溫度對電纜塑料絕緣及護(hù)套擠出質(zhì)量的影響

甄文芳 陳 波 金春敏 陳夏裕

*江蘇亨通線纜科技有限公司 工程師,215200 江蘇吳江

**吳江出入境檢驗(yàn)檢疫局 工程師,215200 江蘇吳江

鐵路信號電纜適用于鐵路信號自動(dòng)閉塞系統(tǒng)、計(jì)軸、車站電碼化、計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖、微機(jī)監(jiān)測、調(diào)度集中、調(diào)度監(jiān)督、大功率電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)等有關(guān)信號設(shè)備和控制裝置之間,傳輸控制信息、監(jiān)測信息和電能等。

鐵路信號電纜的塑料絕緣和護(hù)套是采用連續(xù)擠壓方式制成的,擠出設(shè)備采用單螺桿擠出機(jī)。在擠出過程中,裝入料斗中的塑料借助重力或加料螺旋進(jìn)入機(jī)筒,在旋轉(zhuǎn)螺桿的推力作用下向前推進(jìn),同時(shí)塑料受到螺桿的攪拌和擠壓,并且在機(jī)筒的外熱及塑料與設(shè)備之間的剪切摩擦熱的作用下,轉(zhuǎn)變?yōu)檎沉鲬B(tài),在螺槽中形成均勻連續(xù)的料流,在到達(dá)機(jī)頭時(shí),經(jīng)模芯和模套間的環(huán)形間隙擠包于線芯周圍,形成連續(xù)密實(shí)的絕緣或護(hù)套層。整個(gè)擠出過程可分成 3個(gè)階段,即:混合、熔融和均化;擠壓成型;冷卻和固化。

1 擠出溫度的控制

在塑料擠出的過程中,物料聚集態(tài)的轉(zhuǎn)變以及物料的粘度都取決于溫度,溫度對制品的產(chǎn)量和質(zhì)量影響很大,特別是塑化情況,更能直接影響制品的物理機(jī)械性能和外觀。為使固體物料熔化成熔體,擠出物的最終溫度應(yīng)大于物料的粘流溫度,其上限溫度應(yīng)小于物料的分解溫度。

1.若在低溫下擠出有如下優(yōu)點(diǎn):低溫下擠出的物料粘度大,容易保持原來的形狀,不易變形;由于擠出物中熱能小,所需冷卻時(shí)間短,可以縮短冷卻水槽的長度;此外,溫度低還可以減少聚合物降解。

低溫下擠出的缺點(diǎn):擠出溫度低,臨界剪切應(yīng)力、臨界剪切速率也低,這樣易形成熔體破裂,造成表面粗糙,光亮度差。鐵路信號電纜通常用聚乙烯,如果聚乙烯在擠出過程中溫度過低,其結(jié)晶度增大,那么結(jié)晶相與無定形相的邊緣上產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力就會增大,將導(dǎo)致絕緣或護(hù)套后期的開裂。另外溫度低,物料熔融段延長,從均化段出來的熔體中會夾雜有固體物料,這些未熔物料和熔體一起成型于制品上,會使絕緣或護(hù)套的機(jī)械性能和電氣性能下降,同時(shí)未充分塑化的制品的耐環(huán)境應(yīng)力開裂性比充分塑化的要差。

2.若在高溫下擠出有如下優(yōu)點(diǎn):表面質(zhì)量好;機(jī)械物理性能好;擠出物粘度下降,流動(dòng)性好,擠出所消耗的功率小。不過過高的溫度將使聚合物的粘度大大降低,不適當(dāng)?shù)脑龃罅鲃?dòng)性容易引起擠出制品的形狀扭曲和收縮等。另外,溫度高到分解溫度附近時(shí)還會引起聚合物分解,以致降低產(chǎn)品物理性能或引起外觀不良等。因此物料的粘流溫度和分解溫度一樣是聚合物材料進(jìn)行成型加工的重要參數(shù)。

綜上,塑料擠出采用適當(dāng)?shù)牡蜏貢容^合適。

2 擠出溫度的設(shè)置

根據(jù)物料物態(tài)在機(jī)筒中的變化過程,擠出螺桿可以分為加料段、熔融段、均化段 3段。根據(jù)螺桿各段的工作原理及物料在各段的變化,分別設(shè)定各段的溫度。

1.在加料段,首先是為顆粒狀的固體塑料提供軟化溫度,其次是以螺桿的旋轉(zhuǎn)與固定的機(jī)筒之間產(chǎn)生的剪切應(yīng)力作用在塑料顆粒上,實(shí)現(xiàn)對軟化塑料的破碎。而最主要的則是以螺桿旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生足夠大的連續(xù)而穩(wěn)定的推力和反向摩擦力,以形成連續(xù)而穩(wěn)定的擠出壓力,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對塑料的攪拌與均勻混合,并初步實(shí)行熱交換,從而為連續(xù)而穩(wěn)定的擠出提供基礎(chǔ)。在此階段產(chǎn)生的推力是否連續(xù)均勻穩(wěn)定、剪切應(yīng)變率的高低、攪拌是否均勻等都直接影響擠出質(zhì)量和產(chǎn)量,所以加料段應(yīng)采用低溫。該段為輸送段,要產(chǎn)生足夠的推力才可以將料向前推送,溫度過高的話,塑料就會過早熔融,形不成“固體塞”,易導(dǎo)致塑料分解,還會造成擠出壓力波動(dòng)和塑化不均。

2.在熔融段,經(jīng)軟化并初步攪拌混合的塑料,由于螺桿的推擠作用,沿螺槽向機(jī)頭移動(dòng),進(jìn)入熔融段。在熔融段的溫度要升高,此段熱量的來源除機(jī)筒外部加熱之外,螺桿旋轉(zhuǎn)的摩擦熱也起一定的作用。而來自加料段的推力和來自均化段的反作用力,使塑料在前進(jìn)中形成了回流,該回流產(chǎn)生在螺槽內(nèi)以及螺桿與機(jī)筒的間隙中,不但使物料進(jìn)一步均勻混合,而且使塑料熱交換作用加大,達(dá)到了表面的熱平衡。由于此階段的作用溫度已超過了塑料的流變溫度,加之作用時(shí)間較長,致使塑料發(fā)生了物態(tài)的轉(zhuǎn)變,與加熱機(jī)筒接觸的物料開始熔化,在機(jī)筒內(nèi)表面形成一層聚合物熔膜,當(dāng)熔膜的厚度超過螺紋頂與機(jī)筒之間的間隙時(shí),就會被旋轉(zhuǎn)的螺紋刮下來,聚集在推進(jìn)螺紋的前面,形成熔池。由于機(jī)筒和螺紋根部的相對運(yùn)動(dòng),使熔池產(chǎn)生了物料的循環(huán)流動(dòng),這樣才能保證塑料塑化。

3.在均化段,溫度繼續(xù)升高,塑料在熔融段已大部分塑化,而其中小部分高分子組成尚未開始塑化,這部分未塑化的粒子需要更高塑化溫度,因此,均化段的溫度升高是使塑料進(jìn)一步塑化和均化。

4.機(jī)脖溫度保持均化段溫度或稍有升高,因?yàn)樵撎幎嗫装遄兯芰系男D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為直線運(yùn)動(dòng),并且有濾網(wǎng)的阻擋作用,使料流不太順暢,溫度不宜降低。

5.機(jī)頭溫度應(yīng)比機(jī)脖溫度稍有降低,因?yàn)槿垠w在此處有固定表層與機(jī)頭壁接觸,溫度高易焦燒分解。

6.?？跍囟壬吣軌蛱岣弑砻婀饬炼?表面質(zhì)量好,但模口溫度過高,不但會造成表層分解,更會造成成型冷卻困難,使產(chǎn)品難于定型,易于下垂自行形變或壓扁變形;若溫度降低,雖使制品定型容易,但易影響表面質(zhì)量。

3 結(jié)束語

在鐵路信號電纜實(shí)際生產(chǎn)中,通常用到不同密度的聚乙烯,盡管不同密度的聚乙烯擠出溫度控制的高低不一,但有一個(gè)普遍的規(guī)律:即從加料段起到?？谥?都有一個(gè)溫度從低到高再到低的變化規(guī)律。如果擠出過程中溫度控制的不合適,塑料絕緣或護(hù)套就會產(chǎn)生很多缺陷,影響電纜的表面質(zhì)量。

[1］ 徐應(yīng)麟.電線電纜手冊(第 2冊)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2001.

[2］ 韓中洗.電纜工藝原理 [M].哈爾濱:哈爾濱理工大學(xué)出版社,2003.

[3］ 成都科技大學(xué).塑料成型工藝學(xué)[M].北京:輕工業(yè)出版社,1983.