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一、预塑计量过程

发布时间:2012/5/21  作者:  点击数:712
 
      预塑过程是物料在料筒中进行塑化的过程:把固体粒料或粉料经过加热、输送、压实、剪切、混合、均化使物料从玻璃态经过粘弹态转变为粘流态。所谓“均化”是指熔体的温度均化、黏度均化、密度均化和物料组分均化,以及聚合物分子量分布的均化,此过程统称为塑化过程。在塑化过程中要完成注射前的计量程序。由于聚合物的热机特性决定了预塑过程是热能输入和转换过程。
预塑过程的热能的输入方式如下:
1. 料筒通过电热组件加热,料筒中的物料通过热传导吸收外部供热使其软化和熔融。
2. 物料靠螺杆旋转使机械能转换为热能,通过剪切机理和摩擦机理,加热自身,使其熔融。
3. 物料加热通过①、②方式的结合。料筒中物料的塑化一部分靠外部传导热,另一部分靠螺杆旋转的剪切能量。
塑料在螺槽中吸热首先取决于传热过程,在此过程,塑料的导热性、热容量、密度以及筒壁与物料之间的温差,是影响吸收热能的因素,其中,料筒温度将起重要作用。当螺杆旋转时,还有一部分机械能转化为热能,被物料吸收;在此过程中,塑料粘度及其对剪切速度或温度敏感性以及固体料对料筒壁的摩擦系数是影响物料吸能的主要因素,所以螺杆转速将起重要作用。物料热能来源主要是靠机械能转换,而料筒的外加热主要用来补偿热能耗散,起到平衡热量的作用。
物料在螺杆的不同段,由于剪切作用的强度和热历程不同,物料的形态各异:在入口的加料段(L1),塑料呈固体状态,又称玻璃态;在计量段(L3),塑料经过长期剪切作用和热历程之后,已全部呈熔融状态;而在两者之间的塑化段(L2),则是塑料从固态到熔融态的过渡过程,在螺槽中,塑料是处于固体与熔体的共存状态,塑料呈黏弹态或高弹态,是个比较复杂的过渡过程。塑料在不同阶段的形态决定着不同的输送机理。在各段螺槽中物料的状态虽然不同,但在螺杆恒定转速下物料沿螺槽仍形成稳态分布。
螺杆旋转时,物料从输送段经过塑化段,最后通过均化段的螺槽聚集在储料室中,并建立起熔体压力,称背压。螺杆正是在背压的作用下克服了系统阻力才实现后退动作,一直到预塑行程终止,与此同时螺杆旋转也终止,预塑过程结束,等待注射充模。由于预塑选行程与螺杆向前输送料时的行程一致,所以又称计量行程。
在预塑阶段,影响塑化质量的因素主要来自两个方面:一方面是预塑过程的工艺参数,如料筒温度、螺杆行程、螺杆转速、预塑背压等;另一方面是聚合物的热物理性能和流变性能对熔体温度的影响。制品质量与储料室的熔体质量有关,因此注射成型十分强调预塑过程及其质量,塑化过程所追求的主要指标是:塑化能力、塑化品质及计量精度。
在预塑过程中需要控制的工艺参数有:料筒及喷嘴温度、螺杆行程、螺杆转速及预塑背压。
1.料筒和喷嘴温度
料筒温度是塑化装置的唯一外部供热,指料筒表面的加热温度,根据聚合物在料筒中的塑化机理,可分为三段加热,第一段是固体输送段,温度要低一点,但在加料口处要进行冷却以防止温度过高而引起“架桥”现象,使加料不顺畅;第二段是压缩段,温度要高于第一段20~25℃;第三段是计量段,一般高于第二段20~25℃,以保证物料在熔融态。料筒的表面温度和料筒内壁温度存在温度梯度,而料筒内壁温度才接近熔体的温度,有时在预塑时,储料室中熔体因吸收一部分剪切热而使其实际温度高于料筒的温度。储料室中熔体的温度与料筒温度、螺杆行程、螺杆转速和背压有关,但是在螺杆转速和背压一定的条件下,熔体温度和料筒温度大致成比例地变化,而熔体温度直接影响熔体的黏度和流动性,所以,稳定料筒温度对控制储料室中的熔体温度有重要作用。
喷嘴温度对保证工艺同样重要,因为喷嘴有加速熔体和提高温度的作用。对喷嘴温度一般进行单独控制。
2.螺杆行程(计量行程)
每次注射程序终止后,螺杆处于料筒的最前位置,当预塑程序到达时,螺杆开始旋转,物料被输送到螺杆头部,螺杆在物料的反压力作用下后退,直到设定的终止位置为止,螺杆后退的距离称为螺杆行程或计量行程。物料在螺杆头部所占有的容积就是螺杆后退所形成的计量容积,也就是注射容积。因此,制品所需的注射量是用计量行程来调整的。即
          
由此可知,注射量的大小与计量行程的精度有关:如果计量行程调节太小会造成注射量不足,如果计量行程调整的太大,使料筒前部每次注射后的余料太多,使熔体温度不均或过热分解,计量行程的重复精度的高低会影响注射量的波动。
料温沿计量行程的分布是不均匀的,增加计量行程会加剧料温的不均匀性。
3.螺杆转速
螺杆转速影响物料在螺杆中输送和塑化的热历程和剪切效应,因此它是影响塑化能力、塑化质量和成型周期等因素的重要参数。
随着螺杆转速的提高,塑化能力增加,塑化质量下降,熔体温度的均匀性增加及温度提高;随着螺杆转速的提高,剪切作用加强,外部加热能量下降。
现代注塑机对螺杆转速采用多级控制,即在预塑行程中,设定各段位置及其相应的螺杆转速。
4.预塑背压
预塑时的背压简称背压,表示螺杆在预塑时,计量室中熔体的压强。预塑时,只有螺杆头部的熔体压力克服了螺杆后退时的系统阻力之后,螺杆才能后退。
背压对熔体温度的影响:不同物料在一定工艺条件下,熔体温度会随背压增加而提高,这是因为背压增加了熔体内压力,加强了剪切效果,形成剪切热,使大分子热能增加,从而提高了熔体的温度。
背压的提高有助于螺槽中物料的密实,赶走物料中的气体。背压的增加使系统阻力加大,螺杆退回速度减慢,延长了物料在螺杆中的热历程,塑化质量也得到改善。但是过大的背压会增加计量段螺槽熔体的反流和漏流,降低了熔体输送能力,减少了塑化量,而且增加功率消耗;过高的背压会使剪切热过高或剪切应力过大,使高分子物料发生降解而严重影响到制品质量。
背压的调整应考虑物料的性质以及制品表观质量和尺寸精度。现在有许多注塑机对背压实现多级控制,即在预塑行程中,设定各段位置及其相应的背压。背压的多级调整应和转速相匹配,即在注射完成后,留在储料室中的剩余熔体温度已很高,如果这时背压也很高,就会造成熔体的过热和各处温度不均,使制品残余应力加大,引起制品变形等,所以预塑开始时,要降低背压,当储料结束时,螺杆转速应放慢,以减少惯性冲击,提高计量精度,使用多级控制有利于消除轴向温差并提高塑化品质。
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