利用压力控制提高单螺杆挤出中的加工稳定性

作者:本刊编译 发布时间:2022-05-12
利用压力控制反馈可以提高挤出加工的稳定性,这种加工稳定性是基于挤出机后适配器内的压力变化。在多种聚合物上的试验显示了这种方法的有效性。

提高加工稳定性对于最终产品满足严格的公差要求至关重要。通常,如果挤出机不能提供公差足够小的熔体,就要向系统中添加一个熔体泵。如图1所示,熔体泵是一个定容装置,拥有两个由电动机驱动的相互啮合的齿轮。熔体流入入口,进入齿轮的一个齿, 绕到齿轮外面,然后,当齿啮合时被挤出泵外。对入口压力的控制,可以通过对挤出机的螺杆转速作出轻微的改变来实现。

图1

图1典型的挤出机和熔体泵装置(图片来自US Extruders)

在压力控制的情况下,控制器会做出相同的调整来控制下游适配器的压力,如图2所示。挤出机下游的压力传感器被用于压力控制。控制器,不管是离散的还是基于PLC的,将通过在极高的频率下做最小的速度变化来调整挤出机的螺杆转速以保持压力。由于螺杆转速的变化不到2 r/min,因此对聚合物熔体温度的影响很小。通过螺杆转速的阶跃变化来计算聚合物对转速变化的反应,即可自动调整PID参数,这是用熔体泵做不到的。

图2

图2 压力控制装置(图片来自US Extruders) 

加工稳定性是在挤出机后通过在适配器中测得的压力变化来定义的。在一个固定的限制条件下,压力的变化与输出速率的变化有关(假设熔体温度固定),这可以通过压降与输出速率的基本方程来表示。利用这些方程式,并用幂律方程计算黏度,可以将下面的方程式发展为:

Q∝ (P/η)1/n

ΔQ = 1/n (ΔP)

Q 是输出速率,P是压降,n 是幂律常数。

因此,如果∆P最小化,输出的变化将最小化,因而可以提高加工的稳定性。利用目前的压力控制器以及现代驱动和电动机的快速响应,可使测得的压力变化最小化。 

测试

采用一根压缩率3:1的计量螺杆,在一台螺杆直径0.75in.(约19mm)、长径比24:1的挤出机上进行测试,以检验加工稳定性的改善情况。如表1所示,对4种不同的材料进行了评估。

表1 材料性能

材料

熔体黏度


HDPE


0.3MI


TPU

80邵氏A硬度


PP


2.0MFR


PP


1200MFR

所有的试验都是在50r/min的固定螺杆转速和350° F(约176.7℃)的固定温度下进行的。针对每种材料的加工,都是达到稳定状态为止,这时,压力控制器会自动调整,直到与每种树脂相适应。一旦计算出 PID参数,即可在没有压力控制的情况下加工材料5min,然后开启压力控制继续运行5min,最后关闭压力控制再运行5min。

每个步骤的压力、压力变化和螺杆转速都会得到测量,这组数据如图3至图5所示。对于1200 MFR PP材料而言,自动调节程序不能为其开发出PID参数,这是因为这种材料的黏度很低,不会对轻微的螺杆转速变化产生有效的反应。

图3

图4

图5

图3、图4和图5蓝色曲线显示了通过压力控制可以减少压力的变化,橙色的螺杆转速曲线表明,针对所测试的3种材料,最大程度地减小螺杆转速的变化令加工稳定性得到了改善(图片来自US Extruders)

结果

3个测试的结果见表2。数据显示,压力变化可以减少20%~40%,这种减少很大程度上取决于材料和黏度特性,意味着黏度非常低的材料可能无法从这项技术中受益。这些控制器可以在市场上买到,并且可以自动调节, 而为熔体泵确定PID则必须手动调节。压力控制是一个很好的选择,消除了对熔体泵的需要。

表2 挤出测试数据


压力范围

平均压力

压力变化 %

RPM范围

材料

非控制

控制

非控制

非控制

控制

非控制

非控制

控制

非控制

控制


HDPE


10.1


3.7


14.3


2412.7


2415.4


2420.7


0.42%


0.15%


0.59%


0.74


TPU


43.5


8.9


46.0


2250.6


2272.6


2278.3


1.93%


0.39%


2.02%


1.00


PP 2 MFR


19.8


6.8


15.5


1868.2


1872.8


1867.1


1.06%


0.36%


0.83%


1.64

取消熔体泵的好处包括取消了电动机、驱动、泵和入口适配器,结果是减少了维护保养,所用的适配器可以更短,减少了停机时间。对于螺杆直径较大的挤出机而言,还需要做更多的工作,这是因为,在给定螺杆转速下,剪切速率较高,导致相对于螺杆转速,对熔体温度的影响较大。

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