塑料擠出吹塑成型工藝

時(shí)間：2020-01-05作者：塑料顆粒機(jī)曲阜市華誠(chéng)機(jī)械瀏覽：585

1.概述   

擠出吹塑是塑料中空制件生產(chǎn)的主要成型方法之一，適于PE、PP、PVC、熱塑性工程塑料、熱塑性彈性體等聚合物及各種共混物，主要用于成型包裝容器，儲(chǔ)存罐與大桶，還可成型用于汽車工業(yè)等工業(yè)制件。擠出吹塑成型跟其他的塑料中空成型一樣，其主要優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)的產(chǎn)品成本低，工藝簡(jiǎn)單，效益高，但其**缺點(diǎn)是制品壁厚尺寸及均勻性不易控制。  

擠出吹塑成型是將擠出成型的半熔融狀態(tài)的塑料管坯(型坯),趁熱置于各種形狀的模具中,并即時(shí)在管坯中通入壓縮空氣將其吹脹,使其緊貼于模腔壁上成型,經(jīng)冷卻脫模后得到中空制件的熱成型過(guò)程。它的整個(gè)成型過(guò)程可以分為:型坯形成、型坯吹脹以及冷卻和固化三階段。   

國(guó)內(nèi)外的研究者從60年代一直到現(xiàn)在都力圖用不同的方法來(lái)研究擠出吹塑成型的各個(gè)階段以及全過(guò)程，但總的來(lái)說(shuō)大致可分為兩大類：實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值分析技術(shù)。數(shù)值分析法是建立在連續(xù)性方程，運(yùn)動(dòng)方程和能量方程三大基本方程上，須做大量假設(shè)來(lái)簡(jiǎn)化方程，用有限差分或有限元法求解。而且本構(gòu)方程中的某些流變參數(shù)數(shù)據(jù)也不易得到。對(duì)于形狀復(fù)雜的在制品，需要耗大量的計(jì)算機(jī)時(shí)間。實(shí)驗(yàn)研究則是較簡(jiǎn)單直接的方法。   

下面對(duì)擠出吹塑各個(gè)階段的實(shí)驗(yàn)研究狀況進(jìn)行綜述分析。   

2.型坯成型階段研究狀況   

型坯形成是指通過(guò)擠出成型得到半熔融狀態(tài)的塑料管坯(型坯)。隨著中空吹塑制件的幾何形狀越來(lái)越復(fù)雜,設(shè)計(jì)良好的預(yù)成型型坯對(duì)以較小的材料消耗獲得所需求的壁厚分布且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的制件有著重要的意義,也就是在型坯成型階段通過(guò)采用調(diào)節(jié)型坯的壁厚分布形狀,以使吹塑制品的壁厚分布趨于均勻。由于型坯形成時(shí)的擠出膨脹、下垂、回彈等因素使得型胚成型階段型胚尺寸在長(zhǎng)度方向不一致而變得非常復(fù)雜。   

由于擠出的聚合物型坯溫度高而無(wú)法直接測(cè)量，對(duì)擠出吹塑中型坯成型階段的實(shí)驗(yàn)研究主要是設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方法來(lái)測(cè)量型胚直徑分布和壁厚分布。較早用實(shí)驗(yàn)方法研究而獲得型坯尺寸的是Sheptakr等人。他們?cè)O(shè)計(jì)了一種被稱為“夾坯型”的特殊模具來(lái)分析型坯。這種裝置只能得到型坯的質(zhì)量膨脹Sw，但不能直接得到型坯的直徑和壁厚膨脹。Kalyon等[2]在上述裝置上增加了一套攝像裝置，可用于拍攝模具夾坯前型坯的圖像，從而可獲得型坯的直徑分布。這種方法能得到較**的型坯直徑分布，但較費(fèi)時(shí)，且不能用于在線測(cè)量，因此限制了它的實(shí)際應(yīng)用。   

另一種測(cè)量型坯膨脹的方法是塑料熔體直接擠出到與熔體相同溫度和密度的油中，這樣可以在無(wú)垂伸和固化的條件下測(cè)量型坯的膨脹；同時(shí)由于油箱側(cè)壁是透明玻璃，可在一定的時(shí)間間隔內(nèi)對(duì)型坯進(jìn)行拍照；又由于塑料熔體的透明性，根據(jù)照片就可確定型坯內(nèi)外的直徑分布。由于型坯膨脹，型坯的形狀尺寸沿著型坯長(zhǎng)度方向是不一致的。為了標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)測(cè)量的位置，每隔固定時(shí)間用噴墨裝置把碳黑粒子噴射到型坯表面上做記號(hào)。但這種方法沒(méi)有考慮垂伸的影響，難以在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用。 

 隨著圖像分析技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的研究者都偏向使用圖像分析技術(shù)來(lái)確定型坯尺寸。型坯的直徑分布可通過(guò)圖像直接測(cè)量，但型坯的厚度分布則不能，它只能間接計(jì)算得到。許多的研究者試著用不同的測(cè)量手段和算法來(lái)計(jì)算型坯壁厚分布。P.L.Swan等[3]設(shè)計(jì)了一套使用兩臺(tái)攝像機(jī)的裝置來(lái)測(cè)量型坯膨脹尺寸（如圖4所示）。讓型坯擠入到溫度與型坯一樣的容器中，位于下面的攝像機(jī)（9）對(duì)準(zhǔn)型坯的末端，而位于上端的攝像機(jī)（5）發(fā)出信號(hào)通過(guò)計(jì)算機(jī)控制攝像機(jī)（9）的位置以**其在型坯擠出過(guò)程中總是對(duì)準(zhǔn)型坯的末端。通過(guò)圖像可以得到型坯的直徑和壁厚尺寸。但實(shí)驗(yàn)裝備復(fù)雜且只考慮等溫的情況，實(shí)際應(yīng)用不廣。   

R.W.Diraddo和A.Garcia-Rejon[4]提出只建立在圖像分析基礎(chǔ)上非接觸式測(cè)量型坯壁厚分布的方法。該實(shí)驗(yàn)只使用一臺(tái)攝像機(jī)對(duì)型坯擠出過(guò)程進(jìn)行拍照，測(cè)量出型坯長(zhǎng)度隨時(shí)間的變化關(guān)系、型坯的直徑分布、擠出流率、型坯沿長(zhǎng)度方向的溫度梯度，再根據(jù)型坯壁厚分布與這些參數(shù)的關(guān)系計(jì)算出型坯壁厚分布。R.W.Diraddo等用此方法分別研究了不同分子量大小的HDPE樹(shù)脂，流率、熔體溫度、口模間隙對(duì)型坯壁厚分布的影響。這種方法理論復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理較繁瑣。   

W.I.Patterson和M.R.Kamal[5]開(kāi)發(fā)了型坯壁厚尺寸分布在線閉環(huán)控制系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，型坯的長(zhǎng)度和直徑可通過(guò)相機(jī)及與其相連的圖像分析儀直接得到，型坯壁厚分布則通過(guò)幾何關(guān)系計(jì)算獲得，但其中所用的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)比較難得到。若要實(shí)現(xiàn)對(duì)型坯壁厚尺寸分布的在線閉環(huán)控制，則需要一種能直接在線測(cè)量型坯壁厚分布的方法。   

假定熔體流量為一常數(shù)的前提下，型坯壁厚可由一簡(jiǎn)單方法計(jì)算得到，且可用于在線測(cè)量。較早使用該方法的是德國(guó)Kaise，后由SveinEggen和ArneSommerffeldt[6]改進(jìn)，測(cè)量裝置簡(jiǎn)圖如圖5所示。由攝像機(jī)和向型坯表面噴墨的裝置及圖形分析儀組成。型坯的直徑分布可直接由所拍攝的圖片得到，再測(cè)量相鄰墨點(diǎn)間的距離，根據(jù)流量為一常數(shù)的假設(shè)，型坯的壁厚分布可由計(jì)算得到。   

其中R是型坯半徑，q是流率，ρ是熔體密度，z是相鄰墨點(diǎn)間的距離。這種方法理論簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)易，測(cè)量精度較高，但實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較多，處理較繁瑣。   

有些研究者利用光學(xué)方法來(lái)研究型坯成型。P.L.Swan、M.R.Kamal和A.Garcia-Rejon[7]研制開(kāi)發(fā)了一套光學(xué)傳感器測(cè)量裝置，如圖6所示，它可在閉模前在線測(cè)量型胚的厚度尺寸分布。該裝置是基于光學(xué)中光線反射的原理設(shè)計(jì)的。一束激光一定的角度射向型坯表面，激光束經(jīng)型坯內(nèi)外表面反射形成兩束激光，攝像鏡頭檢測(cè)出這一間隔并將送入計(jì)算機(jī)分析系統(tǒng)，根據(jù)幾何關(guān)系，計(jì)算機(jī)就能算出型坯壁厚分布。但在光線反射的同時(shí)還存在光線的折射問(wèn)題,而光線的折射在這種測(cè)量方法中是不容忽視的,要把折射考慮進(jìn)去并且要確定型坯的折射率無(wú)疑給這種測(cè)量方法增加了很大的復(fù)雜性和難度。   

3.型坯吹脹階段研究狀況  

 型坯吹脹是指將塑料管坯趁熱置于模具中,并即時(shí)在管坯中通入壓縮空氣將其吹脹，緊貼于模腔壁上成型，這個(gè)階段的成型直接影響制品的外形，壁厚均勻性以及制品的性能，是整個(gè)成型過(guò)程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。   

在這一階段，型坯吹脹的實(shí)驗(yàn)研究主要包括兩個(gè)方面：一方面是型坯吹脹動(dòng)力學(xué)研究，另一方面是型坯吹脹完畢后，型坯壁厚尺寸的測(cè)量。較早建立實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)型坯吹脹動(dòng)力學(xué)研究的是MusaR.Kamal、VictorTan和DilhanKalyon[8]。他們自行設(shè)計(jì)透明吹塑模具，并用兩臺(tái)攝像機(jī)來(lái)拍攝型坯在模具內(nèi)的脹大行為，其裝置簡(jiǎn)圖如圖8所示，所拍的圖片送入圖形分析儀分析，從而確定型坯的直徑分布隨時(shí)間的變化關(guān)系。   

Ryan和Dutta[9]利用攝像技術(shù)在無(wú)模具條件下監(jiān)測(cè)了型坯的自由膨脹行為，并得到了型坯脹大尺寸。其后大部分研究者都是用此類似的方法來(lái)研究型坯的吹脹行為的。   

Wagner和Kalyon[10]在Kamal[8]基礎(chǔ)上再設(shè)計(jì)內(nèi)部裝有固體壓力傳感器，如圖8所示。它可測(cè)量型坯吹脹時(shí)的壓力，同時(shí)，另一壓力傳感器裝在模具型腔的飛邊上，這樣，兩傳感器就可測(cè)量吹塑過(guò)程中吹塑階段型坯內(nèi)外的真實(shí)壓力差。他們用此裝置研究了三種PA-6在吹脹壓力下對(duì)吹脹行為的影響。  

 較近YongLi等[11]使用可以測(cè)得瞬時(shí)表面形狀的高速光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)來(lái)測(cè)量聚合物薄膜的脹大行為。其測(cè)量簡(jiǎn)圖如圖9所示。聚合物薄膜型坯兩端固定在兩平板間，通入壓縮空氣至壓力腔使聚合物薄膜型坯脹大。光學(xué)探頭內(nèi)有CCD攝像機(jī)和光柵**器。測(cè)量時(shí)，光柵**器**光柵投到聚合物薄膜型坯表面，光柵隨著聚合物薄膜型坯變形而變形，因此光柵圖中就包含了聚合物薄膜型坯表面形狀的信息。攝像機(jī)**拍攝到光柵圖并送入計(jì)算機(jī)內(nèi)處理就可得到聚合物薄膜型坯脹大尺寸。MCDL是多通道數(shù)據(jù)集線器，它可同時(shí)采集壓力和光柵圖信號(hào)以便得到脹大過(guò)程中壓力與聚合物薄膜型坯形狀之間的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)證明其測(cè)量精度比圖7高得多。   

型坯壁厚尺寸測(cè)量有離線測(cè)量和在線測(cè)量，由于離線測(cè)量測(cè)簡(jiǎn)單，因此使用較多。離線測(cè)量包括有紅外，超聲波和千分尺測(cè)量。這些方法不僅費(fèi)時(shí)，而且由于離線測(cè)量而引起的時(shí)間滯后需對(duì)加工過(guò)程產(chǎn)生的偏差進(jìn)行修正，導(dǎo)致測(cè)量的不**而出現(xiàn)許多不合格制品。
    在線測(cè)量制品壁厚尺寸能把滯后時(shí)間減少到較小，因此提高加工過(guò)程工過(guò)程產(chǎn)生的偏差修正的精度。Diderichs和Oeynhauser[12]使用置于模具內(nèi)的超聲波傳感器來(lái)測(cè)量壁厚分布。其測(cè)量原理如圖10所示。在超聲波傳感器內(nèi)壓電晶體產(chǎn)生的短超聲波在物體，之后被物體壁面反射，返回傳感器。被測(cè)量物體的壁厚s就等超聲波在物體內(nèi)的速度乘超聲波在物體內(nèi)傳送所需時(shí)間的一半。但是超聲波測(cè)量的精度受聚合物性能（如密度、結(jié)晶度）與溫度的影響很大。  

 4.制品冷卻及固化階段研究進(jìn)展   

制品冷卻及固化是指型坯吹脹緊貼模壁后憑借熱擴(kuò)散率較高的模具和壓縮空氣進(jìn)行冷卻，冷卻至一定溫度后開(kāi)模，再在空氣中冷卻的過(guò)程。一般包括外冷卻（制品外表面與模腔間的導(dǎo)熱），內(nèi)冷卻（制品內(nèi)表面與冷卻空氣或其它介質(zhì)間的對(duì)流傳熱）及開(kāi)模后冷卻（制品的內(nèi)外表面與空氣或其它介質(zhì)的自然對(duì)流傳熱）。  

制品冷卻及固化階段的實(shí)驗(yàn)研究主要是測(cè)量制品瞬態(tài)溫度、收縮率、翹曲等。   制品的瞬態(tài)溫度一般是利用高靈敏度的熱電偶和數(shù)據(jù)采集器來(lái)測(cè)量。1981年，Edward[13]等人設(shè)計(jì)“半瓶成型實(shí)驗(yàn)”來(lái)驗(yàn)證其擠出吹塑冷卻過(guò)程的理論預(yù)測(cè)。如圖11所示。實(shí)驗(yàn)中外表面的瞬時(shí)溫度用熱電偶測(cè)得，內(nèi)表面溫度在制品一離開(kāi)模具用輻射高溫計(jì)測(cè)得。其結(jié)果與理論預(yù)測(cè)結(jié)果基本一致。1995年Diraddo等[14]用六個(gè)熱電偶從模具的不同部位插入制品的不同厚度處，并通過(guò)與之連接的溫度采集器采集溫度，獲得制品不同厚度處的瞬態(tài)溫度，這與只測(cè)量?jī)?nèi)、外表面溫度有了較大的改進(jìn)。  

 而較早測(cè)得制品的收縮率是Diraddo等[14]。他們?cè)谀Ｇ粌?nèi)加工出尺寸為5mmx5mm的網(wǎng)格，型坯吹脹后網(wǎng)格印在制品的表面上，這樣可直接測(cè)出制品在軸向和周向收縮，然后根據(jù)質(zhì)量守恒定律計(jì)算徑向收縮。    制品翹曲一般用三維激光數(shù)字系統(tǒng)測(cè)量制品的形狀[15]，進(jìn)而得到制品的收縮和翹曲。 

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