擠出機和注射成型機螺桿擠出部位的熱控制和膠料流動

李漢堂 編譯（曙光橡膠工業(yè)研究設(shè)計院， 廣西 桂林 541004）

擠出機和注射成型機螺桿擠出部位的熱控制和膠料流動

李漢堂 編譯
（曙光橡膠工業(yè)研究設(shè)計院， 廣西 桂林 541004）

摘 要：要制造出高質(zhì)量的橡膠產(chǎn)品，橡膠膠料的擠出和注射過程中的熱控制技術(shù)是最重要的環(huán)節(jié)。文中介紹了熱控制與膠料在螺桿上的流動性能之間的關(guān)系，指出了在實際生產(chǎn)中經(jīng)常產(chǎn)生的問題。

關(guān)鍵詞：對流傳熱；冪律方程；柱式螺桿；膠料流動

0　前 言

作為橡膠制品的一項主要制造技術(shù)，人們對擠出和注射成型的討論十分活躍。但是，膠料加工中應(yīng)該解決的幾個問題仍懸而未決。文中提到的加工性取決于溫度、壓力和剪切速率的控制。設(shè)定和調(diào)整適宜的加工條件，可以控制不合格品產(chǎn)生率，決定制品的質(zhì)量。文中將研究與擠出和注射成型共同有關(guān)的重要的加工條件——加熱、傳熱和未硫化膠的流動行為，提出膠料加工過程中產(chǎn)生的種種問題。

1　膠料在擠出機或注射成型機中的加熱和流動行為

如圖1所示，由擠出機或注射成型機料斗供料的未硫化膠，通過設(shè)置在從外部加熱的機筒中間的旋轉(zhuǎn)螺桿，被送往機頭方向，膠料通過緩沖段、篩網(wǎng)和機頭到達(dá)口型處。如果采用擠出成型機加工，那么膠料通過口型時被擠壓成一定的形狀，待膠坯冷卻后就成了制品。如果采用注射成型機加工，由注射部的注膠嘴將經(jīng)過計量的未硫化膠射出，膠料通過模具的流道、模腔口被射入模腔內(nèi)進行硫化。

下文就從擠出機和注射成型機都配置的擠出機筒，到口型或計量部位的傳熱和未硫化膠料的流動行為加以說明。研究了擠出過程中所產(chǎn)生的問題。由于篇幅的關(guān)系，文中主要對擠出成型進行闡述。

1.1加熱、冷卻和傳熱

如果給高分子材料加熱，則溫度［ΔT（K）］會上升，這種上升與熱能Q（J）相當(dāng)，介于質(zhì)量m （kg）和比熱C［kJ/（kg·K）］之間，這樣Q=mCΔT的關(guān)系式便成立了。原料橡膠的比熱C［kJ/（kg· K）］為1.8～2.3；炭黑填充膠的比熱為1.5～1.9；聚乙烯（PE）則為1.95～2.3。比熱大的材料比比熱小的材料需要更多的熱量。與金屬相比，高分子材料對熱不敏感。另外，在成型加工時，還要將熔融時的熔融熱ΔH（J/kg）考慮進去，但是，又往往要除去這部分熱。

用熱源加熱膠料，必須有一個傳熱過程。熱能總是從溫度高的部位向溫度低的部位傳遞，傳熱量受溫差的支配。材料內(nèi)的傳熱可以考慮包括導(dǎo)熱和對流傳熱。導(dǎo)熱意味著熱能擴散，對流傳熱則是通過材料流動來輸送熱能的一種形態(tài)。

如果材料間溫差大，或者產(chǎn)生溫差的兩個部位間的距離短，加之導(dǎo)熱系數(shù)大，那么，通過導(dǎo)熱轉(zhuǎn)移的熱能就越多。高分子材料的導(dǎo)熱系數(shù)比金屬的小，在溫差相同的情況下，高分子材料的熱容量小。生膠的導(dǎo)熱系數(shù)［W/（m·K）］為0.04～0.18；炭黑膠料為0.21～0.31；聚乙烯（PE）為0.44；鐵為70。

在通過對流傳熱進行成型加工時，一方為液體，另一方是固體，這種情況比較多見。對流傳熱的量取決于流體本身的溫度與固體界面溫度之差以及固體界面溫度與傳熱系數(shù)的乘積。由于傳熱系數(shù)隨流體種類和流動狀態(tài)的不同而有所變化，所以要通過實驗方可求得。

在成型加工過程中，不管是導(dǎo)熱還是對流傳熱，重要的是要使其傳熱量增大。另一方面，人們又希望增大材料間的溫差、熱能通過的面積，加大傳熱系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)。增加硫化機的容量就相當(dāng)于加大了溫差；提高螺桿的攪拌效果就相當(dāng)于增大了傳熱系數(shù)。

在膠料擠出和注射成型過程中，傳熱對提高膠料在圖1所示的流道中的高效熔融和流動起很大的作用。

圖1　未硫化膠料在擠出機和注射成型機中的流動路線

1.2通過擠出機和注射成型機中的加熱和冷卻進行的傳熱和熱流動

通過擠出機的機筒和螺桿使橡膠熔融，具有了流動性。正如圖2所示，在機筒外側(cè)設(shè)置了加熱源，膠料與螺桿和機筒之間摩擦生熱，膠料隨螺桿的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生了剪切變形，繼而使生熱，膠料溫度上升，又通過冷卻控制住它。

作為影響膠料流動的重要因素，有溫度變化、壓力變化和螺桿轉(zhuǎn)數(shù)等?？刂茰囟鹊闹饕椒ㄓ须娂訜帷⑺鋮s和風(fēng)冷卻等直接或間接的控制措施，主要是采用自動溫度調(diào)節(jié)計、PID功能和自動調(diào)節(jié)裝置。在機筒、夾套和流道結(jié)構(gòu)方面，開發(fā)出了螺桿旋轉(zhuǎn)夾套等裝置，它可提高溫度調(diào)節(jié)的精確度。至于材質(zhì)，可以采用鉻鉬鋼、H合金、X合金等特殊鋼材。另外，考慮到耐磨性和耐腐蝕性，可對其表面進行氮化處理。H合金和X合金為鐵與鎳、鈷等元素的合金，是廣泛用于制造擠出機和注射成型機機筒和螺桿的耐磨性及耐腐蝕性均優(yōu)異的金屬材料。

測定了因高分子材料種類不同而各異的黏度與剪切速率的相關(guān)性和溫度特性，設(shè)定能賦予未硫化膠料適宜流動性的溫度，是關(guān)鍵點。表1列出了目前使用的擠出橡膠用機筒溫度條件，與擠出塑料用機筒溫度條件的比較結(jié)果。對于橡膠來說，要注意其焦燒問題，所以它的機筒溫度要比擠出塑料機筒的低。如果要加工的是橡膠材料，要注意焦燒會使黏度上升，有必要將設(shè)定溫度控制在較低的范圍內(nèi)。由于膠料中配合劑種類較多，而且配合量也大，加之，黏度升高且剪切生熱，從而很容易導(dǎo)致溫度升高。另外，與塑料相比，膠料黏度與剪切速率和溫度特性的相關(guān)性比較小。橡膠與塑料不同，加工中產(chǎn)生的故障也各異。

圖2　供給擠出機能量的加熱裝置和加熱/冷卻方式

加工橡膠材料時，剪切生熱容易引起焦燒和凝膠化；如果是加工塑料，則會在由于溫度變化而形成的滯留部位上，產(chǎn)生焦燒和凝膠化。

表1中列出的是掌握了膠料黏度（經(jīng)驗數(shù)據(jù)和實測值），擠出機內(nèi)膠料停留時間和焦燒時間后，確定的具有代表性的溫度條件。由于配合技術(shù)和硫化體系各不相同，所以應(yīng)該特別加以注意。

表1　橡膠和塑料的擠出加工溫度（℃）

因為要考慮膠料的流動性能，所以，將剪切速率和溫度對橡膠流動性能的影響，與對塑料流動性的影響進行了比較。眾所周知，橡膠與普通高分子材料一樣，其黏度與剪切速率的關(guān)系，遵循冪律方程式（1）中所示的能量法則。

η=τ/γn-1（1）式中：η為黏度（Pa·s）；γ為剪切速率（s-1）；τ為剪切應(yīng)力（Pa）；n為冪常數(shù)（-）。

另外，黏度與溫度的關(guān)系用式（2）表示。式（2）系通過能量法則與阿雷尼烏斯方程式的組合獲得。

式中：A、B為材料的特性值（-）；T為絕對溫度（K）。

如圖3所示，與多數(shù)高分子材料一樣，橡膠具有非牛頓（假塑性）流動性能，其黏度與剪切速率的關(guān)系與塑料的不同，在兩對數(shù)刻度上大體上呈直線關(guān)系。如果是塑料，其冪常數(shù)n因聚合物種類不同而各異，而橡膠的冪常數(shù)基本不變，約為0.29（≒0.3）。這一點雖然不一定很明確，但橡膠膠料成分復(fù)雜，所以應(yīng)依據(jù)一種大用量填充劑的填充效果以及與分子結(jié)構(gòu)和分子量分布有關(guān)的黏度特性來推定冪常數(shù)。關(guān)于這一點，通過改變炭黑的配合量，用毛細(xì)管流變儀測定了約30種不同炭黑含量的試樣，具有代表性的測定結(jié)果見圖4。

圖3　高分子材料的黏性流動特性（非牛頓流動）

與塑料相比，橡膠的另一特征是其黏度與溫度的相關(guān)性較小，對溫度不敏感。圖3（2）表明，即使改變溫度，其黏度變化也不大。關(guān)于這一點，即便沒有列出更詳細(xì)的數(shù)據(jù)，相信也是可以理解的。對于塑料來說，隨著溫度上升，大部分塑料會慢慢軟化，但不熔融，而在某一狹窄的溫度范圍內(nèi)，黏度急劇下降，變成流動性好的液態(tài)。另一方面，對于橡膠來說，它也會慢慢軟化，以黏度較高的黏土狀被擠出來。

那么，實際加工溫度和剪切速率兩者中，哪一個影響大呢？圖5示出了實際擠出條件（適宜的加工溫度、剪切速率102s-1）下的黏度（泊）。圖5上還示出了結(jié)晶性樹脂和非結(jié)晶性樹脂的黏度。圖5所示表明，擠出加工時，結(jié)晶性樹脂的溫度比非結(jié)晶性樹脂的高。圖6示出了該文作者測得的橡膠黏度值。從圖6可以看出，在剪切速率為102s-1條件下填充炭黑的EPDM膠料（炭黑配合量為100份）的黏度為3.5×104Po·S。該值與高黏度非結(jié)晶性樹脂的黏度值大體上相同。也就是說，橡膠被擠出加工時的黏度是比較高的。這與下文將要敘述的橡膠在毛細(xì)管內(nèi)的流動行為有關(guān)。

圖4　未硫化膠料的黏度與剪切速率的關(guān)系（配合不同炭黑的SBR膠料的驗證試驗）

此前，我們一直在觀察膠料由于加熱而產(chǎn)生的流動行為，現(xiàn)在就圖1所示的從擠出機、注射成型機的料斗到機筒內(nèi)的螺桿、濾膠板、篩1.2.1 料斗和螺桿供料部位的傳熱和熱流動

圖5　各種可塑性樹脂在擠出加工時的黏度

圖6　EPDM炭黑膠料擠出加工時的黏度（炭黑配合量為100份，測定溫度為110 ℃）

橡膠以條帶狀從料斗向螺桿喂料，所以，與塑料以粒狀形式進行喂料稍有不同，通過螺桿旋轉(zhuǎn)，膠料被攪碎，以非塑性非均勻狀態(tài)向機頭方向推進。橡膠膠料在螺桿上和在機筒內(nèi)的摩擦系數(shù)大小，決定了膠料被擠出的量，具有重要意義。如圖7所示，螺桿內(nèi)表面與橡膠的摩擦系數(shù)（μs）和機筒內(nèi)表面與橡膠的摩擦系數(shù)（μb）必須符合μs＜μb的條件。如果μs＞μb，則橡膠會附著于螺桿內(nèi)表面，跟著螺桿旋轉(zhuǎn)而不向前推進。機筒內(nèi)表面與橡膠的摩擦力越大，擠出推進力也就越大，這就是橡膠擠出的原理。如果觀察看一下圖7上螺桿與螺栓的關(guān)系，就容易理解這種擠出原理了。最近生產(chǎn)的高速擠出機的機筒內(nèi)表面保持了一定的粗糙性，且嵌入加強筋，這樣可以提高摩擦力。通過調(diào)節(jié)機筒和螺桿的溫度，就可以有效地控制溫度，從而調(diào)整摩擦力?？?，再到機頭、口型的流動行為進行討論。

圖7　擠出原理與機筒、螺桿跟橡膠摩擦的關(guān)系

1.2.2螺桿結(jié)構(gòu)以及剪切生熱和混煉分散性的控制

在擠出機、注射成型機工作過程中，螺桿的重要作用不可小覷。因此，在控制外部加熱的同時，橡膠本身的剪切生熱也會使溫度升高，這樣可以促進混煉、分散和塑化。如上所述，橡膠加工時其黏度比較高，所以剪切生熱也大。雖然從溫升的角度看，剪切生熱可以有效節(jié)省能量，但是，另一方面它又會成為產(chǎn)生焦燒和熱老化的原由，因此，對溫度要進行調(diào)節(jié)是很重要的。橡膠本身剪切生熱時的溫差ΔT（K）可用式（3）求得：

ΔT=2Lηγ/（ρCR） （3）

式中：η為橡膠黏度（Pa·s）；C為比熱（J/kg·K）；γ為剪切速率（s-1）；L為螺桿長度（m）；R為螺桿半徑（m）；ρ為橡膠密度（kg/m3）。

螺桿的結(jié)構(gòu)對剪切生熱的影響甚大。與普通的全螺紋螺桿相比，柱式結(jié)構(gòu)和攪拌結(jié)構(gòu)的剪切生熱均較大。但是，由于螺桿內(nèi)的混煉效果好，所以其螺紋溝內(nèi)的溫度控制非常理想，溫度變化幅度小，不容易產(chǎn)生焦燒或凝膠化。螺桿結(jié)構(gòu)與這些參數(shù)的相關(guān)性見表2。

如表2所示，螺桿內(nèi)的剪切生熱，隨壓縮部位壓縮的方式不同而發(fā)生變化。也就是說，如果慢慢壓縮，膠料會緩慢生熱；如果快速壓縮，則會急劇生熱。希望能根據(jù)橡膠的硬度和流動性來調(diào)整壓縮方式。在實際加工過程中，發(fā)現(xiàn)機頭壓力有所變動，機筒溫度也有所變化，要馬上進行調(diào)整，設(shè)定適宜的加工條件。

表2　橡膠用螺桿結(jié)構(gòu)與剪切生熱、溫度控制和塑化效果的相關(guān)性

從橡膠擠出機機筒到口型膠料出口處的設(shè)定溫度和壓力狀態(tài)見圖8所示。設(shè)定溫度可從機筒一側(cè)開始，逐步提高，面對著機頭，向螺桿內(nèi)的膠料施加壓縮力，如此輸送橡膠。作為一種平衡機筒各部橡膠的擠出量的方法，在設(shè)計螺桿結(jié)構(gòu)和設(shè)定溫度時，要遵循V1＞V2＞V3＞V4＞V5的排列順序，稍微加大一些輸送一側(cè)的擠出量，以實現(xiàn)平衡機筒各部橡膠擠出量的目的。

1.2.3通過改變?yōu)V膠板上篩孔的大小以調(diào)節(jié)背壓流以及由剪切生熱導(dǎo)致的流動行為

在螺桿的端部，改變設(shè)置在濾膠板上的篩孔的孔徑，就可以調(diào)節(jié)黏性流和背壓流。如果減小篩孔的孔徑，則阻力增大，黏性流減少，背壓流增大。這樣，可以提高混煉效果；剪切生熱增大，混煉分散效果可得到提高。其混煉狀態(tài)見圖9所示。擠出量V（cm3/s）可由式（4）計算獲得。

圖8　機筒溫度設(shè)定和機筒內(nèi)的壓力

圖9　濾膠板（篩孔）上的背壓流和剪切生熱加劇

黏性流是向口型流動的膠料流量；背壓流是其逆向的流量。在設(shè)計螺桿結(jié)構(gòu)時應(yīng)該考慮這二種流量因素。如果α大了，則螺桿端部的背壓流變大，剪切生熱增加，這樣可增大混煉效果，提高膠料溫度。α值系以0.3～0.4以下作為標(biāo)準(zhǔn)值。但是，在實際的擠出過程中，無論如何都有必要對粘性流和背壓流進行微調(diào)。通過改變機筒溫度和所產(chǎn)生的壓力，就可以調(diào)節(jié)黏性流和背壓流，還可以通過調(diào)節(jié)篩孔的大小來達(dá)此目的。

1.2.4膠料從機頭到口型出口處的流動和口型溫度調(diào)節(jié)

膠料在機頭中流動，其流動層比較厚。加之，膠料塑化充分和黏度變化小，所以口型部的設(shè)計和溫度調(diào)節(jié)是非常重要的。擠出機的口型設(shè)計，同機筒溫度調(diào)節(jié)、螺桿設(shè)計一樣，均是最重要的環(huán)節(jié)，它們是影響產(chǎn)品質(zhì)量的重要因素。口型設(shè)計和進行溫度調(diào)節(jié)的部位示于圖10。正如圖11所示，將口型溫度調(diào)節(jié)至適宜溫度下，可使毛細(xì)管內(nèi)膠料均勻流動，膠料擠出量穩(wěn)定下來。這樣，就可以改善由于焦燒而形成的表面粗糙和擠出膨脹率。當(dāng)然，對于口型角度、合模面長度和膠料容量等指標(biāo)的設(shè)計，也希望能與橡膠黏度和流動性相匹配。

圖10　口型結(jié)構(gòu)和口型溫度調(diào)節(jié)

圖11　由于溫度調(diào)節(jié)所導(dǎo)致的毛細(xì)管內(nèi)膠料的溫度分布變化

1.2.5膠料在螺桿內(nèi)的流動行為（與塑料作比較）

為了觀察膠料在機筒內(nèi)的流動狀態(tài)，將經(jīng)過可視化技術(shù)和模擬技術(shù)驗證過的具有代表性的實例與塑料作了比較，比較結(jié)果見圖12所示。根據(jù)圖12可以理解，橡膠和塑料都是面朝著流動方向，從擠出螺紋一側(cè)開始熔融并塑化，且處于流動的狀態(tài)。另一橡膠所特有流動狀態(tài)如圖13所示。即，在螺桿表面與橡膠的界面處可見到有滑動現(xiàn)象產(chǎn)生。由于膠料與螺桿表面多次接觸，導(dǎo)致膠料黏度提高，所以，可以看到膠料與金屬表面之間產(chǎn)生了邊滑動、邊流動的行為。

1.2.6擠出成型機與注射成型機的比較

以上對從擠出成型機的料斗到口型之間的加熱、傳熱和熱流動進行了剖析。注射成型機的塑化和擠出工序與擠出成型機的基本相同。在擠出成型機的機頭中，用兼具活塞功能的螺桿注射經(jīng)過計量的橡膠膠料（在線式）。另外一種設(shè)置是通過活塞汽缸向模具中注射膠料（螺桿預(yù)塑化方式），這是它們的不同點。此處只是介紹螺桿擠出前的工藝。

圖12　橡膠、塑料在機筒和螺桿內(nèi)的流動狀態(tài)

圖13　螺桿表面和橡膠表面上的流動行為

2　擠出機和注射成型機（擠出機構(gòu)）的熱控制和與橡膠流動相關(guān)聯(lián)的幾個問題

作為在加工中產(chǎn)生的問題，可以列舉的有焦燒、外觀缺陷、流痕、口型前膨脹、氣泡和凝膠化等，認(rèn)為這全都是由于熱控制不良所致，也不為過。其中，具有代表性的問題及其解決措施列于表3。

表3　與擠出、注射成型中的加熱、傳熱和膠料流動有關(guān)聯(lián)的研究課題

在橡膠加工過程中，焦燒是一個最難把握且令人頭痛的問題。外觀缺陷也是產(chǎn)生幾率最大，令人苦苦思索而不得其解。特別是用直角機頭和螺桿擠出的制品，其流痕與決定制品質(zhì)量的表面缺陷有關(guān)聯(lián)。這些問題都與上文談到的機筒、螺桿、機頭和口型的加熱、冷卻以及剪切生熱的控制是否得法密切相關(guān)。

3　結(jié)束語

以上匯總了擠出機、注射成型機的螺桿擠出部位的熱控制和橡膠膠料的流動行為。

［責(zé)任編輯：張啟躍］

參考文獻：

［1］ 西澤仁. 押出·射出成形機のスクリュー押出部での熱制御とゴム流動及び発生する課題［J］. 日本ゴム協(xié)會誌，2015（4）：136-143.

中圖分類號：TQ 330.4+4

文獻標(biāo)志碼：B

文章編號：1671-8232（2016）07-0032-08

收稿日期：2015-12-04