

50-200

150-400

250-800

500-1200

中心进料孔直径

25

25-32

25-32

32-38

    4.多层薄膜吹塑机头  也称复合吹塑机头,是将同种(异色)或异种树脂分别加入两台以上的挤出机,经过同一个模具同时挤出,一次制成多色或多层薄膜。

    (1)模内复合:挤出的各熔融树脂分别导人模内各自的流路,这些层流于模口定型区进行汇合,如图5-13所示。

    (2)模外复合:是在树脂刚刚离开口模时就进行复合的一种工艺,如图5-19b所示。

图5-13 多层薄模吹塑机头

a)模内复合  b)模外复合

1-外层树脂入口  2-内层树脂入口  3-压缩空气入口  4-调节螺钉

图5-14 旋转机头

1-芯模  2-口模  3-齿轮  4-空心轴  5-外模支撑体 

6-机头螺旋体 7-螺旋套 8-绝缘环  9-铜环 10-碳刷 

11-铜环的输电结构;

   在设计多层薄膜吹塑机头时,一般要求机头内的料流达到相等的线速度。其次,对模内复合机头应注意接合部件形状,使之容易加工制造。另外,模外复合机头往往带有引入氧化性气体通道,使两层薄膜之间进行物理和化学的接合。

    5.旋转机头  机理是通过外套或芯棒的转动,对流道中压力和流速不均衡的料层产生一个“抹平”的机械作用,使薄膜超差点均匀地分布到整个圆周上,于是大大改善了薄膜的收卷质量。用旋转机头生产的聚丙烯膜,其厚度公差可达0.0001mm。

    如图5-14所示,芯模l和口模2既可分别单独旋转,又能以同速、异速同向或异向旋转。由一台直流电动机经减速系统将运动传给齿轮,带动空心轴4和芯模1旋转。由另一台直流电动机经减速系统将运动传给外模支持体5和机头旋转体6而带动外模2旋转。芯模1的最高速度为2.5r/min,口模2的最高速度为2r/min。

    旋转机头参数的设定

  1.调节装置 设调节环和调节螺钉,保证机头出料口环形隙缝宽度均匀一致,调节螺钉5应多于6个。

    2.环形隙缝尺寸 =0.4-1.2mm或按18-30倍的薄膜厚度选取,太小时机头内反压力大,太大时又影响薄膜厚度的均匀性。一般薄膜厚度为0.01-0.3mm,应附和吹胀比、牵引比和压缩比。

   (1)吹胀比a 是指吹胀后的泡管膜直径与未吹胀的管坯直径(也叫机头口模直径)的比值,一般取1.5-4.0,工程上常用2-3。增大吹胀比,薄膜的横向强度随之增大,但不能太大,以防吹破。其计算见式(5-8):

                                                   58

式中    a一吹胀比;

        W一膜管压平后的双层宽度(mm)

        d一口模直径(mm)

   (2)牵引比b 指薄膜牵引速度与管坯挤出速度的比值,一般为4-6,增大牵引比,薄膜的纵向强度随之提高,但不能太大,否则难以控制厚薄均匀,直到将薄膜拉断。牵引速度即薄膜牵引辊的圆周速度。

    管坯挤出速度可用单位时间挤出的树脂体积除以口模间隙的截面积求得。其计算见式(5-9)。

                                         (5—9)

式中   V一一管坯挤出速度(cm/min)

     Q一一 膜产率(g/min)

     d一一口模直径(cm)

    一一口模间隙(cm)

    一一 熔融树脂密度(g/cm3)

压缩比:指机颈内流道截面积与口模定型区环形流道截面积的比值,一般应>2。

    (3)定型区长度L一般没经验公式L1=ct而定,t为管材的壁厚,c可参考表5-13。

                    表5-13 定型区长度L1的计算系数

塑料品种

硬聚氯乙烯(HPVC)

软聚氯乙烯(HPVC)

聚乙烯

(PE)

聚酰胺

(PA)

聚丙烯

(PP)

系数c

18-33

15-25

13-23

14-22

14-22

    (4)缓冲槽尺寸 通常在芯棒的定型区开设1-2个缓冲槽,其深度取(3.5-8) ,宽度取(15-30),它的作用是可以用来消除管坯上的分流痕迹。

    (5)避免产生接合缝  芯棒尖到模口处的距离L应不小于芯棒轴直径d的两倍。

二、冷却装置

为了使接近流动态的膜管固化定型、在牵引辊的压力作用下不相互粘结,并尽可能缩短机头与牵引辊之间的距离,必须对刚刚吹胀的膜管进行强制冷却,冷却介质为空气或水。

    1.冷却风环  图5-15所示冷却风环为空气外冷式。它是低速生产时广泛使用的一种冷却装置。它由上下两部分组成,用螺纹连接,旋转上部分可改变出风口间隙,使出风量得到调节。

    一般风环的进风口至少有3个, 由鼓风机送来的空气沿风环切线方向同时进入。风环上下各设一层挡板,对进入的空气起缓冲和稳压作用, 以保证风环口的出风量均匀。风从风环吹出的倾角取40°-50°,一般风环内径为机        图5-15 冷却风环

头直径的1.5-2.5倍.                        1-调节风量用螺纹 2-出风间隙 3-盖 4-风环体                                                

    2.泡内热交换器式空冷装置  图5—16所示泡内热交换器式空冷装置为空气内冷式,它是膜管内装一个圆筒状热交换器,冷却空气从机头芯棒内通入,并强制其循环,以提高冷却效率。这种冷却系统世叫闭式内冷系统。

图5-16 泡内热交换器式空冷装置

 1-挤出机  2-空气进入泡内  3-热交换器  4-排气口5-夹棍  6-外风环  7-机头  8-空气进口及出口

    这种空冷装置的不足之处是,由于膜内的大型冷却构件,使开车时围绕此构件拉起熔体引膜稍微困难,所以要求较高的操作技术水平。

三、成型条件的选择

吹塑薄膜的成型条件主要指生产设备、模具和加工温度等。塑料薄膜的品种、规格不同,其成型条件必然有所区别。

    1.挤出机规格和螺杆形式 首先根据膜管折径选择适当的挤出机。挤出机规格与薄膜尺寸间的关系见表5-14.

表5-14 挤出机规格与薄膜尺寸的关系mm

挤出机规格

薄膜折径

30

<300

45

150-550

65

250-1000

90

350-2000

120-150

>500

在工厂中,有时直接按薄膜用途选择生产设备。

    1)小包装薄膜,选择直径<45mm的挤出机。

    2)工业包装薄膜,选择直径<45一65mm的挤出机。

    3)重包装薄膜和宽幅农膜,选择直径>90mm的挤出机。

    树脂特性和外形尺寸不同,所需螺杆的压缩比也不一样,成型各种塑料薄膜时螺杆的压缩比见表5-15。

表5-15 成型各种塑料薄膜时螺杆的压缩比

薄膜品种

螺杆压缩比

聚苯乙烯

2-4

尼龙

2-4

聚碳酸引

2.5-3

聚氯乙烯 粒料

3-4

粉料

3~5

聚乙烯

3-4

聚丙烯

3-5

    应根据实际情况进行选择,不能用一根螺杆加工各种塑料薄膜,也不能要求每个薄膜品种都配备一根专用螺杆.

    2.机头类型及口模尺寸吹塑机头的结构形式很多,对各种塑料薄膜,除芯棒式机头以外并非都能适用。各种机头的使用范围列于表5—16。

表5-16 成型各种薄膜时机头的选择

                       机头类型

   薄膜品种

芯棒式机头

十字形机头

螺旋机头

聚氯乙烯薄模

△(平吹)

X

聚乙烯薄模

聚丙烯薄模

聚苯乙烯薄模

尼龙薄模

聚碳酸酯薄模

   注:表中符号:○为适用;△为可用;X为不可用。

    通常,薄膜的最终折径W由用户提出,因此机头的选择就决定了吹胀比a。由机头的尺寸选择挤出机,表5-17为口模尺寸与挤出机的配套范围。

表5-17 口模尺寸与挤出机的配套范围 (mm

挤出机规格

口模直径

30

<75

45

65-120

65

100-200

90

150-400

120-150

>220

    为了制取纵横两向强度均衡的薄膜,横向吹胀比与纵向牵引比最好相等。但在实际生产中,常用同一口模靠改变牵引速度来获得不同厚度的薄膜,以便充分利用模具。虽然如此,因为牵引比b是有一定限度的,而吹胀比a也不能超出某种范围,所以根据薄膜厚度t与口模间隙之间的特定关系,就可求出不同厚度薄膜所需的口模间隙。

                                                         (5—10)

                                                        (5—11)

式中  t一 膜厚度(mm)

    一口模间隙(mm)

    a一吹胀比(mm)

    b一牵引比(mm)

   如吹胀比a取1.5-3,牵引比b取4-6,则口模间隙为:

                   

    即口模间隙一般为薄膜厚度的6倍至18倍,对厚膜所需的口模间隙取下限值;反之,取上限值

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