星期一, 5月 16

    氟聚合物FEP/PFA/ETFE/PVDF导管高速精密挤出

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    ■米拉克龙/ 刘亚卫

    前言

    氟聚合物包括FEP,PFA,ETFE,PVDF 由于其优异的耐腐蚀性,耐高温,阻燃性,耐化学性,耐摩擦性,以及电绝缘性能, 目前广泛应用于汽车,电子,医疗等领域, 属于高端应用领域,氟聚合物导管(包括管材,棒材)由于工艺过程复杂难以控制,材料腐蚀性强,造成制品质量和产量难以保障, 因而国内市场上的氟聚合物导管制品主要是进口的,50%以上来自于美国。

    实际上,选择好的原材料, 选择正确的工装设备,仔细调整好挤出工艺,高速度挤出高精度的氟聚合物导管完全是可以做到的。

    首先是要选择好的原材料,根据笔者的经验和客户 的反馈, 比较好的原材料供应商有DUPONT杜邦, SOLVAY苏威,日本大金等。更重要的是,选择正确的 工装材料,选择订制的挤出设备包括螺杆和模头设计, 加上最佳的工艺控制,是高速挤出氟聚合物导管的要 点。本文主要介绍氟聚合物导管高速精密挤出对挤出设 备及工装和工艺的要求:

     

    图 1:氟聚合物导管(包括管材,棒材) ;图 2:工装设备的材料选择

    1、工装设备的材料选择

    和其他工程塑料相比,特别是高温尼龙,高玻纤工程塑 料相比,氟聚合物的摩擦磨损不算高,然而其腐蚀性磨损极强,这是氟聚合物挤出工艺的难点,普通氮化钢 或工具钢只要2 个星期就会腐蚀掉,如图2, 主要是 点腐蚀和缝隙腐蚀磨损,摩擦磨损很少。特别是工装接触面,螺杆,料管,法兰,模头,模唇等部位,结果塑化效果差,机头压力波动大,造成一系列质量问题,形成制品表面气泡,黑点,晶点,凹陷,针眼, 挤出压力下降,线速度下降,尺寸公差超出,制品变色泛黄,质量稳定性大幅下降。

    选择正确的工装材料以提高工装耐腐蚀性能是氟聚合物挤出的要点,通常宜选镍基合金钢,国外通常选 INCONEL,MONEL 和 HASTELLOY , 国内有选新三号钢。对于镍基合金钢来说,由于添加了不同组分的CR铬,MO钼,SI硅等元素,耐腐蚀性和钢材的强度是一对矛盾,耐腐蚀性的提高会带来钢材强度的下降,特别是屈服强度和抗扭强度会大幅下降。所以根据不同氟聚合物的不同的腐蚀强度,选择不同 的镍基合金钢是挤出生产线工装材料设计的关键,例 如某品牌的 FEP 料就只能选 INCONEL 718.。国外很 多客户愿意选用价格较高的INCONEL合金的原因是, 在国际的耐腐蚀标准 MR-01-75 标准中,INCONEL 合金是最高标准7级。

    2、螺杆和模头的设计

    2.1 螺杆设计氟聚合物的螺杆通常选单螺棱的等距螺杆的分流型螺杆设计,增大螺杆的压缩比可以提高熔体的强度,减少制品裂纹。

    2.2 混炼头氟聚合物的混炼头一般选用SAXTON设计,如下图,可以通过改变熔体的流动方向,有效地熔融混合,增进混炼和均化效果。螺杆和料管是挤出机乃至挤出生产线的核心,螺杆料管的质量直接关系到产品的精度,产量,生产的稳定性,选用最合适的螺杆料管是氟聚合物导管高速精密挤出生产的关键。米拉克龙公司在美国自己拥有3 家螺杆料管厂,有多年设计加工 螺杆料管的经验。

    图 3:MILACRON 螺杆和模头的设计 / 混炼头

    图 4:模头

    2.3 模头除了接触面材料(多孔板,分流器,模芯,模唇)要选用INCONEL以外,为提高制品的密实度,根据氟聚合物的流变特点,依据材料的弹性模量来进行模头的流道设计和压缩比选择很重要。米拉克龙公司在美 国拥有自己的模头公司,专门为客户定制挤出模头。氟聚合物导管精密挤出模头要求有流道阻力自动调节功能,采用针阀结构能够减少轴向压力波动对制品尺寸造成影响;另外,口模间隙的自动调节可以保证稳定的壁厚公差;自动浮动的芯棒是同心度公差的保证。如同螺杆料桶一样,耐高温,耐磨损,抗腐蚀对模头的材料有很高的要求,另外,精密挤出模具热变形要求较高,对材料的选择,加工精度,以及结构的补偿设计。

    3、工艺控制

    一个强大的控制系统在氟聚合物导管的高速精密挤出中必不可少,无论是扭矩控制,温度压力快速采样反馈,多层共挤的同步控制,生产系统数据通讯集成, 都是保证制品质量和产量的核心。

    3.1扭矩保护和其他工具钢不锈钢螺杆相比,INCONEL螺杆的抗扭强度较低,在冷启动和过载时螺杆很容易扭断,氟聚合物导管挤出机的螺杆占整机价格比例很高,控制系统必须具备扭矩过载保护功能。如图。

    图 5:扭矩保护

    3.2螺杆转速氟聚合物导管高速挤出时,最佳的螺杆转速应该开到负荷的90%, 以最大程度提高生产率,如螺杆设计的最大转速为100RPM, 实际生产应该开到90RPM 以上,这样才能保证生产的线数度每分钟达到60米以上。当然这首先要由螺杆设计来保证。

    3.3多层共挤的同步控制氟聚合物由于其优异的耐化学性,阻燃性,耐高温, 耐腐蚀性能,经常应邀和其他塑料配合,进行共挤, 担当重任,如汽车上的剎车管,包括2层ETFE的5 层共挤,外层还有PA12等,由于不同材料流变特性不同,共挤难度很高,对挤出机和模头提出很高要求, 尤其是控制系统,自动化同步控制多台挤出机包括上下游设备实现高速高精度挤出。

    3.4伺服电机驱动和电源优化器和其他挤出应用不同的是, 氟聚合物挤出通常采用伺服电机驱动,而不是变频电机或直流电机,这样可以提高驱动精度和控制响应时间,最终提高产品的精度。另外, 考虑国内的电力供应实际情况, 在实际 生产线配置时,配备电源优化器(Line Reactor)是 一个必要的选择。

    最后需要强调的是,氟聚合物导管的高速精密挤出 是一个综合系统工程,除挤出机和模头外,真空定型冷却,在线测量,牵引切割都是精密挤出的重要环节,外径和壁厚的在线测量形成了一个从挤出机,模头,真空冷却的闭环反馈控制系统, 关系到最终制品的质量和产量,可以说没有在线测量, 高精度公差0.02mm是不可能实现的。原料,设备,工艺等都会对最终制品的质量和产量造成影响,生产流程中每一 个环节都需要精益求精,才能确保最终产品的质量和 产量。米拉克龙公司在氟聚合物导管的高速精密挤出 有多年丰富的经验,欢迎垂询。 ■

     

    图 6:螺杆转速;图 7:伺服电机驱动和电源优化器

     

    图 8:多层共挤的同步控制

    图 9:TP-75_Extrusion

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