多樣的擠出模頭
2016-3-14 17:48:06??????點(diǎn)擊：
在塑料加工業(yè)里，擠出工藝是由塑料原料生產(chǎn)實(shí)用半成品的最常見(jiàn)方法之一。此領(lǐng)域的創(chuàng )新源于同其它生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品新概念和經(jīng)濟壓力的競爭，所以擠出設備制造商面臨著(zhù)不斷改進(jìn)其自身技術(shù)的挑戰。以模頭出口形狀為基礎對擠出系統進(jìn)行分類(lèi)，由此相應可以區別和確定出四組： 圓形、縫口、環(huán)形和自由雙維。
在所有的這些種類(lèi)當中，塑料的成形發(fā)生于它處于熔融態(tài)之時(shí)。從流體動(dòng)力學(xué)的角度出發(fā)，這種熔融條件是由大量流變現象所決定的。很多這些現象尚未被完全了解，只有幾種特色被表現得還算令人滿(mǎn)意。業(yè)內表現流動(dòng)特性所應用的技術(shù)從單一測量，例如MFI值，到確定粘性與彈性之間的關(guān)系，再到利用超聲波的在線(xiàn)測量技術(shù)。近年的理論與實(shí)際研究以描述擠出模頭流動(dòng)性能為目標，借助了材料數據和流動(dòng)模式，已經(jīng)增進(jìn)了對擠出模頭中所發(fā)生過(guò)程的了解。
同樣，有必要使模頭配合下游設備，因為通過(guò)校正，必須糾正和補償熔體的膨脹或溫度差別，以穩定產(chǎn)品的尺寸。
圓形剖面模頭
帶圓形剖面的模頭被用于生產(chǎn)纖維、膠粒、細絲、實(shí)心棒等。所謂噴絲頭中有最小直徑0.05mm，偏差為±1μm的出口剖面。在這個(gè)區域，具有幾千個(gè)孔、用于非織造的單獨模頭和噴絲頭找到了用場(chǎng)。每個(gè)噴絲細管之前有帶入角的過(guò)渡區，而入口區也有倒角，如圖1所示。入角α和β經(jīng)常成喇叭狀或杯狀，為的是使帶給熔體的變形盡可能的小。通過(guò)L/D比率和入角的特別變化，可以完成材料與產(chǎn)品的匹配。
而且，這些陶瓷/硬質(zhì)金屬模板的相對不良導熱性提供了良好的隔熱性，防止熔體在從模頭出來(lái)之前過(guò)早地“冷卻”。因為有時(shí)PP材料的吞吐量很高，達到了25kg/h，每個(gè)開(kāi)口必須適應，所以除了剪切變形以外，必須特別考慮因延伸/拉長(cháng)所引起的熔體變形。一方面，為了把熔體因分散所受載荷保持在特定材料可承受的限度之內；另外一方面控制由此產(chǎn)生的模頭壓力，入口角通常小于30度，L/D比率在4.5-7.5之間。
近年來(lái)，工業(yè)和研究機構已經(jīng)加強了對毛細管內流動(dòng)現象的研究，目的是提高現有的數學(xué)模式、從流體動(dòng)力學(xué)來(lái)優(yōu)化入口和出口區和促進(jìn)形成新的表面涂層。
切口形剖面模頭
帶縫口或切口的擠出模頭被用于生產(chǎn)片材、膜材，以及用于涂覆平卷材。這種所謂片材模頭的功能是把熔體流從圓形剖面轉變到狹窄的矩形截面，從而熔體在出口寬度上有著(zhù)最為均一的粘度分布。為了沿整個(gè)模頭寬度獲得對稱(chēng)的熔體分布，流變優(yōu)化的流道被利用，根據用途不同能形成各種形狀。最常碰到的分布形狀是衣架式模頭，其分布流道截面是遞減的（圖2）。
?？p寬度及模頭寬度和后續設備和產(chǎn)品有關(guān)?，F在的模頭寬度范圍從100-8000mm，?？p為0.5-70mm。為了使產(chǎn)品寬度的變化在一定范圍之內，定邊桿被從側邊引入到流道中，或者調邊帶被安裝在出孔的前面，能使模頭的工作寬度降低。這些定邊系統被成功應用于單層和多層產(chǎn)品的擠出中，且首先用于涂裝中。通常，電氣加熱腔和加熱板被用于加熱模體。外表面的隔離和模頭的整體封裝正作為減少熱損失的手段而變得越來(lái)越普通。
環(huán)形剖面模頭
帶環(huán)形剖面的模頭被用于擠出管道、管材、吹塑膜、吹塑料泡和線(xiàn)纜的被覆。帶無(wú)縫環(huán)形剖面的半成品生產(chǎn)主要用的是四種擠出模頭類(lèi)型，這些一般有為了熔體分配而采取的方法。這是通過(guò)針對類(lèi)型而特制的流道結構而靜態(tài)完成的，也就是說(shuō)熔體被強制通過(guò)預分配器，然后被一個(gè)或更多的分配系統所展開(kāi)。與這種靜態(tài)熔體分配的經(jīng)典方法相反，Paderborn大學(xué)正在測試和精制一種用于薄膜和管材的新型動(dòng)態(tài)模頭。
在圖3用圖表描述的模頭類(lèi)型中，借助旋轉的分配器形狀（代表著(zhù)這種動(dòng)態(tài)熔體分配器系統的核心），產(chǎn)生了熔體的分配，這是由進(jìn)入的熔體所單獨推動(dòng)的。
不管式樣，注嘴把它重組起來(lái)的熱流道裝配在一起，模頭出口必須與?；窘Y合，要么直接要么通過(guò)可更換的適配器。這些流道區域的設計與產(chǎn)品和材料有著(zhù)關(guān)聯(lián)，表現出較少的標準化程度。例如，當通過(guò)蜘蛛狀模頭生產(chǎn)PVC管時(shí)，向較小出口截面的壓縮對于保證產(chǎn)品質(zhì)量是重要的。在多數情況下，管材擠出和吹塑料泡的生產(chǎn)涉及到直徑的縮小。這里一般的縮小系數從2：1到6.5：1。與之相反，吹膜模頭和大口徑管材用的模頭要會(huì )涉及到模頭出口的增加。擴大的截面積可以多達1：2.5。在任何情況下，持續加速的流道應當總是在注嘴區域里。
很多情況中的平行區可以在注嘴區末端根據縫寬進(jìn)行調節。所謂的曲環(huán)技術(shù)可以對模頭縫隙乃至厚度偏差進(jìn)行更準確的調整，只是近年來(lái)在管材和吹膜領(lǐng)域得到了認可。這種技術(shù)要在靠近放料口處在外部模環(huán)中更換一個(gè)彈性套管。均勻沿圓周放置的調節螺絲被放到外部模環(huán)中，目的是進(jìn)行調節。這些螺絲可以使彈性套管進(jìn)行可逆轉的變形，從而可以對流經(jīng)環(huán)形?？p的流體的局部抵抗進(jìn)行非常精確的調節。
模頭長(cháng)度與?？p之比與被加工材料有關(guān)，管材模頭是2：1到30：1。
異型剖面模頭
通過(guò)擠出方式做出的塑料異型材可以被粗略分為實(shí)心桿狀型材、敞開(kāi)型材和空心型材。按照所加工的數量，型材生產(chǎn)最重要的樹(shù)脂仍然為PVC。PVC型材被用于制造門(mén)窗框架、百葉窗、電纜槽和其它建筑業(yè)用到的半成品。其它材料，如ABS、PS、PP、PE和PMMA，在家具、汽車(chē)和電器電子行業(yè)派上了用場(chǎng)。
熔體開(kāi)始時(shí)是在輪廓區里成形，而最終模樣是在后面的校正區通過(guò)同步冷卻來(lái)形成的。模頭出口與校正段的配合比前面所討論的用于穩定熔體成形過(guò)程的模頭更為重要，也比型材的尺寸準確度和穩定性更重要。
最簡(jiǎn)單類(lèi)型的型材模頭由單獨的流道所組成，其末端放有一個(gè)具有理想型材形狀的孔。這種設計常被用于橡膠型材生產(chǎn)所用到的丁字模頭中。
從流體動(dòng)力學(xué)的觀(guān)點(diǎn)出發(fā)，更為理想的是多級型材模頭由幾個(gè)依次排列的模板所組成。從加料端來(lái)看，每個(gè)模板保持一種形狀，越來(lái)越近地組裝型材的最終形狀。模板間的轉變逐漸減小，從而不會(huì )有死區產(chǎn)生。多級構造大大地避免了不必要的死區，但會(huì )使成本比有成型孔的簡(jiǎn)單模頭要高出很多。多級模頭不會(huì )結合魚(yú)雷式模頭。
空心型材用模頭總是帶有魚(yú)雷式模頭。這種型材模頭由幾個(gè)模板組成，其開(kāi)口描述出擠出物的外部形狀。內部裝有魚(yú)雷式模頭，把進(jìn)來(lái)的熔體展開(kāi)，并形成空心樣子。這些模板形成了模頭的各個(gè)功能區，分為進(jìn)料區、分布區、壓縮區和平行區（圖4）。
因為有這樣的流道結構，這種模頭類(lèi)別極為復雜，只能借助CFD程序從流體動(dòng)力學(xué)的角度來(lái)進(jìn)行描述。然而，模擬程度所提供的設計可能性因為從流變學(xué)上難于描述材料的特征而受到限制，例如PVC和橡膠系統。
總結：節省原材料的經(jīng)濟需求在一些場(chǎng)合正引發(fā)較高級別材料的使用或者增強型混合料的使用，目的是確保材料用量減少的情況下機械性能相同。另一種滿(mǎn)足這種需求的方法是通過(guò)使用較為便宜的材料，例如回收或填充礦物的材料。物理與機械特性，以及和生產(chǎn)有關(guān)的需求和生產(chǎn)技巧正對模頭概念產(chǎn)生著(zhù)深遠的影響。
如開(kāi)始時(shí)所介紹的，擠出模頭是擠出生產(chǎn)線(xiàn)概念中的一個(gè)組成，也必須滿(mǎn)足和“操控”有關(guān)的要求。通過(guò)結合模頭注嘴的快換機制、為快速材料更換提供專(zhuān)門(mén)裝置、考慮和環(huán)境的可能相互作用、甚至規劃快速模頭更換，如此的設計和工藝技術(shù)可以應對這樣的要求。
在所有的這些種類(lèi)當中，塑料的成形發(fā)生于它處于熔融態(tài)之時(shí)。從流體動(dòng)力學(xué)的角度出發(fā)，這種熔融條件是由大量流變現象所決定的。很多這些現象尚未被完全了解，只有幾種特色被表現得還算令人滿(mǎn)意。業(yè)內表現流動(dòng)特性所應用的技術(shù)從單一測量，例如MFI值，到確定粘性與彈性之間的關(guān)系，再到利用超聲波的在線(xiàn)測量技術(shù)。近年的理論與實(shí)際研究以描述擠出模頭流動(dòng)性能為目標，借助了材料數據和流動(dòng)模式，已經(jīng)增進(jìn)了對擠出模頭中所發(fā)生過(guò)程的了解。
同樣，有必要使模頭配合下游設備，因為通過(guò)校正，必須糾正和補償熔體的膨脹或溫度差別，以穩定產(chǎn)品的尺寸。
圓形剖面模頭
帶圓形剖面的模頭被用于生產(chǎn)纖維、膠粒、細絲、實(shí)心棒等。所謂噴絲頭中有最小直徑0.05mm，偏差為±1μm的出口剖面。在這個(gè)區域，具有幾千個(gè)孔、用于非織造的單獨模頭和噴絲頭找到了用場(chǎng)。每個(gè)噴絲細管之前有帶入角的過(guò)渡區，而入口區也有倒角，如圖1所示。入角α和β經(jīng)常成喇叭狀或杯狀，為的是使帶給熔體的變形盡可能的小。通過(guò)L/D比率和入角的特別變化，可以完成材料與產(chǎn)品的匹配。
圖1：左為帶有經(jīng)典幾何參數的簡(jiǎn)易型抽絲模頭的分段表示；
中間顯示的是流速: 右為熔體從噴絲注嘴頭中引出。
而且，這些陶瓷/硬質(zhì)金屬模板的相對不良導熱性提供了良好的隔熱性，防止熔體在從模頭出來(lái)之前過(guò)早地“冷卻”。因為有時(shí)PP材料的吞吐量很高，達到了25kg/h，每個(gè)開(kāi)口必須適應，所以除了剪切變形以外，必須特別考慮因延伸/拉長(cháng)所引起的熔體變形。一方面，為了把熔體因分散所受載荷保持在特定材料可承受的限度之內；另外一方面控制由此產(chǎn)生的模頭壓力，入口角通常小于30度，L/D比率在4.5-7.5之間。
近年來(lái)，工業(yè)和研究機構已經(jīng)加強了對毛細管內流動(dòng)現象的研究，目的是提高現有的數學(xué)模式、從流體動(dòng)力學(xué)來(lái)優(yōu)化入口和出口區和促進(jìn)形成新的表面涂層。
切口形剖面模頭
帶縫口或切口的擠出模頭被用于生產(chǎn)片材、膜材，以及用于涂覆平卷材。這種所謂片材模頭的功能是把熔體流從圓形剖面轉變到狹窄的矩形截面，從而熔體在出口寬度上有著(zhù)最為均一的粘度分布。為了沿整個(gè)模頭寬度獲得對稱(chēng)的熔體分布，流變優(yōu)化的流道被利用，根據用途不同能形成各種形狀。最常碰到的分布形狀是衣架式模頭，其分布流道截面是遞減的（圖2）。
圖2：上為帶衣架式分配器的片材模頭剖面圖；下為T(mén)型分配式模頭
?？p寬度及模頭寬度和后續設備和產(chǎn)品有關(guān)?，F在的模頭寬度范圍從100-8000mm，?？p為0.5-70mm。為了使產(chǎn)品寬度的變化在一定范圍之內，定邊桿被從側邊引入到流道中，或者調邊帶被安裝在出孔的前面，能使模頭的工作寬度降低。這些定邊系統被成功應用于單層和多層產(chǎn)品的擠出中，且首先用于涂裝中。通常，電氣加熱腔和加熱板被用于加熱模體。外表面的隔離和模頭的整體封裝正作為減少熱損失的手段而變得越來(lái)越普通。
環(huán)形剖面模頭
帶環(huán)形剖面的模頭被用于擠出管道、管材、吹塑膜、吹塑料泡和線(xiàn)纜的被覆。帶無(wú)縫環(huán)形剖面的半成品生產(chǎn)主要用的是四種擠出模頭類(lèi)型，這些一般有為了熔體分配而采取的方法。這是通過(guò)針對類(lèi)型而特制的流道結構而靜態(tài)完成的，也就是說(shuō)熔體被強制通過(guò)預分配器，然后被一個(gè)或更多的分配系統所展開(kāi)。與這種靜態(tài)熔體分配的經(jīng)典方法相反，Paderborn大學(xué)正在測試和精制一種用于薄膜和管材的新型動(dòng)態(tài)模頭。
在圖3用圖表描述的模頭類(lèi)型中，借助旋轉的分配器形狀（代表著(zhù)這種動(dòng)態(tài)熔體分配器系統的核心），產(chǎn)生了熔體的分配，這是由進(jìn)入的熔體所單獨推動(dòng)的。
圖3：帶旋轉分配器的模頭，顯示出分配器的流動(dòng)
不管式樣，注嘴把它重組起來(lái)的熱流道裝配在一起，模頭出口必須與?；窘Y合，要么直接要么通過(guò)可更換的適配器。這些流道區域的設計與產(chǎn)品和材料有著(zhù)關(guān)聯(lián)，表現出較少的標準化程度。例如，當通過(guò)蜘蛛狀模頭生產(chǎn)PVC管時(shí)，向較小出口截面的壓縮對于保證產(chǎn)品質(zhì)量是重要的。在多數情況下，管材擠出和吹塑料泡的生產(chǎn)涉及到直徑的縮小。這里一般的縮小系數從2：1到6.5：1。與之相反，吹膜模頭和大口徑管材用的模頭要會(huì )涉及到模頭出口的增加。擴大的截面積可以多達1：2.5。在任何情況下，持續加速的流道應當總是在注嘴區域里。
很多情況中的平行區可以在注嘴區末端根據縫寬進(jìn)行調節。所謂的曲環(huán)技術(shù)可以對模頭縫隙乃至厚度偏差進(jìn)行更準確的調整，只是近年來(lái)在管材和吹膜領(lǐng)域得到了認可。這種技術(shù)要在靠近放料口處在外部模環(huán)中更換一個(gè)彈性套管。均勻沿圓周放置的調節螺絲被放到外部模環(huán)中，目的是進(jìn)行調節。這些螺絲可以使彈性套管進(jìn)行可逆轉的變形，從而可以對流經(jīng)環(huán)形?？p的流體的局部抵抗進(jìn)行非常精確的調節。
模頭長(cháng)度與?？p之比與被加工材料有關(guān)，管材模頭是2：1到30：1。
異型剖面模頭
通過(guò)擠出方式做出的塑料異型材可以被粗略分為實(shí)心桿狀型材、敞開(kāi)型材和空心型材。按照所加工的數量，型材生產(chǎn)最重要的樹(shù)脂仍然為PVC。PVC型材被用于制造門(mén)窗框架、百葉窗、電纜槽和其它建筑業(yè)用到的半成品。其它材料，如ABS、PS、PP、PE和PMMA，在家具、汽車(chē)和電器電子行業(yè)派上了用場(chǎng)。
熔體開(kāi)始時(shí)是在輪廓區里成形，而最終模樣是在后面的校正區通過(guò)同步冷卻來(lái)形成的。模頭出口與校正段的配合比前面所討論的用于穩定熔體成形過(guò)程的模頭更為重要，也比型材的尺寸準確度和穩定性更重要。
最簡(jiǎn)單類(lèi)型的型材模頭由單獨的流道所組成，其末端放有一個(gè)具有理想型材形狀的孔。這種設計常被用于橡膠型材生產(chǎn)所用到的丁字模頭中。
從流體動(dòng)力學(xué)的觀(guān)點(diǎn)出發(fā)，更為理想的是多級型材模頭由幾個(gè)依次排列的模板所組成。從加料端來(lái)看，每個(gè)模板保持一種形狀，越來(lái)越近地組裝型材的最終形狀。模板間的轉變逐漸減小，從而不會(huì )有死區產(chǎn)生。多級構造大大地避免了不必要的死區，但會(huì )使成本比有成型孔的簡(jiǎn)單模頭要高出很多。多級模頭不會(huì )結合魚(yú)雷式模頭。
空心型材用模頭總是帶有魚(yú)雷式模頭。這種型材模頭由幾個(gè)模板組成，其開(kāi)口描述出擠出物的外部形狀。內部裝有魚(yú)雷式模頭，把進(jìn)來(lái)的熔體展開(kāi)，并形成空心樣子。這些模板形成了模頭的各個(gè)功能區，分為進(jìn)料區、分布區、壓縮區和平行區（圖4）。
圖4：門(mén)窗框型材用空腔模頭
因為有這樣的流道結構，這種模頭類(lèi)別極為復雜，只能借助CFD程序從流體動(dòng)力學(xué)的角度來(lái)進(jìn)行描述。然而，模擬程度所提供的設計可能性因為從流變學(xué)上難于描述材料的特征而受到限制，例如PVC和橡膠系統。
總結：節省原材料的經(jīng)濟需求在一些場(chǎng)合正引發(fā)較高級別材料的使用或者增強型混合料的使用，目的是確保材料用量減少的情況下機械性能相同。另一種滿(mǎn)足這種需求的方法是通過(guò)使用較為便宜的材料，例如回收或填充礦物的材料。物理與機械特性，以及和生產(chǎn)有關(guān)的需求和生產(chǎn)技巧正對模頭概念產(chǎn)生著(zhù)深遠的影響。
如開(kāi)始時(shí)所介紹的，擠出模頭是擠出生產(chǎn)線(xiàn)概念中的一個(gè)組成，也必須滿(mǎn)足和“操控”有關(guān)的要求。通過(guò)結合模頭注嘴的快換機制、為快速材料更換提供專(zhuān)門(mén)裝置、考慮和環(huán)境的可能相互作用、甚至規劃快速模頭更換，如此的設計和工藝技術(shù)可以應對這樣的要求。
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