如何估算和控制機頭壓力

文/ Frankland Plastics Consulting公司Jim Frankland

擠出加工商們時常被熔體溫度問題所困擾，但卻可能忽視機頭壓力。事實上，二者是密切相關(guān)的。

對擠出加工商們來說，機頭壓力似乎不是一個大問題，但他們卻常常被熔體溫度所困擾。事實上，機頭壓力與熔體溫度關(guān)系密切。在敞開出料時，熔體溫度僅是擠出機的一個應(yīng)變量，由螺桿設(shè)計、螺桿轉(zhuǎn)速、螺桿的L/D比、聚合物性能、螺桿與機筒狀態(tài)以及機筒的加熱/冷卻效率來控制。它可以說是一個基準(zhǔn)溫度，需要通過改變上述的一個或多個變量來對其進(jìn)行調(diào)節(jié)。

不過，當(dāng)機頭壓力施加到擠出機末端時，隨著壓力的增大，熔體溫度會從這個基準(zhǔn)溫度開始，非線性地升高。這是壓力流的級聯(lián)效應(yīng)而導(dǎo)致的。簡單來說就是：隨著機頭壓力增大，螺桿的擠出量降低；當(dāng)螺桿繼續(xù)旋轉(zhuǎn)而擠出量變小時，通過剪切應(yīng)力進(jìn)入聚合物的能量會增加；增加的能量會導(dǎo)致熔體溫度升高、聚合物黏度降低；這進(jìn)一步增加了壓力流并降低了擠出量。

因此，熔體溫度與機頭壓力相關(guān)，高熔體溫度和高機頭壓力會導(dǎo)致產(chǎn)量下降，功率需求變大，對下游冷卻的需求也增多，甚至?xí)档途酆衔镄阅?。如果這個問題沒有得到足夠的重視，而是隨意處理一下，可能會增加成本，影響整個系統(tǒng)的性能。

熔體泵能使機頭壓力遠(yuǎn)低于全機頭壓力（full head pressure），從而可以在很大程度上校正這種效應(yīng)帶來的影響。不過，由于填料的使用，以及存在聚合物降解和污染的可能，因此許多工藝不允許使用熔體泵。對于這些應(yīng)用，下游模具的設(shè)計對生產(chǎn)線的性能和盈利能力非常關(guān)鍵。但不幸的是，機頭壓力對選擇下游組件的重要性以及對整個工藝產(chǎn)生的影響總是被忽視。

其實，通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)計可以精確地估算和控制機頭壓力。這其中涉及的主要內(nèi)容很簡單，如限制合流芯和流管的長度，適當(dāng)調(diào)整換網(wǎng)器的尺寸，針對聚合物的性能來設(shè)計模頭，根據(jù)預(yù)期的擠出量適當(dāng)調(diào)整所有流道的尺寸，以及下游組件的適當(dāng)加熱。

對于常見的圓形流道、狹縫型流道以及環(huán)形流道來說，有簡單的牛頓公式可以用于估算機頭壓力（如表和圖1中所示）。不過，需注意的一點是，要使用牛頓方程必須要計算出剪切速率，并在適當(dāng)?shù)臏囟认赂鶕?jù)某一聚合物的剪切速率/黏度曲線來確定其黏度。牛頓的這一分析忽略了一些黏彈性效應(yīng)，如壁上的黏性加熱和流動形狀變化時的入口效應(yīng)。雖然這些是近似值，但用于設(shè)備選擇足夠了。

圖1對于圓形流道來說，壓力的增量（ΔP）與流道長度正相關(guān)，與流道的半徑負(fù)相關(guān)；對于狹縫型流道來說，ΔP同樣與流道長度正相關(guān)，而與流道的寬度和高度負(fù)相關(guān)；對于環(huán)形流道來說，ΔP與流道長度正相關(guān)，與環(huán)形的半徑之和乘以半徑之差的三次方負(fù)相關(guān)

表 不同形狀的流道所產(chǎn)生的壓力降和剪切速率

圖2 流道壁處的剪切應(yīng)力需要足夠大，以確保壁附近的材料持續(xù)更新，避免在壁上結(jié)垢或形成靜態(tài)層。模具設(shè)計師有自己的偏好，但剪切應(yīng)力一般為10 psi（0.00689 MPa）

從表中可以看出：

1.對于圓形流道來說，壓力的增量（ΔP）與流道長度正相關(guān)，與流道的半徑負(fù)相關(guān)，即流道越長，ΔP越大，而流道半徑越大，ΔP越小。

2.對于狹縫型流道來說，ΔP同樣與流道長度正相關(guān)，而與流道的寬度和高度負(fù)相關(guān)，即流道越長，ΔP越大，流道的寬度和高度越大，ΔP越小。

3.對于環(huán)形流道來說，ΔP與流道長度正相關(guān)，與環(huán)形的半徑之和乘以半徑之差的三次方負(fù)相關(guān)。

因此，為了使機頭壓力最小化，流道應(yīng)盡可能的短且截面應(yīng)該盡可能的大。但是，這種“盡可能的大”有一定的限制。

在擠出過程中，流道壁處的剪切應(yīng)力必須足夠大，以確保壁附近的材料能持續(xù)更新，實現(xiàn)良好的清潔作用，避免結(jié)垢或形成靜態(tài)層（如圖2所示）。

不同的模頭設(shè)計師首選的應(yīng)力水平會有所區(qū)別，但比較常用的值約為 10 psi（0.00689 MPa）。如果流道壁上的剪切應(yīng)力太低會造成流動不穩(wěn)定以及擠出物停留時間的顯著差異，這會使擠出物的溫度存在明顯差別。如果是熱敏性聚合物，靠近壁的一層甚至可能降解，所以控制壁上的剪切應(yīng)力非常重要。其計算公式如下：

壁上的剪切應(yīng)力=ΔP·R/2L

其中，R為圓形孔口的半徑或狹縫開口（H）之間的間隙或是環(huán)形模頭中的間隙（Ro－Ri）。

除了流道的長度、橫截面面積以及流道壁上的剪切應(yīng)力外，對下游模具進(jìn)行適當(dāng)?shù)募訜釋τ诳刂茩C頭壓力也非常重要。模具溫度應(yīng)盡可能接近熔體溫度，這樣可以防止在內(nèi)壁結(jié)垢或形成更冷、更黏稠的聚合物靜態(tài)層。這些問題會使流道變窄并導(dǎo)致壓降增加。

總之，當(dāng)需要組裝一條新的擠出生產(chǎn)線時，應(yīng)在估算擠出量和冷卻時，考慮來自模頭的機頭壓力的影響。而這一壓力值的計算是通過最小化流道長度并調(diào)節(jié)流道橫截面的尺寸，以確保流道壁上的剪切應(yīng)力盡可能接近10 psi（0.00689 MPa）而實現(xiàn)的。