粒料的几何形状对挤出量的影响

作者:Frankland Plastics Consulting公司 Jim Frankland 文章来源:PT塑料网 发布时间:2018-01-01
当更换树脂供应商时,加工商们可能会遇到这种情况——具有相同熔体流或特性黏度(I.V.)的聚合物在相同的挤出机上会产生不同的比挤出量。此时,可以试着对聚合物进行简单的休止角测量,这有助于重新确定喂料方式。

当更换树脂供应商时,加工商们可能会遇到这种情况——具有相同熔体流或特性黏度(I.V.)的聚合物在相同的挤出机上会产生不同的比挤出量。此时,可以试着对聚合物进行简单的休止角测量,这有助于重新确定喂料方式。

为什么一些具有相同熔体流或特性黏度(I.V.)的聚合物有时候会在相同的挤出机上产生不同的比挤出量?当更换树脂供应商时,加工商们可能会遇到这种情况,此时必须修改已经设置好的运行条件,这在需要多层紧密匹配的共挤出时尤其容易发生。当全速运行挤出机时,实际结果是挤出量的减少,这是一个大问题。

为什么会发生这样的事呢?在大多数情况下,聚合物供应商提供的产品是正确的,但是粒料的几何形状可能不同。事实是,不同的供应商提供的粒料形状往往都是不同的,这可能是由于使用了不同的造粒设备或者由于供货商方面为帮助散货装卸作业而偏好某种粒料形状而引起的。

几年前,笔者曾与一家聚合物供应商进行合作,该供应商是一家只为使用沟面加料挤出机的加工商制造特殊粒料的企业。这家供应商为其每家客户都提供相同的粒料,但是,使用沟面加料段的加工商在采用这家聚合物供应商的粒料进行加工时所得的挤出量,比采用来自其他供应商的具有同等特性黏度的原材料而获得的挤出量低20%。

通过聚合物固体喂料的机理,可以清楚了解为什么会发生这种情况。推动物料向前的力是粒料沿相对于螺杆旋转的机筒内表面而产生的阻力。由于只有顶层的粒料接触机筒,所以料道中离机筒较远的下层移动就要依赖于上层的阻力。

由于层间的滑动,离机筒较远的熔体层其平均速度会比离机筒较近的上一次层慢。如果进料料道足够深,那么由于层之间的滑动加上底部熔体层与螺杆表面之间产生的阻力,靠近螺杆根部的熔体层几乎不会向下料道的方向移动。如图1中的视图A所示,由于粒料的均匀性,它们非常有层次性。这是典型的“热切割”粒料,它们有一个薄的、平坦的饼形状。如果喂入料有一些随机的尺寸或不同的形状,则层之间会相互影响得更多,形成一个更好的速度分布,如图1中的视图B所示。这说明了为什么少量返料或其他聚合物形状可以增加比挤出量。

图1 使物料向前移动的力是粒料沿机筒表面而产生的阻力。只有顶层的粒料接触机筒,所以下层的移动取决于上层的阻力。视图A中高度均匀的粒料与视图B中不同尺寸和形状的粒料相比,前者具有更加不均匀的速度分布,所以添加一些回用料可以提高挤出量

熔体层之间的阻力由粒料的形状、尺寸、形状随机性以及粒料间的动态摩擦系数来决定。接触机筒壁的第一层阻力取决于粒料与筒体材料之间的摩擦系数,这与粒料之间的摩擦系数有很大的不同。粒料与机筒的摩擦系数通过加热机筒来控制,它决定了粒料以什么程度“粘”在机筒上。

这个研究领域涉及到摩擦学。维基百科将摩擦学定义为“相对运动中的相互作用表面的科学与工程”。对于评价一种聚合物的喂料倾向性,没有任何可靠和快速的规则,因为所提到的标准(形状、尺寸和随机性)会相互作用,而摩擦力取决于接触面积,即使对于给定的聚合物,即便其摩擦系数基本保持相同,但是也很难得出结论。但是一个简单的试验可以用于了解聚合物具有的特性,它被称为“休止角试验”,其原理基本上是测量将聚合物轻缓倒在一个平面上时其积聚的方式(如图2所示)。

图2 休止角试验是测试将聚合物轻缓地倒在一个平面上时它堆积起来的方式

刚才提到的几个粒料特性对这个试验都有影响,因此很难区分这些特性中的哪一个对最终的休止角起到了决定性作用,因为尺寸、形状、随机性和摩擦的作用是交互的。然而,对于一种给定的聚合物,这个角度越高,则在平滑内膛式挤出机中的固体输送效率就越好。此法则也适用于沟面机筒挤出机,但是相比粒料与沟面之间如何相互作用,粒料的尺寸和形状实际上对于其固体喂料效率更重要。

还应该注意的是,一个更高的休止角度偶尔会对整体的喂料效率有负面的影响,因为聚合物可能不会自由地流入螺杆。休止角不是一个必要的固体流测量值,但一般来说,休止角越高,则在依靠重力的螺杆上游区域,固体流动越糟糕,如料斗、喂料管和磁铁包。

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