張黎明
（高科建材（咸陽）管道科技有限公司，陜西 咸陽 713300）
摘要：通過分析塑料管材擠出成型的作用機理及工藝流程，結合管材專用料高密度聚乙烯樹脂HDPE的性能測試及實際應用情況，分析擠出溫度、擠出速度等參數對管材性能的影響，在合理參數取值下進行高性能管材制備。
關鍵詞：聚乙烯；塑料管材；擠出成型；熔體流動速率
根據塑料制品擠出成型形狀上的不同，可將制品劃分為管材擠出、板擠出以及片材擠出等，其中管材擠出成型方式占比較大，工藝技術也相對成熟，各種高性能、特殊結構管材的出現也使其應用領域越來越廣泛。高密度聚乙烯樹脂即HDFE作為一種新型管材專用料，具備耐腐蝕、耐熱、耐磨性能，本文通過控制該種材質下管材成型工藝及相關參數，對成型管材進行性能結構測試，分析HDPE材質下管材成型性能及應用效果[1]。
1管材擠出設備分析
料管材成型加工過程中的管材擠出生產線如圖1所示，包括擠壓機、定形裝置、水冷裝置、切割裝置、卷取堆料架等設備。其中擠壓機作為生產線最關鍵設備，用于塑化管材，為擠壓成型提供壓力，通常包括單螺桿、雙螺桿及多螺桿擠壓機設備，具體擠壓系統由螺桿和機筒組成，通過驅動螺桿在選定扭矩轉速參數下進行塑料擠出成型加工；定形裝置主要是對管材的內徑、外徑進行定型確定，水冷裝置用于控制定徑管材定型，防止管坯變形；切割裝置即用于將擠出管材從端口處切割成所需長度，并進行統一卷曲堆疊。
1—擠壓機；2—機頭；3—定形裝置；4—水冷裝置；5—驅動裝置；6—切割裝置；7—卷取堆料架
圖1 管材擠出生產流程示意圖
2 HDPE管材制備及工藝流程
料管材的制備過程，主要依據選用材質及管材結構性能，選取不同的制備生產工藝，但基本過程都是通過將聚合物物料添加至擠出機料斗，并通過控制加熱溫度，利用螺桿、機同對物料進行摩擦擠壓，從而使物料變為塑化熔融態，并在螺桿推移下向前運動，經預制尺寸機頭流出，進行后續定型冷卻切割作業，完成擠出成型過程。其中，擠出成型過程中所需控制的參數包括螺桿轉速、加熱溫度、水冷溫度以及牽引速度等[2]。
1）螺桿轉速控制。螺桿轉速參數主要影響到管材的產量以及擠壓質量，螺桿轉速的確定需要結合所產管材的尺寸規格進行綜合確定，轉速過慢會影響到生產線整體產能，而轉速過快則會影響到物料的塑化過程，影響到成型管材的性能強度。
2）加熱溫度。溫度參數會影響到管材的塑化質量及產品性能，溫度太低會影響塑化水平，而溫度過高則會導致物料發生分解，因此需要結合實際物料材質、擠出機設備結構進行溫度參數確定，其中HDPE管材的加工溫度范圍如表1所示[3]。
表1 HDPE管材的加工溫度范圍
3）水冷溫度控制。HDPE管材的整個生產流程都需要進行水冷降溫處理，包括對擠出螺桿、定徑套管以及冷卻水槽的降溫過程，其中對螺桿進行水冷降溫可以有效避免因螺桿與物料的長期摩擦導致的物料粘結、分解，有助于提高生產效率。螺桿的冷卻水溫多控制在70~80℃，定徑套管的溫度多控制在30~50℃，成型管材經定徑處理后還需通過冷卻水槽進行水冷降溫，需要注意管材的水浸需要與管材擠出方向相反，從而使管材逐步進行降溫，避免管材內應力過大出現彎曲變形。
4）牽引速率。管材成型過程中的驅動速率控制，是確保管材直徑尺寸一致的關鍵因素，速率過快會導致成型管材厚度不一，而速率過慢則無法進行高效生產，因此需要結合擠出機的轉速進行牽引速率匹配，一般要求牽引速率稍大于擠壓機轉速。
3 HDPE管材結構及性能測試
3.1方案設計
為了分析HDPE管材的實際擠出工藝效果，找出影響管材成型性能的關鍵因素參數，制定了如下測試方案：設定160~220℃溫度范圍，通過改變擠出溫度來分析溫度參數對管材成型性能的影響；在一溫度恒定值下，分析擠出速率參數對管材成型性能的影響，設定速率包括0.5、1.0、2.0、4.0、5.0m/min幾項，所設計HDPE管材的公稱外徑32mm、管厚2.9mm。
3.2管材擠出效果分析
在進行管材實際制備擠出生產時，需要注意擠出速率均勻，也即控制好電機電流波動，保證螺桿速率穩定，同時需要嚴格控制擠出溫度，保證單一變量下分析管材成型性能，避免因溫度波動對擠出壓力、熔體黏度產生影響。最后需要控制好每次試驗的料斗加料情況，在加料速度穩定情況下，研究溫度、速率參數對管材擠出成型性能的影響。
1）擠出速率的影響。如表2所示，為溫度恒定200℃下，各擠出速率下生產線生產性能的變化情況。可以看出，在控制相同溫度參數條件下，通過增大擠出速率，擠出機主機轉速、電流強度以及聚合物熔體壓力都顯著增大，同時由于擠出速率的變化會直接影響到管材成型的壁厚、尺寸以及性能，因此需要注意控制擠出速率與牽引速度向匹配[1]。
表2 擠出速率對管材生產性能的影響
2）溫度參數的影響。控制擠出速率4m/min不變，分析不同溫度參數下的生產工藝條件，具體見表3所示。分析表3數據可以看出，在擠出速率不變的條件下，提高溫度參數，電流強度以及熔體壓力數據都會相應降低，同時當溫度參數＞200℃時，這一影響效果會變緩。同時通過分析上述兩種參數因素對生產線生產工藝的影響可以發現，在該溫度、速率控制范圍內，均可制備出性能優異的HDPE管材，綜合考慮到產量以及能耗方面的影響，可以確定溫度參數控制在180~200℃、速率參數參數結合生產設備上限時，管材的制備效率最優[2]。
表3 溫度參數對管材生產性能的影響
3）管材拉伸性能測試。選取上述溫度、速率參數下生產線實際生產HDPE管材，進行性能測試，包括MFR、拉伸性能兩方面結果測試，具體如表4所示。分析表4數據可以看出，溫度參數以及擠出速率參數兩因素對HDPE管材的成型性能，包括MFR、拉伸強度的性能影響關系并不明顯，其中前者主要控制在10g/10min左右，后者拉伸強度的變化保持在530%~615%左右。因此可以認為，HDPE管材的成型性能存在的偏差并不會由擠出溫度、速率的變化而出現顯著差異，也即該HDPE管材的加工工藝中，溫度、速率參數可以控制在較廣的加工范圍內，該材質均可保持較好的材料性能[3]。
表4 HDPE管材性能測試結果
4結論
通過分析上述HDPE管材的加工生產線流程，同時分析溫度參數、擠出速率參數對生產工藝性能以及管材性能的影響，得出如下結論：
1）溫度、擠出速率參數的改變，會影響到實際生產過程中生產工藝的變化，包括主機轉速、電流強度、熔體壓力等參數的變化，需要通過協調匹配生產參數，完成管材成型加工工藝流程。
2）溫度、擠出速率參數的改變，對管材的成型材質不會產生顯著影響，通過測試MFR、拉伸性能等參數并不會發生顯著改變，也即該HDPE管材的溫度敏感性弱，可以在上述參數范圍內，實現性能優良HDPE管材的生產。
參考文獻
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