硬質(zhì) PVC 結(jié)皮發(fā)泡板的加工工藝研究
硬質(zhì) PVC 結(jié)皮發(fā)泡板的加工工藝研究
引 言
硬質(zhì) PVC 結(jié)皮發(fā)泡板是以聚氯乙烯(PVC)為主要原料,經(jīng)過特殊發(fā)泡工藝制成。它作為以塑代木的典型新型化學建材產(chǎn)品之一,由于其密度內(nèi)部有細微泡孔結(jié)構,表面類似于天然木材,是一種十分理想的綠色環(huán)保建筑裝飾材料,可廣泛應用于車船制造、家具、廚衛(wèi)材料、裝飾裝修等行業(yè),市場需求量大 [ 1-2 ] 。國內(nèi)對硬質(zhì) PVC 低發(fā)泡的管材和型材生產(chǎn)線及微發(fā)泡或自由發(fā)泡板生產(chǎn)線的研究較為深入,但對專用硬質(zhì) PVC 結(jié)皮發(fā)泡板的配方、工藝、設備的研究相對較少。由于工藝隨物料、擠出機、模具的變化而變化,物料不同,擠出機規(guī)格與螺桿結(jié)構不同,擠出的型材規(guī)格與形狀不同,所采取的工藝調(diào)整方法有很大區(qū)別。硬質(zhì) PVC 擠出過程本身的復雜性決定了實現(xiàn)結(jié)皮發(fā)泡成型的困難性,PVC 結(jié)皮發(fā)泡板材質(zhì)量與螺桿轉(zhuǎn)速、擠出溫度、擠出壓力及機頭、口模、冷卻定型模結(jié)構等多種因素有著直接關系。因此要獲得良好性能的硬質(zhì)PVC 板材,必須有先進的板材生產(chǎn)線設備及合適的結(jié)皮發(fā)泡加工工藝。
1 硬質(zhì) PVC 結(jié)皮發(fā)泡板生產(chǎn)工藝流程及設備
1.1 生產(chǎn)工藝流程
硬質(zhì) PVC 結(jié)皮發(fā)泡板生產(chǎn)工藝流程如下:PVC 樹脂+助劑→高速混合→低速冷混→錐雙螺桿擠出→口模賦形(結(jié)皮發(fā)泡)→冷卻定型→多膠輥牽引→切割制品→收集檢驗。生產(chǎn)的硬質(zhì) PVC 結(jié)皮發(fā)泡板制品規(guī)格為 1 220 mm×2 440 mm,制品厚度為 8~32 mm。
1.2 生產(chǎn)線布置
新研 制 的 硬 質(zhì)PVC 結(jié)皮發(fā)泡板材生產(chǎn)線。該生產(chǎn)線的核心部件是擠出機、模具、冷卻定型裝置、牽引切割裝置及控制系統(tǒng)。擠出機系統(tǒng)采用 SJZS-80 型異向錐形雙螺桿擠出機,機筒、螺桿、動力傳動系統(tǒng)設計符合工藝特點,擠出量大,物料剪切均勻,擠出效率高;模具系統(tǒng)采用結(jié)皮發(fā)泡板專用衣架式流道結(jié)構模具,可調(diào)模唇,使物料擠出發(fā)泡均勻并適應不同厚度的板材;冷卻定型系統(tǒng)采用 4組壓板式結(jié)構,氣壓系統(tǒng)控制,使板材尺寸精度控制簡便;冷卻系統(tǒng)設計的管路使板材冷卻更加均勻和定型快速;牽引切割系統(tǒng)采用輥筒式組合牽引機,使牽引力測量調(diào)節(jié)簡便,輥筒牽引機與寬幅切割機電氣同步控制,使板材切口平直。生產(chǎn)線采用擠出機組全線聯(lián)機智能控制,以PLC 系統(tǒng)為主要控制手段,利用溫度和壓力等傳感器與高精密的氣動控制系統(tǒng)聯(lián)合實現(xiàn)壓力、溫度等參數(shù)的閉環(huán)反饋控制,實現(xiàn)過程參數(shù)的精密控制。
2 硬質(zhì) PVC 結(jié)皮發(fā)泡板生產(chǎn)工藝參數(shù)的設置
2.1 硬質(zhì) PVC 結(jié)皮發(fā)泡成型原理
硬質(zhì) PVC 發(fā)泡制品利用化學發(fā)泡劑發(fā)泡成型。發(fā)泡劑與其分解氣體在熔體擠出口模前溶于熔體,擠出口模后,熔體內(nèi)壓力溫度下降,使溶于熔體的氣體過飽和而發(fā)生相分離,形成大量微泡孔而發(fā)泡,表層氣泡在冷卻定型模的急劇冷卻作用下來不及膨脹就被固定下來,在表面形成密度較高且光潔的結(jié)皮層,從而生產(chǎn)出結(jié)皮發(fā)泡板。低發(fā)泡成型工藝有自由發(fā)泡、向內(nèi)發(fā)泡與受限發(fā)泡、共擠發(fā)泡 4 種工藝 [ 3 ] 。本文介紹的硬質(zhì) PVC 結(jié)皮發(fā)泡板材采用受限發(fā)泡工藝,如圖 2,熔體從衣架式口模 1 離開自由發(fā)泡,隨后導入與口模尺寸相近的冷卻定型模 2,立刻在板材表面強制冷卻,壓制板材表面區(qū)域發(fā)泡(即結(jié)皮),獲得表面相對堅硬的發(fā)泡半成品,經(jīng)過冷卻區(qū)后由牽引裝置牽引進入壓輥裝置,為補償板材后續(xù)的冷卻收縮,冷卻定型裝置尺寸大于板材厚度約 1%,按冷卻定型模冷卻強度不同,板材結(jié)皮厚度控制在 0.1~1.0 mm 之間變化。
2.2 工藝參數(shù)的設置
硬質(zhì) PVC 結(jié)皮發(fā)泡板的擠出加工工藝條件比常規(guī)的 PVC 管材和型材的加工條件苛刻得多 [ 3 ] 。硬質(zhì) PVC結(jié)皮發(fā)泡擠出工藝的關鍵是發(fā)泡劑的分解與成核,氣泡的成長與固定等過程與 PVC 熔體的塑化與成型過程相適應。需要嚴格控制螺桿轉(zhuǎn)速、擠出溫度、壓力等來實現(xiàn),同時還跟機頭、口模、定型模結(jié)構有密切關系。
2.2.1 混合工藝
由于異向雙螺桿擠出機的混合混煉功能弱,因此在擠出之前要設置配料、熱混、冷混料工序。本生產(chǎn)線采用SRL-Z 系列熱冷混合機組進行混料。物料的混合工序是十分重要的,物料混合質(zhì)量的優(yōu)劣將直接影響著擠出成型過程及板材外觀與內(nèi)在的質(zhì)量。物料混合溫度過高或過低,會導致物料提前分解或塑化不良。因此混料程序和溫度的控制是混合工藝的關鍵。一般生產(chǎn)投料順序為 PVC、穩(wěn)定劑、內(nèi)潤滑劑、加工助劑、填料、外潤滑劑、鈦白婁。投入量
約為熱混筒有效容積的 60%,高速熱混溫度控制在 110~120℃范圍內(nèi)進行 5~10 min,冷卻混合水溫在 15~20℃以下,冷混的物料 5~10 min 后在 35~40℃時從混合機放出。
2.2.2 擠出工藝
1)擠出溫度。為獲得泡孔致密均勻、表面平整光潔的硬質(zhì) PVC 結(jié)皮發(fā)泡板材,在生產(chǎn)中應嚴格控制各區(qū)間的溫度。如果機筒和螺桿溫度過高,物料容易提前發(fā)泡造成熔體破裂,板材表面粗糙;如果溫度太低,物料塑化不完全,板材表面不平整;過渡體和模唇的溫度應低于擠出溫度,但溫度太低會使熔體溫度過低而失去彈性被拉斷,溫度過高會使熔體強度和彈性降低,泡孔破裂,板材表面產(chǎn)生空洞缺陷。物料擠出一般都經(jīng)過加熱、恒溫和保溫 3 個過程。加
熱區(qū)在擠出機排氣口的前部(即一區(qū)輸送段和二區(qū)壓縮段);恒溫區(qū)則在排氣口后部(即三區(qū)排氣段和四區(qū)計量段);保溫區(qū)主要由機頭、過渡體和口模組成。物料在加熱區(qū)需要較大的熱量,該區(qū)溫度的設定應稍高一些,以滿足
迅速補充熱量并使機筒溫度環(huán)境保持穩(wěn)定的要求;恒溫區(qū)由于螺桿對物料的剪切和壓延產(chǎn)生的內(nèi)熱超過物料的需要,故該區(qū)一般設置加熱與冷卻雙向溫度控制裝置,用以控制機筒的溫度保持恒定,保證物料的正常塑化與擠出成型。物料經(jīng)過恒溫區(qū)后已呈完全塑化狀態(tài),該區(qū)內(nèi)熱已不存在,為建立熔體壓力需要設置加熱片補充外熱。產(chǎn)品試制發(fā)現(xiàn),適合硬質(zhì) PVC 結(jié)皮發(fā)泡板材生產(chǎn)的各區(qū)溫度:擠出機一區(qū)(155±5)℃、二區(qū)(165±5)℃、三區(qū)(170±5)℃,四區(qū)(180±5)℃;過渡體(170±5)℃;口模(175±5);模唇(175±5)℃;冷卻定型裝置一區(qū)恒溫控制,二三四區(qū)冷卻控制,模具各區(qū)冷卻溫度控制在 5~40℃。
2)擠出速度及滯留時間。生產(chǎn)實踐表明,螺桿轉(zhuǎn)速與板材的擠出產(chǎn)量成正比,與板材的密度成反比。螺桿轉(zhuǎn)速越高,擠出速度快,熔體溫升過快增加工藝控制的困難,但發(fā)泡程度均勻,制品表面質(zhì)量好;相反,螺桿轉(zhuǎn)速過低,擠出速度慢時,會使熔體塑化不良降低生產(chǎn)效率,同時靠近模唇口發(fā)泡使板材表層粗糙。另外板材質(zhì)量還受到物料在擠出機筒和口模內(nèi)滯留時間的影響,滯留時間太短,發(fā)泡劑分解不夠,板材密度過大;滯留時間太長,容易發(fā)泡過度板材力學性能降低。螺桿轉(zhuǎn)速應根據(jù)結(jié)皮發(fā)泡的不同工藝方法而定,需要綜合考慮設備的使用要求和板材的冷卻鋸切時間,螺桿轉(zhuǎn)速和擠出速度根據(jù)板材厚度設置不同,一般不超過 4 m/min。本生產(chǎn)線的 20 mm 板材擠出速度為 0.65~0.7 m/min。
3)擠出壓力。板材發(fā)泡成敗的關鍵在于擠出壓力控制是否合適。螺桿轉(zhuǎn)速、熔體溫度及口模內(nèi)流道的長短和壓縮比對擠出壓力都有很大影響。螺桿轉(zhuǎn)速增加使熔體擠出壓力升高,可以減小泡孔直徑增加氣泡數(shù)量,有利于發(fā)泡過程。另外物料塑化良好時,口模壓力和電流都比較穩(wěn)定;而物料塑化不良時,口模壓力波動提高,電機電流增大且不穩(wěn)。在實際生產(chǎn)中,通常將主機電流和口模壓力的變化作為判斷擠出溫度控制是否適當?shù)闹匾罁?jù)。
2.2.3 機頭口模及冷卻定型模具結(jié)構
機頭口模的流道結(jié)構直接影響著制品的發(fā)泡倍率和擠出均勻性,進而影響制品的質(zhì)量。本生產(chǎn)線生產(chǎn)寬幅硬質(zhì) PVC 結(jié)皮發(fā)泡板材,采用衣架式擠出機頭結(jié)構,機頭內(nèi)部流道組成如圖 3,由歧管區(qū)、扇形區(qū)、阻流區(qū)和模唇區(qū)組成,
熔體流入歧管后,被歧管均勻分配到整個扇形區(qū)內(nèi),保證料流在進入模唇區(qū)時的同向性,同時為控制口模中熔體的壓力,設置阻流區(qū)降低熔體壓力,保證料流速度的一致。流道各部分長短設計應滿足特定壓縮比要求,保證物料不會發(fā)泡過度。
板材加工時,由于冷卻定型模的結(jié)構尺寸調(diào)整成與機頭口模的相同尺寸,故結(jié)皮發(fā)泡制品的密度和結(jié)皮層厚度取決于自由發(fā)泡受限程度,需要適當調(diào)節(jié)冷卻定型模和口模之間的距離、擠出速度與定型牽引速度的比值及定型模的冷卻強度。
3 PVC 結(jié)皮發(fā)泡板材的力學性能
通過對生產(chǎn)過程中的擠出溫度、機頭壓力、螺桿轉(zhuǎn)速等工藝條件的嚴格控制,采用新研制的生產(chǎn)線生產(chǎn)的硬質(zhì)PVC 結(jié)皮發(fā)泡板材經(jīng)過測試,具有以下性能:平均密度為(0.45~0.55)×10 3 kg/m 3 ,板材拉伸強度≥8 N/mm 2 ,沖擊強度≥8.5kJ/m 2 ,表面邵氏硬度≥A60。性能符合 Q/STNY 001-95 質(zhì)量要求,達到了國外同類產(chǎn)品水平。
4 結(jié) 語
本文利用新開發(fā)的硬質(zhì) PVC 板材生產(chǎn)設備,研究擠出溫度、擠出速度、滯留時間、擠出壓力及機頭口模及冷卻定型模具結(jié)構等因素對擠出工藝的影響,設置了優(yōu)化的結(jié)皮發(fā)泡加工工藝參數(shù),從而生產(chǎn)出具有優(yōu)良性能的PVC 結(jié)皮發(fā)泡板材。
作者:胡曉珍 浙江海洋學院
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