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1、第3卷第2期10 5。年6月中国塑料CHINAPL ASTIC SVolJun.3No.21 98 9塑料打包带生产工艺及设备之探讨薛 世 诚(上海轻工业部包装科学 研究所)摘要本文根据聚丙烯树脂的加工特性,推荐出适用于这类聚合物加工的挤出机 螺杆构型,并对其进 行了功能分析。探讨了屏 障型 混炼段的作用,并给出了使 得熔体在此段的压降最小的流道 深度尺寸和螺旋角度的优 化方法。着重 研完了挤出扁坯的鱼尾机头设计问题,应 用流变学原理,建 立一描 述幂律熔体在鱼尾机头内作等温流动的数学模 型,并据此,对机头流道参数进行了优选,以达到均匀挤出的目的。一引言塑料打包带,是目前广 泛应用于包装领域的
2、塑料制品。随着包装工业的发展,机用带的需求越来越大,从轻工部塑料制品七五期间发展规划看:P P打包带将以年增 长约1 5%的比例发展,因此,近年来塑料打包带的生产将会出现成倍增长的趋势。二质量要求及生产工艺我国生产的打包带品种主要有两类:1.机用打包带一用于自动打包机。2.手工用打包带。按轻工部部 颁标准(S G2 3 4一5 1),塑料打包带的质量指标主要有:偏斜度、断裂拉力、断裂伸长率。目前,大多数厂.家的手工打包带的指标均能达到部标要求,表工给出了几个企业生产的打包带的物理机械性能的比较,从中看出,偏斜度这个指标各企业不同。打包带的偏斜度是指从卷绕后的打包带上任剪一段一米长的带子,带子的
3、一端相对另一端偏离的程度。这项指标对机用带来说,尤为重要,偏斜度太大的带子是无法在 自动打包机上 正常使用的。因此,提高打包带质量的关键就是降低带子的偏斜度。同时,提高打包带生产线的产量亦是国内外所关注的问题。鉴于 国内目前以聚丙烯为主来生产塑料打包带(约占总产 量 的9 0%),_以相 对 于PE来说,上述问题显得更为突 出,故以此为例,来探讨塑料打包带的生产工艺及设备。塑料打包带的生产工艺流程如下所示:/干法(电热,拉伸一配料”挤 出”冷却火”压花”(冷却定型,斗卷取咔检测咔、湿法(水浴)拉伸一l”包装”入库。塑料打包带生产工艺及设备之探讨第2期表1塑料 打包带物 理 机械性 能类、11,
4、口.l几【匕二乙刀J带的规格断 裂拉力(公 斤/根)断裂伸长率(%)偏斜度(毫米/米)搭接拉力(公斤/搭扣)每公斤长度(米/公斤)手手手常州光明塑料厂PP i so g s s s3 65.6 6 616 6 63 3 3150.8 8 8133.3 3 3工工工工工工工工工工工工工工工工工工工工工工工工工工工工工工工工工工工工工工工工用用用上塑+一 厂PPls5 1oS S S32 7.4 4 413d d d2.5 5 51凌7.4 4 4!一-一一一一塑塑塑塑塑塑塑塑1 39.0 0 0料料料料料料料料l l l打打打打打打打打打打打打打打打打打打打打打打打打打打打打打打打打打打打打打打
5、打打包包包北塑八厂pP i55 10S S S359.2 2 215.d d d3.6 6 614 8.2 2 2125.0 0 0带带带带带带带带带带带带带带带带带带带带带带带带带带带带带带带带带带带带带带带带天天天津+一塑料厂PP 15 5 1o S S S127 52 2 219.2 2 25.0 0 0116.6 6 614 2.0 0 01 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 150.0 0 02 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0(日)ST
6、 R APSHSH 1555 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5(日)SE K ISU I P PG型型130.0 0 020 0 0 0 0 0 0 0 0机机机机148.2 2 2225 5 5械械械械械械械械械2 1.用用用用1 41.6 6 6 6 6塑塑塑塑塑塑塑塑塑塑塑塑塑塑塑塑塑塑塑塑塑塑塑塑塑塑塑塑塑塑塑塑塑塑塑塑塑塑塑料料料一j三塑 千浮一而I痴下砚 32 7.423.理理理14 7.4 4 423 9 9 9打打打打打打打打打打打打打打打打打打打打打打打打打打打打打打打打打打打打打打打包包包(日)SHO一BAN D D D1。.13。了直(0,5,从而方程(3)
7、给出 了总 压降,这 时设:a(P:)/J小=0(6)便可得到最佳螺旋角的表达式:=,一(4VFp兀D H”。)7图3UC7昆炼段式 中亏为通过混炼段的总体积流量。最佳流道深度可通过设:a(Pl)/aH=0(8)习习习遥遥遥得出H.二一一一华一,一一 (9)艺rp兀U”。s ln申co s中图4Ega“混炼段为30。),其好处是在混炼段的进出口流 道中存在一种正的拖送力作用。在此3 0。的 螺旋角的选择未必是最佳螺旋角度,对此做如下探讨:屏障混炼段的熔体压降为流道 内的压降P:与间隙内的压降之和,即:P=P,+PZ(2)而在进出口流道中的压降可表为“如果同时对流道深度H和螺旋角进行优化,可将方
8、程(9)代入方程(7),便可确定最佳螺旋角为:c o SZ小.=s/8或小.“5 2.2 4“(1 0)将(10)代入方程(g)便可得最佳流道深度:1 2V_0。3 139VH辛=甲污Fp二D。一FpD,Npl二夸斋二犷1(0,一FdWH。eo s小(3)在间隙中的压降可表为:PZ=1 2林:NZZ。乙“万(0,一合乙Lm”b甲,(4)(11)式中N为螺杆转速。由上述报导可知:最佳螺旋角不依赖于流量了、螺杆直径D及转速N或其它任何参数(如流道的形状因子Fp)。如图5中的曲线所示:最佳螺旋角在5 0一5 5“范围内,而90“的螺旋角是个很差的选择,同样,3 0。角也是。这些角度 显然不是基于理论
9、分析计算所获取的。利用前述方程还可对其它几何参数相对于 压力降进行优选。例如,入口沐道的数月19 89年6月对压降有显著的影响,如图6所示:当入口流道数为4时,压力降最小。和产量得到保证,那么提高塑料打包带质量关键就在于辅机,特别是挤出机头的合理设计。(月d l 之)己些只田608 0100螺旋角(deg)屏障段压力降与螺旋角的关系五机头就挤出塑料打包带带坯的机头而言,最关键的问题是如何保证挤出时塑料熔体呈扁坯状沿整个口模宽度上流量、温度均匀。只有带坯的任一横截面在同一温度、同一密实度下从口模挤出,方能保证后序的冷却,热拉伸均匀,避免同一截面,不同点处拉伸取向程度的差异而导致最终制品的翘 曲。
10、因此,机头的设计显得尤为重要。用于打包带坯挤出的机头型式主要为直角机头,这种机头的设计也是凭 经验进行的,要经反复修整,才能正常使用。如 广东佛山某厂在试机时发现:挤出带坯的截面形状如图7所示(该厂采用的是双流道机头),带坯沿挤出方向是翘 曲 的,见图8。这说过这习匕乞曰图7挤出坯截面形状(月山艺)即6 04 02 0叮|.|几。图味”J叮!往勺|场沫|L叼|叮仆加加八Un八U 八曰印八曰八州八U.八U0nnnJ舀伟,卜八U。曰内J b勿己)盘收留图8沿挤出方向的形状入口流 道数 目图6压力降与入口流道数目的关系从塑料熔体的挤出质量和产量两方面考虑,结合聚丙烯的加工特性分析了主机应采用的螺杆形
11、式及其设计特点。一旦挤出质量明该机头内部流道的设计不合理。象这种设计不合理的机头 只能靠调节口唇的高度分布(如果口唇设计成弹性可调的),或修整口唇的形状来补救。而最根本的解决办法就是合理地确定机头内部结构,并用理论分析计算来选择流道参数。对于真角机头,肉于存塑料打包带生产工艺及设备之探讨第2期在一个90 a的直角,在此,熔体的流动均 匀性变差,也会影响到后面的挤出均匀性。我们设想采用如图g的机头结构及流道形式。沁沁沁一,环环刀刀刀刀刀刀刀刀r/乙护护护叫叫沙/汗汗汗汗汗汗汗汗汗汗汗汗_-一l l l汀汀 一一一一一一一一一!尺尺尺尺尺尺尺尺尺尺尺尺尺尺口口口口口口口口门门门门门.匀匀匀匀匀匀匀
12、匀匀匀匀匀于111 1 1 1 1 1 1 1叫叫叫.11 1 1 1 1 1 1 1叫叫叫 11 1 1I I I州州州图9机头流道形式及结构1.螺栓2.上机头体3.鱼尾阻流区4.密封压盖5.联接套6.定位锥销7.松弛段8.电热片9.园筒网板 0.挤 出机n.下机头体1 2.缓冲槽先流入流道截面大的歧管内,然后逐渐从歧管中流入鱼尾阻流区的缝隙流道内,使熔体均匀地分布在整个口模宽度上。已知的原始设计数据有:1.聚合物的流变特性(设熔体为等温流动,且服从幂律定律8),2.机头口模的宽度为Zb,高度为h;3.机头的挤出量 Q(Q之Zbho.,。为挤出速度)。由质量平衡原理,可得在位置x处流经歧管的
13、物料量Q二(x)为:Q二(x)二A(x)秒二=(b一x)bu。(1 2)式中。二和。.分别为熔体在歧管和缝隙中的平均流速,A(x)为x位置处歧管的截面积。在这个设计中,用园筒形网板代替了常规的挤出机网板,并将其设置在90 0拐 角 处,通过合理地布置网孔的大小及分布,使得熔体在拐角处均匀地 由螺旋流动转变为下挤的直线流动。这种结构不仅便于换网;也使得流动分布更均匀,并采用鱼尾形阻流 区,重新调整熔体在整个机头宽度上的流动分布,并在鱼尾 阻流区结束处设置一条缓冲槽,重新均整一下熔体流动,然后进入平 直 的松弛段,使得熔体稳定均 匀 地挤出(一般L二1 5 5 0h,L和h分别 为口模宽 度 和
14、高度)。机头 流道形式及结构确定后,关键是如何确定机头内的流道尺寸参数。国外基本已采用CAD方法“,国内这方面则刚起步7。采用CAD的首要条件是根据聚合物熔体流变学的原理建立描述熔体在机头内流动的数学模型,以此来模拟流动过程,进而优选出流道参数。图9的机头 流道可简化为如图10所示的形式,鱼尾 阻流区与机头 内壁 面所构成的流道可简化 为矩形歧管。熔体流入机头后,首.进料口矩形歧管图1 0流道的简化假设从歧管流入缝隙区域的流动对歧管内的熔体压力影响甚微,且将与l歧管截面相垂直方向的压力梯度在整个歧管截面上为常数,进一步假设在缝隙中只存在y向流 动,故等压线垂直于挤 出方向,从而缝隙中压力梯度洲
15、s“”中的压“”度(餐)m之 间关系为:(器)s二(影。箫”“3,其中七为 歧管方向的微段,显然:邑二y甲i+(d y/d戈)“叮14夕了 9 89年6月中国塑料3 99年6月d y/dx为曲线y(x)的斜率。将(13)、(14)联合,得到它的表达式为:缝隙流道:P=一2月“宁“h(一宁汀宁“)n(1 7)令一、.宁月夕1上一八、.夕卫工_二_了厂dxL狡(aP/ay)。(aP/a邑),n_/1.。:?,二丫w=一乙t十乙I刀/”1 1/(18)(1 5)方程(12)一(15)是推导出的基本方脾,分析这些方程,我们已可得出些结论:1.歧管的斜率d y/dx依赖于歧管 的形状和截面积。2.若机头
16、较短,则要 求dy/dx小,这可通过使得歧管中熔体的压力梯度远远小于缝隙中的压力梯度 来 实现。3.在缝 隙内,熔体所受的剪切应力,相应地熔体压力梯度是受着弹性不稳定流”的限制的。过高的压 力会产生熔体不稳定流动,而导致挤出制品表面粗糙,产生波纹。4。我们可通过如下途径完成机头流道的设计,达到均匀挤出的目的:a.设d y/dx二常数,b.设熔体在歧管和缝隙区域之壁面剪切速率相等,c。设熔体在机头内的平均停留 时间 均等。在此,我们选择要求歧管和缝隙区域熔体壁面剪切速率均等来确定曲 线y(x)的形状。由聚合物熔体的幂律本 构关系式“:月=”0!宁/宁01”一(16)式中丫为在参考 剪切速率训 下
17、熔体的粘度,n为幂律指数。n为剪切速率为 专时熔体粘度。对于具有简单几何截面的流道,沿流动方向,熔体的压力梯度P/和壁 面剪切 速率宁,可 用以下方程计算;式中万定义为熔体体积流率除以流道的横截面积。对于宽度为W,高度为H的矩形截而流道,可用式(1 8)来计算壁面剪切速率,而压力梯度则为:P,二一里字兰一,/(p,。),“(19)式中fp为形状因子“,其依赖于W/H的比值,对于幂律流体只有大量 的 数 值解。,但可用一个经验公式概括川:11+/。“”(20)2功n拎3玲一甲一一不而厂一一一式中小=w/H,当w/H1 0时,fp”1。如若矩形歧管满足此条件,则熔体在歧管内的流动与在缝隙内的流动是
18、相似的,从而:设计出的流道几何尺寸适用于各种物料及加工条件,熔体在歧管 内和缝隙中的压力梯度的比值与熔体粘度无关。如果:宁.二宁m/f。(21)将式(18)代入此关系式,便得瓦与石。的关系,再代入方程(1 2),整理得出歧管深度的表达式:H(x)二h(卜x)/fp(x)w(x)专(22)利用方程(17)和t(1 9),歧管的斜率方程为:d y/dx=一(b一x)/fp(x)w(x),、士一l“(23)若取歧管宽度w为常数,则歧管流道深度为;塑料打包带生产工艺及设备之探讨第2期H(x)=h亿(b一x)/丽几(幻(24)对式(23)积分,得鱼尾 阻流曲线:y(x)二Zw了一刁刃反万不万fP二10.
19、q、卜f,=1,(2 5)其中:x(b(1一w/b)对于具有恒定为w/H=a比值的 歧 管,可导 出:H(x)=、(b一x)z(afph)李(26)w(x)=。H(x)二aZh,(卜x)/fp含(27)将 式(26)、(27)代入 式(1 7)、(19),然后代入式(15),并积分,便得到鱼尾阻流曲线:w/60.0 50.0 20.01O卜.d.0.2D.40-X/b图1 1歧管宽度W为常数时鱼尾曲线形状。0.81。(且W/H1 0)y(x)=Ah厂亿少日(x)一李、协(x)艺C+、l夕l n训万一不石压了一1侧1+p(x)+(2 8)式中:日(x)=(H(x)/h)2一1丁A二旦11十Zn2
20、1+3n(2 9)(3 0)C为积分常数,若选择y二o处,H(x)二h,则C=0。至此,我们完成了保证出 料 均 匀,而且在机头内各流道中熔体所受 的壁面剪切速率处处相等的鱼尾机头的理论设计计算公式的建立。据此模型,编 出计算程序,便可对流道参数进行优选,画出鱼 尾机头内部流道曲线。图n为计算出的鱼尾阻流曲线形状 的例子。六冷却、加热拉伸方式及卷取以挤出机机头挤出的带坯佩度一般为2 00左右,塑料仍处于熔融状态,如不 进行冷却,是无法牵伸的。对于易氧化的PP来说,这点尤为重要。由于P P为结 晶型 高聚物,冷却方式及温度对其结晶形态具有重要的影响,而晶粒大小及形态对后序的拉伸及制品性能有直接的
21、影响。若冷却过慢,PP在结晶过程中有利于晶核的 成 长,晶粒就粗大。从宏观上看,表面粗糙,造成带坯的脆弱,容易断头。同时由于表面粗糙而带水牵伸时会产生竹节状。国外有采用冷冻水对带坯进行骤 冷的,这使得带坯形成的晶粒多而小,无定形部分含量高,这就保持了带坯牵伸时所需的延伸率,对提高生产线的产量也有益处。但冷却过快,微晶过细也会造成坯料软弱,拉伸易断头。为了得到一定直径的微晶,就需要一个适当的冷却水温,一般控制水温在2 0左右“。机头 出口到冷却水面的距离尽 可能近(一般蕊 0 0 mm较好)。从拉伸工艺来说,有干法拉伸和湿法拉伸两种。加热方式采用远红外 技 术“,效果最好。不仅使带坯表层 和内部
22、温度同时升高,热的传递过程快、均匀。而且无需通过媒介物就可直接达到 加热物体,能晕损朱1989年6月小,拉伸后的带子表面光泽度高。拉伸工艺中重要参数是拉伸温度和拉伸倍数(简称拉伸比)。因此,应选择一定温度进行拉伸。PP树脂的玻璃 态 转化 温度为一18一Zoo C,熔融温度为170176“。所选择的拉伸温度越高,则拉伸比越大,带的分子取向度越高,强度也越高。若选择拉伸温度T。二1 00,则拉伸比只能达56倍,再提高拉伸比,就可能 发 生断头,无法操作,若提高T。到12 0左右,则拉伸比可提高到79倍,带的强度也相应提高。在拉伸过程中,PP分子链段在外力作用下发生相对移动以及在此过程中的再结晶,
23、使带子产生内应力。这种内应力在外界作用力消除后会逐渐松弛。但在常温下,由于分子链移动困难,因而应力松弛是缓慢的。为了消除内应力,拉伸后的带子最好再进行热处理(回火),让带子在较高温度下,PP分子链段有足够的移动能力而释放残存的内应力。这样减小了带子在贮放过程中产生的偏斜度。经拉伸取向后的打包带坯已基本成型,为了提高打包带的静摩擦力,进一步改善包装带的横向强度,带子的表面还需轧花。轧花辊是一对表面有菱形或其它形式花纹的钢辊,它是塑料打包带生产设备上的关键部件之一,必须对其进行强度和刚度上的计算。打包带的卷取也是生产线上一个重要环节。因为卷取方式确定了打包带在使用前的存放状态。如果打包带在卷取前尚
24、未完全冷去p定形,就有可能在卷取过程中产生形变;或在贮存期间产生蠕变而降低了带子 的质量。为此,建议在卷取前应进一步将打包带冷却定形,或使其有充分的时间和 空间在空气中冷却定形、松弛。所以国外目前有长达20水的车产线。手工带卷绕成 品宽度就等于带宽(用养盘卷取)。在加工及卷绕过程中,以至贮充期间,带子投受过偏斜作用。而机用带是月阔盘卷绕的,成 品是呈螺旋状排布在卷芯的。这就使得带子的偏斜度不易保证。因然在卷绕过程 中,带子是被正反螺纹导向杆担螺旋状排布在卷筒上的(见图1 2),在卷偌两端处,带子受到了侧 向分力FZ的作用,拟迫在偏斜状态下卷取。如若带子尚未完全定撇撇撇撇撇撇x x x1 1 1
25、 1 111 1 1 1 1止止止l l l姗撇、图1 2机用包装带卷取原理形,就会导致带子的偏斜度增大。据生产厂家反映:卷绕在同一卷筒上的打包带,它们的偏斜度是有差异的。在卷筒中部 的带子偏斜度较小;而离两端部越近,带子的偏斜度越大。同时还发现打包带在卷筒上的排布不均匀,带之间有间隙。以上这些都是与卷取装置的设计与使用是否合理有关的。我们可以推导出导向杆的转速n,与卷筒转速nZ存在如下的关系:里七二里”(31)nZt式 中t为导向杆上的螺纹的导 程,W为打包带的宽度。要使打包带在卷 筒上均匀地,无间隙地按螺旋状排布,导向装置的设计及使用必须要满足上式,即:李)若取n;=n:,则要求;“W,塑
26、料打包带生产工艺及设备之探讨第2期(2)若t争W,则导向杆与卷 筒之间要存在一个速比i“n,/nZ,且 导向杆的螺纹螺距按下式计算:t二理(32)563:,=半1奈卜粤、3 3)7由此可见:t越大,产品规格(带宽W)变化后,传动比i的变化率越小。这说明:大螺距 的导向杆所适应的产品 规 格 范 围大。89101112234参考 文献塑料工业标准汇编,全国轻工业塑料科技情报站,上海,197 8年Kunststoffe,R6,3(19 76)G.Mantin,Diss,Univ errit三tstuttu-ga rt,1 97 2.塑料机械设计,北京化工学院,华南工学 院合编,轻工业出版社,(1
27、983)132.TadmorandC.G.Gages,“PrieiPle sofPolymerPr oe e s sing”,Johnwilley&so ns.N.Y.(197 9)H.A.A.HelmyandR.A.worth,Inter-nationalCongre s sonRhe ology,Vol.3:A pPlie ation,NaPle s,(sePt.1 98 0)薛世诚,彭玉成,全国首届流变学学术会议学术论 文,中国化学、力 学委员会,长沙,(1985)C.D.韩著“聚合物加工流变学”,徐位、吴大诚等译,科学 出版社,198 5Y.Matsuba ra,Pol了m.Eng.S
28、ei.Vol.2 3,沁.1,(198 3)W.Ko ziekiandC.Tiv,Ca刀,J.Chem.Eng,49,56 2(19 71)J.L.Wh宜rea ndD.Huang,Polym.Eng.Sei,21,16(1981)PP包装带生产线机械,电气、工艺操作规程,上海,轻工业部包 装科学研究所,198 8卢为开,李铁军,张泽清编远红外辐射加热技术,上海科技 出版社,19 82195 9年6月眯.国塑料Studyo ntheTechnolog yand E quiPmentof Pla stieStraPPingJ3fo rtheProductionXu eShieheng(Paeka
29、geSeiene eResearehInstitutoofLig htIndu stryMinistry,Sha ng hai)A BS TRA CTInthisPaPe r,e onside ringPr a etic alProb l七msexistinginProdu etion,we5tudiedthePr o e e s singte ehnologyanditsmainequiPmentforPolyPr oPeylenePa ekagingbandma nufa etureino rde rtoimPr ovethequalityofPaekagingband.Ae eo rd
30、ingtothePr oee s singeha raete ristiesofP P,thestr uetur eofextr usions erewsuitab lefo rPro e e s sings uehkindofPolyme r15r e e om mendedandthefunetionalanalysisha3be enmade.Inadd itio n,effeetsofbarriertyPemixingseetionsa r ediscu ss edandanalytic alexPre ssionsforoPtimizingehannel dePtl iandheli
31、xangletominimizethePr es su r edr oPov erthiss eetionarePre so nted.E mPhatie ally,thede signofthefishtailtyPedieus edfo rhatsto ekextrusion15studied.A PPly ingthePrineiPle sofrheolog y,amathematiesmodelde s clibingtheiS 0the rr n誉1flowofPOWer 一lawmeltinthedieha sbeenestab lishedandtheoPtimizaionofthed iePa r ametersha sbe enr nade50astoextrudingPlasticbandu nifo rmly。