聚丙烯挤出发泡中_熔体破裂_现象分析

2023-09-28 来源：客趣旅游网

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塑料工业

CHINAPLASTICSINDUSTRY第33卷第1期2005年1月

聚丙烯挤出发泡中“熔体破裂”现象分析

徐志娟,何继敏,朱复华,薛　平

(北京化工大学机电工程学院,北京100029)

　　摘要:研究了聚丙烯挤出发泡过程中“熔体破裂”现象及其对发泡体质量的影响。对比采用不同形状的机头口模的发泡试样,发现不能建立足够高压的机头中,PP/气体形成的单相溶液在离开机头口模之前发生相分离,提前发泡,使表面发生“熔体破裂”,发泡体的质量差;不同螺杆转速和机头温度对发泡体质量影响不同:对应一定温度,存在获取高质量泡沫的最佳螺杆转速范围(对Φ2mm喷丝机头,转速为30～40r/min);相同转速下,温度过低(低于150

)或过高(高于185℃)都会使挤出物表面产生“熔体破裂”现象,表面质量相对较差。℃

　　关键词:聚丙烯;发泡;熔体破裂;机头形状

　　中图分类号:TQ320166+3　　　文献标识码:A　　　文章编号:1005-5770(2005)01-0030-04

MeltFractureandItsEffectsonFoamQualityinExtrusionFoamingofPP

XUZhi2juan,HEJi2min,ZHUFu2hua,XUEPing

(CollegeofMechanicalandElectricalEng1,BeijingUniversityofChemicalTechnology,Beijing100029,China)

Abstract:ThemeltfractureduringtheextrusionfoamingprocessofPPanditseffectsonfoamsqualitieswerestudied1Comparedwiththefoamingsamplesextrudedbydifferentdies,itwasfoundthatthesinglephaseofPP/gasessolutionseparatedbeforethemixtureleftthedieandadvancedfoaminghappenedbecausethediecouldnotes2tablishhighenoughpressure1Therefore,themeltfracturehappenedandthequalitiesofthefoamswerepoor1Differentscrewspeedsanddietemperatureshaddifferenteffectsonthequalitiesoffoams1Therewasanoptimal

rangeofscrewspeed(Φ2mmfilamentdie,screwspeedfrom30to40rpm)atgiventemperature;overhigh(higherthan190℃)oroverlow(lowerthan135℃)dietemperaturewouldleadtothemeltfractureofextruderatsamescrewspeed,andthequalitiesoffoamswouldbecorrespondinglypoor1

Keywords:PP;Foam;MeltFracture;DieShape

　　聚合物在加工过程中流动会出现不稳定现象,其根源是高分子的长链在分子水平上缠结,导致高粘、慢松弛和高法向应力[1],当剪切速率超过临界剪切速率时,挤出物表面变得粗糙、失去光泽、粗细不均和扭曲,成为波浪形、竹节形或周期性螺旋形,在极端严重的情况下,甚至会断裂成为形状不规则的碎片或圆柱,即出现熔体破裂现象。聚丙烯(PP)在发泡成型过程中,常因挤出物发生“熔体破裂”而使发泡失败。熔体破裂现象对发泡体的表观质量和泡体结构影响巨大。对PP的熔体破裂现象的研究已有一些[2,5]。但对特殊的挤出发泡过程中PP的熔体破裂研究则很少。本文主要研究了PP挤出发泡过程中由于气体的存在,聚合物熔体出现流动不稳定,产生的所有表面不光滑的现象,即广义的“熔体破裂”现象

以及其对发泡体质量的影响,以期对PP泡沫挤出生产具有一定指导意义。

1　实验部分

111　原料和设备

　　聚丙烯:密度0191g/cm3,熔体质量流动速率0145g/10min,燕山石化公司;发泡剂:偶氮二甲酰胺(AC),市售;助发泡剂:硬酯酸锌[Zn(St)2]和氧化锌(ZnO):市售;交联改性剂:过氧化二异丙苯(DCP),市售;助交联剂:二乙烯基苯,市售。　　单螺杆挤出机:SJK245×25-3,哈尔滨塑料机械模具厂;电镜扫描仪:S250型,英国剑桥公司。112　实验过程

　　按比例称量PP和各种助剂,在PP树脂中加入适量液体石蜡,使料粒表面均匀润湿,将交联剂和交联

Ξ北京化工大学青年基金(QN0215)

第33卷第1期徐志娟等:聚丙烯挤出发泡中“熔体破裂”现象分析・31・

助剂按比例配置的溶液加入混合料中,加入发泡剂、助发泡剂、成核剂等粉料,用混合机混合5～10min,使粉料均匀黏附在粒料表面。当挤出机各段的温度达到设定温度并保温一段时间后,将配好的混合物加入料筒,并在一定螺杆转速下挤出。

2　结果与讨论

211　提前发泡对熔体破裂的影响

Φ2mm　　实验中采用了45mm×3mm的板材机头、

的线材喷丝机头、Φ5mm的棒材机头、Φ20mm×2mm的环形口模和100mm×1mm缝形口模进行对比。在用这些机头成型的发泡体中有些发生熔体破裂,这主要是由于无法建立高压,导致发生提前发泡。　　发泡过程中最基本的要求是熔体能够保留住发泡气体,而且聚合物/气体形成的单相溶液离开口模后才发生相分离并发泡膨胀,这是得到均匀细密的发泡体的先决条件,所以熔体压力在离开口模前必须始终高于气体压力,即挤出机内物料沿螺杆轴向的最佳压力分布曲线由泡孔内气体的压力分布曲线决定。图1是产生良好泡沫时,挤出机内的熔体(物料)与泡孔内的气体压力分布图。从图1可看出,气体压力的产生要滞后于熔体压力的产生。所以通过选择适当的机头结构、温度和螺杆转速,控制PP物料在进入压缩段之前就能熔融一部分并基本软化,以使物料及早压实并先形成熔体压力,这样便可有效防止发生提前发泡现象。

　a-挤出试样　　　　　b-试样的SEM图

图2　板材机头挤出试样

Fig2Photoofsampleextrudedbysheetdie

图3　板材试样挤出时不同位置的熔体压力分布图Fig3Meltpressureatdifferentpositionsduring

extrusionofsheetsample

　　图4是用线材喷丝机头挤出的试样的SEM图

(其它条件与图2试样相同)。在相同螺杆转速下,机头形状不同,所产生的机头压力也不同。图4中的试样表面较光滑,泡孔结构细密均匀,发泡倍率高、质量好(泡体密度0112g/cm3,发泡倍率7158);而由板材机头(图2)得到的泡沫的泡孔很大,发泡倍率不高(泡体密度0169g/cm3,发泡倍率1133)。

图1　挤出机物料与气体压力的分布示意图

Fig1Schematicdiagramofmeltandgases

pressuredistribution

图4　线材试样SEM图片

Fig4SEMmicrographoffilamentsample

　　图2a为由板材机头挤出发泡的PP试样,图2b

是其电镜扫描(SEM)图片,其挤出时的实测熔体压力分布如图3所示(其中位置4是机头口模入口位置)。显然,该挤出过程的压力分布不能有效地对发泡剂分解的气体施加全程高压,因而机头内可能出现了提前发泡,使发泡体表面产生不光滑现象,得到的泡孔结构也不均匀细密。

　　图5和图6分别为采用环形口模和缝形口模挤出时,PP发泡管材和板材的“熔体破裂”现象,挤出发泡体从口模出来即发生“熔体破裂”,泡体表面粗糙、杂乱。挤出中有大量气体逃逸,很难形成均匀规格的发泡体。

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泡,将在挤出物表面出现“熔体破裂”现象,影响发

泡结果和泡沫质量。为了避免提前发泡,必须优化设计机头口模,尽量避免螺杆头部和机头口模处的压力损失。同时,通过机头部分的阻遏作用,在机筒和口模中建立高压,抑制提前发泡的发生。212　螺杆转速对“熔体破裂”的影响

图5　环形口模挤出PP发泡管材的“熔体破裂”现象

Fig5MeltfractureofPPfoamedpipebyringdie

　　螺杆转速对挤出试样的“熔体破裂”和表观质量的影响见表1。从表1可看出,一定温度下,随着螺杆转速的提高,机头压力逐渐增大,挤出物的表面质量则由差变好,最后又变差,存在最佳螺杆转速。　　螺杆转速对“熔体破裂”的影响主要有两个方面:一方面是螺杆转速影响机头压力,当螺杆转速很低时,机头背压很低,发生提前发泡,从而造成“熔体破裂”;另一方面,螺杆转速影响剪切速率和壁面切应力,当螺杆转速过高时,壁面切应力超过某一临界切应力,如同其它熔体,PP熔体与挤出流道之间产生粘合失效,从而导致熔体滑移,使挤出物流动不稳定,产生表面缺陷。机头压力和剪切作用提供了两种相逆的作用趋势,当转速低时,剪切作用不大,但机头压力也很小,无法使熔体对发泡气体保持高的溶解度,因此气体大量逸出,出现糕状表面;当转速很高时,机头压力很大,但由于壁面剪切作用很大,超过了临界切应力,导致出现熔体破裂。因此,在发泡过程中存在最优的挤出螺杆转速。

表1　螺杆转速对挤出发泡状况的影响

(Φ2mm的喷丝机头)

Tab1Extrusionfoamingatsamedietemperatureand

differentscrewspeedsbystranddie

螺杆转速/

r・min-1

1020304050

图6　缝形口模挤出PP发泡板材的“熔体破裂”现象

Fig6MeltfractureofPPsheetsamplebysplitdie

　　图7为PP发泡时“熔体破裂”过程的示意图。

当含气体的PP熔体所处压力高于发泡的临界压力pcr时,气体溶于熔体,熔体呈单相状态,其压缩性与不含气体的熔体一样。由于机头结构、工艺参数等原因造成挤出背压不足时,熔体所处压力有可能在口模内就低于pcr,于是在该处熔体中所含过饱和气体离析出来形成气相,溶解气体与熔体组成的单相混合物转变为游离气泡与熔体组成的可压缩两相混合物。气泡在膨胀和流动过程中受到口模的高剪切作用,导致泡孔发生破裂与合并,层流流动受到破坏,形成气液混合物的弹性湍流,引起熔体的不稳定流动。熔体与气泡组成的可压缩混合物一离开口模即发生弹性回复,熔体内部和表层的气泡在弹性回复力的作用下进一步发生破裂,加之泡孔破裂后释放的气体猛烈冲击熔体,于是发生“熔体破裂”。这种破裂过程与爆炸气体由于高压而急剧地冲击周围介质,导致在爆炸点周围物体的破碎和强烈变形的爆破过程相似。

机头压力/MPa

31061191011101315

挤出物表面状况

发泡气体大量逸出,表面如糕状表面有破裂现象,但有好转表面光滑,泡体结构良好

表面较光滑,挤出物有点波动出现粗糙表面213　口模温度对“熔体破裂”的影响

图7　PP发泡时“熔体破裂”过程的示意图

Fig7SchematicdiagramofmeltfractureofPPfoam

　　以上分析表明,挤出发泡过程中如发生提前发

a-190℃　　　　　　　b-145℃

第33卷第1期徐志娟等:聚丙烯挤出发泡中“熔体破裂”现象分析・33・

式中,NA为Avogadro准数;Rg为通用气体常数;h为Plank常数;T为绝对温度,K。　　当口模温度过低(在挤出发泡过程中低于150)时,PP熔体粘度高,流动性下降,在流动方向℃

的阻滞和径向泡体膨胀的共同作用下,挤出熔体会出现波浪形、划痕和竹节形脉动现象(如图8b、c所示)。

c-150℃

图8　不同口模温度挤出时的发泡试样

Fig8Foamedsamplesextrudedatdifferentdietemperature

3　结论

　　1)不能建立足够高压的机头中,PP/气体形成的

单相溶液在离开口模之前发生相分离,提前发泡,使表面发生“熔体破裂”,发泡体的质量差;　　2)不同螺杆转速对挤出物质量影响不同:对应一定温度,存在获取高质量泡沫的最佳螺杆转速范围(对Φ2mm喷丝机头,转速为30～40r/min);

)或过　　3)在相同转速下温度过低(低于150℃

)都会使挤出物表面产生“熔体破高(高于185℃

裂”现象,表面质量就相对较差。参考文献1　顾学军,陈小媛,范五一1塑料工业,2002,(6):42　TaoZH,HuangJC1Polymer,2003,(10):7193　陈晓媛,王港,范五一等1中国塑料,2003,(6):644　BagleyEB,SchreiberHP1TransSocRheol,1961,(5):3415　HanCD,LamonteRR1PolymEngSci,1971,(11):3856　吴舜英,徐敬一1泡沫塑料成型1北京:化学工业出版社,

1999

(本文于2004-10-27收到)

　　图8是不同口模温度挤出时的试样。从图8可看

出,当口模温度过高时,PP熔体粘度太低,熔体强度很差,不能有效保持气体,正在生长的气泡会由于泡孔壁没有足够强度承受膨胀力而发生破裂,而且由于熔体温度高,其表面不能及时固化,内部泡孔破裂后释放的高温气体将熔体表面冲破,于是表面更加破裂,大量气体逃逸出去,表面形成很多开孔(图8a)。另一方面,从式(1)[6]可知,随着温度的升高,发生气泡膨胀的临界压力pcr降低,而且温度过高很难形成机头高压,容易出现前面所述的提前发泡现象,表面呈糕状的“熔体破裂”。因此,图8a试样产生原因也可能是由于熔体在离开机头口模之前发生气、液相分离的提前发泡。pcr=[3πσ16]1/2

3RgT(lnNARgT/h)

(1)

上海石化70万t乙烯改造工程通过竣工验收

　　2004年11月26日,上海石化70万t/a乙烯改造工程顺利通过竣工验收。年产70万t的乙烯改造工程是上海石化原30万t/a乙烯装置扩产改造到40万t/a后的第二轮改造,是上海石化四期工程建设的主体工程,主要分70万t/a乙烯装置改扩建和配套新建两部分,由7套工艺装置及配套设施组成。项目总体设计批准概算投资为4618亿元,工程竣工决算实际完成投资3719亿元。

　　两年多的试生产运行表明,上海石化70万t/a乙烯改造工程的各装置运行平稳,设备运转正常,产品产量等各项技术指标经过考核,均达到或优于设计值,配套的公用工程设施满足各装置的运行需要。证明该工程的设计质量、施工质量、设备制造质量良好,工艺技术和控制系统先进。与工程建设有关的安全、消防、环保和职业卫生设施,经有资质的专业部门监测和检测后,符合国家的有关规定。

　　在工程建设中,上海石化坚持技术创新、技术进步、技术改造和产业升级“四位一体”的方针,在消化吸收引进技术的同时,大胆应用国产化成套技术,推进了重大设备和技术的国产化,大型裂解炉、裂解气压缩机、丙烯压缩机、乙烯冷箱等关键国产设备的成功应用,实现了我国石化装备国产化的重大突破。

　　70万t/a乙烯改造工程建成投产后,上海石化乙烯年产能达到90万t,成为国内最大的乙烯生产基地。聚烯烃年产能达到91万t,其中20万t/a聚丙烯装置和25万t/a聚乙烯装置进入世界规模,这两套装置的投产,不仅增强了上海石化聚烯烃产品在国内市场上的占有率,同时也填补了国内多种高附加值合成树脂专用料的空白,使合成树脂专用料的生产比例有明显的提高。

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