FEP絕緣特種電纜擠出工藝之探索

張靈軍，楊紅軍

（金川集團電線電纜有限公司，甘肅 金昌737100）

聚全氟乙丙烯（FEP）簡稱F-46，是四氟乙烯和六氟丙烯的共聚物，六氟丙烯的含量約15%左右，是聚四氟乙烯的改性材料。FEP樹脂既具有與聚四氟乙丙烯相似的耐高溫、低溫、防水、防油、耐磨、耐酸堿及多種化學(xué)試劑和不延燃等特性，又具有熱塑性塑料的良好加工性能。因而它彌補了聚四氟乙丙烯加工困難的不足，使其成為代替聚四氟乙丙烯的材料，在電線電纜生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用于高溫高頻下使用的電子設(shè)備傳輸電線、電子計算機內(nèi)部的連接線、航空宇宙用電線及其它特種用途的電線電纜。其產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用于航空航天、機車車輛、能源、有色金屬冶煉、石油開采、電機等領(lǐng)域需要耐高溫、低溫、耐腐蝕的惡劣環(huán)境中。公司結(jié)合市場需要，自主開發(fā)了FEP絕緣耐溫耐蝕特種電纜新產(chǎn)品，填補了西北地區(qū)的空白。以下就此產(chǎn)品開發(fā)過程中的實踐經(jīng)驗與大家分享，以便同行進一步了解和掌握FEP擠出工藝的要點，在今后的生產(chǎn)中作出正確的選擇和控制。

1 FEP樹脂的熔體破裂及流變性能

為了正確設(shè)計擠出機模具，控制和掌握FEP樹脂的加工條件，首先應(yīng)了解FEP的熔融破裂的原因及其流變性能。

1.1 熔體破裂

當熱塑性樹脂流過?？跁r，其擠出物表面呈粗糙狀，這種不穩(wěn)定的流動時有發(fā)生，這種表面呈粗糙狀的現(xiàn)象實際為熔體破裂所致，其原因是由于過高的剪切應(yīng)力對熔體的撕扯所造成。對于指定尺寸孔徑的模具，擠出速度太快是最常見的導(dǎo)致熔融破裂的原因，熔融破裂發(fā)生在流動速率高于聚合物的“臨界剪切速率”。為使大家對熔體破裂現(xiàn)象有感性的認識，圖1（沒有熔融破裂）與圖2（有熔融破裂）分別給出了產(chǎn)品的實物樣圖，以便在生產(chǎn)過程中認真判斷。

為了在電線電纜生產(chǎn)中盡量消除或改善熔融破裂和提高生產(chǎn)率，通常采取以下措施：第一，采用擠管式模具，擴大模子的開口，以減慢聚合物在模口的流速，使之在低于臨界剪切速率的適中擠出速度下擠出樹脂，并提高生產(chǎn)率；第二，在不致使樹脂分解的前提下，盡可能提高熔融樹脂的溫度，以降低樹脂粘度，從而提高其臨界剪切速率。

圖1 沒有熔融破裂

圖2 錐內(nèi)壁產(chǎn)生熔融破裂

有些熔融破裂的條件可能被樹脂的潮氣，降解和污染造成的表面粗糙所掩蓋。不滿足條件的修正判斷，可以用降低擠出速度的瞬間，觀察粗糙表面的情況來作出判斷。如果情況變好了，則是屬熔融破裂。相反，如果情況依然如此，后者甚至更壞，那就是由樹脂的潮氣，降解或污染引起的，就要采取相應(yīng)的調(diào)整措施。

1.2 剪切應(yīng)力和剪切速率（3）

圖3是一幅FEP樹脂在熔體溫度和模具溫度不變的條件下，可能的流動分析圖。從此可以看出剪切應(yīng)力隨剪切速率升高而增加，圖3顯示了在擠出中四個可能的區(qū)域。I區(qū)是平時操作的廣泛區(qū)域。從I區(qū)上行，到達II區(qū)，由于流動速率的升高，擠出物有光滑的表面轉(zhuǎn)向粗糙的熔融破裂的擠出物。到達III區(qū)時，重新得到光滑的擠出物，通常稱為＂超剪切區(qū)＂。＂超剪切＂擠出時，熔體的流動已經(jīng)完全失去了對模套，模芯壁上的粘附。這種現(xiàn)象伴隨機頭中流動阻力減小而使擠出壓力指數(shù)級下降。這時擠膠量大幅提高，對最終擠出物的機械性能要求不是十分重要的場合，這種擠出操作是可行的。＂超剪切＂操作的機械性能大約比給出的標準值低5%～10%，在IV區(qū)，擠出物再度粗糙，這是樹脂機械降解所致。

圖3 剪切應(yīng)力與剪切速率-擠出物在四個區(qū)域中的表現(xiàn)

圖4 套管式模具

剪切速率，剪切應(yīng)力，出膠量和模具的幾何尺寸之間的相互關(guān)系見圖4。對于一指定的模具尺寸，剪切速率增加，樹脂的出膠量隨之增加，壓力、剪切應(yīng)力也相應(yīng)增加。如果模具尺寸是固定的，溫度保持不變，那么圖3變成了壓力對出膠量的特性圖。

這里 L=模具承徑長度（mm）

P=模具截面的壓降（Mpa）

q=體積流動速率（mm3/s）

Q=擠出速率 (㎏/h)

γ=壁上估計剪切速率（S-1）

τ=壁上估計剪切應(yīng)力（Mpa ）

＊ρ=熔體密度：FEP=1.492g/㎝3

2 FEP擠出時工藝要點

在推薦的加工溫度下，F(xiàn)EP樹脂比其它大多數(shù)熱塑性樹脂更粘稠。不同牌號的產(chǎn)品其熔融指數(shù)（MFR：即在恒定壓力和溫度下，在10分鐘內(nèi)，通過一指定孔徑的材料克數(shù)）分別在3～6.5之間，因此FEP在擠出生產(chǎn)時工藝條件比其他塑料樹脂更為苛刻。了解了FEP樹脂的熔融破裂及其流變性能后，可見影響其擠出性能的主要因素有擠出溫度、速度，剪切速率、配模等。

2.1 擠出溫度

在不存在熔融破裂的情況下，熔體溫度是影響粘度的重要因素。合適的熔體、模套、模芯溫度和線芯溫度是實現(xiàn)高速度擠出是前提。對于小線結(jié)構(gòu)，其模套溫度常常要高出熔體溫度25℃～40℃。擠出機的溫度分布：擠出機一般以280℃（進料口）至380℃（機頭）直線上升的溫度分布為好；機頭溫度波動范圍不大于±5℃，并應(yīng)在不致使樹脂分解的前提下，盡量提高機頭溫度，以降低樹脂的熔融粘度。擠出機機身（自進料口至機頭）、機頭、模套的參考溫度如下：機身 第一段 280℃～310℃；第二段 315℃～330℃；第三段 340℃～360℃；第四段 360℃～380℃；機頭380℃ 模套 380℃～410℃。

2.2 拉伸比與拉伸平衡度的控制

2.2.1 拉伸比

圖5 典型的擠管式模具

圖6 絕緣內(nèi)壁和外表面等量拉伸

在擠管式模具中，拉伸比（DDR）是由模具開口環(huán)形截面積和最終絕緣的截面積之比來確定的。如圖5所示那樣。對于FEP樹脂一般要求為110～50之間，不同廠家不同牌號的要求不盡相同，可在實際生產(chǎn)時參考廠家提供的經(jīng)驗數(shù)值。

2.2.2 拉伸平衡度

在選擇模套和模芯時需要考慮的另外一個重要問題是圖6所描述的拉伸平衡度（DRB）。拉伸平衡系數(shù)是擠出拉伸工藝收縮平衡的控制參數(shù)，它決定了擠出拉伸后絕緣層達到所要求的厚度時，絕緣層與導(dǎo)體之間結(jié)合的緊密程度。對于FEP樹脂，理想的DRB為1。（這意味著熔融樹脂管子的內(nèi)壁和外壁等量拉伸），當然控制0.9～1.15也可以的，但DRB過?。ㄈ纾?.9），那絕緣包層很可能失圓，或者松包，或者形成像雞蛋型截面，如果DRB過大（如≥1.2），則會造成熔體撕裂。

2.3 模具選擇

普通電線結(jié)構(gòu)用的模具尺寸可以通過公式1（DDR）和公式2（DRB）計算出來。如果已知了DDR值，那么下列簡化公式可以用于確定模芯和模套的尺寸。

為了減少熔體圓錐在模芯端口的撕裂，模芯端面外徑上必須有0.1mm園弧角（見圖4）。上述公式是在DRB為1的時候確定的模具尺寸。

2.4 導(dǎo)電線芯預(yù)熱

冷的線芯接觸到模芯內(nèi)壁會使模芯溫度下降，造成擠出絕緣的內(nèi)壁熔融破裂，與熔體接觸，可使接觸部分熔體溫度驟降產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。這種現(xiàn)象可以通過導(dǎo)電線芯預(yù)熱加以解決。為保證擠出的F-46絕緣層內(nèi)外溫度均一，常用的線芯溫度為150℃～180℃。當預(yù)熱過的線芯上擠包樹脂時，如果產(chǎn)生氣泡，可能因為線芯表面的揮發(fā)物和油，潮氣之類的雜質(zhì)所致。降低線芯表面雜質(zhì)含量的方法是在電氣預(yù)熱之前先用超聲波清洗器或者煤氣火焰處理一下。

2.5 定型冷卻速度

由于FEP樹脂是一種結(jié)晶性有機高分子材料，由于其加工溫度較高，所以冷卻介質(zhì)的溫度應(yīng)達到材料晶核生長速度和晶粒生長速度的最佳比例。當FEP樹脂熔體緩慢冷卻到晶體熔點以下溫度時，大分子重新結(jié)晶，結(jié)晶度在50%～60%之間；當熔體以淬火方式迅速冷卻時，結(jié)晶度較小，在40%～50%之間，而且晶體隨樹脂和加工成型溫度及熱處理方式的不同而有一定的差異。據(jù)此情況，F(xiàn)-46的定型冷卻必須采用階梯式冷卻的方式對熔體采用緩冷，以避免加工過程中因結(jié)晶內(nèi)應(yīng)力的存在而產(chǎn)生裂紋，同時也可避免由于熔融的絕緣層外面受到冷卻水的急速冷卻產(chǎn)生的收縮孔，影響產(chǎn)品的質(zhì)量。一般對FEP樹脂冷卻介質(zhì)的初始冷卻溫度可選擇在70℃～80℃之間，溫度也不能太高。如果溫度太高，對大規(guī)格的擠包層來說易使擠包層的表面產(chǎn)生麻點。主要原因是因為水的汽化點只有100℃，而在擠出過程中的FEP樹脂溫度很高，進入水槽前近300℃之高，與太高溫度的水相與會立刻產(chǎn)生汽化，由于汽化的壓力會將未來的及冷卻的熔體軟表面壓成麻面。

3 結(jié)論

FEP樹脂的擠出工藝比其他塑料有許多不同的特點。FEP樹脂擠出溫度較高，影響產(chǎn)品擠出性能的因素較多，如果控制不當，將直接影響了產(chǎn)品的質(zhì)量，所以應(yīng)特殊加以控制。FEP樹脂的擠出剪切速率、模具的選配、擠出拉伸比與拉伸平衡比、定型冷卻速度等工藝條件均比其他塑料樹脂的要求苛刻，只有了解和掌握了其工藝性質(zhì)的特點，才會在FEP樹脂的擠出工藝過程中做出正確的選擇與控制。