（机械设计及理论专业论文）四柱塞超高分子量聚乙烯挤出机的设计与模拟.pdf

摘要 摘要 肿r l llll ipri i i l lj i l l li l l l l l y 19 4 2 7 3 7 超高分子量聚乙烯( u h m w p e ) 是一种综合性能十分优异的新型工程塑料， 被广泛应用于许多领域，但其加工性能不尽如人意。改性在改善u h m w p e 加工 性能的同时，在一定程度上会降低u h m w p e 的某些性能。现有的成型机械在成 型纯u h m w p e 制品过程中存在物料打滑、不易进料、阻塞料筒、容易产生熔体 破裂、生产效率低等缺点。 本文根据u h m w p e 在成型过程中存在的一些缺陷，设计了一种新的成型机 构四柱塞挤出装置。四柱塞挤出装置主要由液压传动系统、加料部分、加 热部分以及缓冲部分等组成。此装置的基本原理是通过将料加入四个柱塞筒进 行预热和加热熔融，然后由液压传动系统控制四个柱塞依次将熔体挤入到一个 汇集装置缓冲部分，最后通过口模挤出制品，从而实现连续挤出。这种装 置对纯u h m w p e 加工，提高生产效率，改善制品表面质量，具有重要的理论意 义。 在设计四柱塞u h m w p e 挤出装置过程中，采用p o l y f l o w 软件，对物料 在挤出中的熔融过程的热传导问题进行了数值模拟，分析了u h m w p e 在熔融过 程中温度的分布及主要工艺参数对温度分布的影响，从而为柱塞筒预热段和加 热段工艺参数的确定提供理论依据。并应用p o l y f l o w 软件对熔体的挤出过程 进行了数值模拟，分析了熔体在整个挤出过程中的速度场、压力场和剪切速率 等的分布。通过多次模拟分析比较，即而从理论上确定缓冲段和过渡段的几何 尺寸。 关键字：超高分子量聚乙烯；柱塞挤出；p o l y f l o w ；数值模拟 a b s t r a c t a b s t r a c t u l t r a h i g hm o l e c u l a rw e i g h tp o l y e t h y l e n e ( u h m w p e ) ，an e we n g i n e e r i n g p l a s t i cw i t he x c e l l e n tc o m p r e h e n s i v ep e r f o r m a n c e ，w h i c hu s e dw i d e l yi nm a n yf i e l d s ， b u ti t s p r o c e s s i n gp r o p e r t i e sn o ts a t i s f a c t o r y i n t h em e a n t i m eo fi m p r o v i n g u h m w p e p r o c e s s i n gp e r f o r m a n c eb ym o d i f i e d ，i tw i l lr e d u c es o m ep e r f o r m a n c eo f u h m w p ei nac e r t a i ne x t e n t t h ee x i s t i n gm o l d i n gm a c h i n e r yi nm o l d i n gp u r e u h m w p ep r o d u c t s p r o c e s s e x i s tm a n ys h o r t c o m i n g s ，i n c l u d i n gm a t e r i a ls k i d ， u n f a v o r a b l ef e e d i n g ，o b s t r u c t i o np i s t o nc y l i n d e r , m e l tr u p t u r ea n dl o wp r o d u c t i o n e f f i c i e n c y a c c o r d i n gt ot h ee x i s t i n gd e f e c t si nf o r m i n gp r o c e s su h m w p e ，t h ea r t i c l e d e s i g n sak i n do fn e wm o l d i n gi n s t i t u t i o n s - f o l l rp l u n g e re x t r u s i o nd e v i c e t h e e q u i p m e n tm a i n l yc o n s i s t so fh y d r a u l i cd r i v es y s t e m ，c h a r g i n gp a r t s ，h e a t i n gp a r t s a n db u f f e rp a r t se t c t h eb a s i cp r i n c i p l eo ft h ed e v i c ei se x p e c t e dt oj o i nb yf o u r p i s t o nc y l i n d e rp r e h e a t e da n dh e a t i n gm e l t i n g ，t h e nb yh y d r a u l i ct r a n s m i s s i o ns y s t e m c o n t r o lf o u rp i s t o ni nt u r nw i l lm e l tp u s h e dt oac o l l e c t i o nd e v i c e _ c u s h i o n i n g p a r t ， f i n a l l yt h r o u g ht h em o u t h ，t h u sr e a l i z ed i ee x t r u s i o np r o d u c tc o n t i n u o u se x t r u s i o n t h i sd e v i c et op u r eu h m w p ep r o c e s s i n g ，i nr a i s i n gp r o d u c t i o ne f f i c i e n c ya n d i m p r o v i n gp r o d u c ts u r f a c eq u a l i t yh a si m p o r t a n tt h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c e d u r i n gt h ed e s i g np r o c e s s ，i no r d e rt os e tt h ep a r a m e t e r so ft h ep i s t o nc y l i n d e r p r e h e a t i n gs e g m e n ta n dh e a t i n gs e c t i o n ，t h i sp a p e ru s et h ec f dn u m e r i c a la n a l y s i s s o f t w a r ep o l y f l o wt os i m u l a t eh e a tc o n d u c t i o np r o b l e mi nt h em a t e r i a lm e l t i n g p r o c e s si ne x t r u s i o n ，a n a l y z et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o na n dt h ei n f l u e n c eo fm a i n p r o c e s sp a r a m e t e r sm a k e so nt h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n t h es i m u l a t i o no ft h em e l t e x t r u s i o nw a sc o n d u c t e db ym e a n so fp o l y f l o wa n dt h ev e l o c i t yf i e l d ，p r e s s u r e f i e l da n ds h e a r - r a t ew a s a n a l y z e d t h r o u g hm u l t i p l e s i m u l a t i o na n a l y s i sa n d c o m p a r i s o n , t os u r et h eg e o m e t r ys i z eo fb u f f e rs e g m e n ta n dt r a n s i t i o ns e c t i o n t h e o r e t i c a l l y k e yw o r d s ：u h m w p e ；p l u n g e re x t r u s i o n ；p o l y f l o w ；s i m u l a t i o n u 第l 章绪论 1 1 前言 第1 章绪论 超高分子量聚乙烯( u h m w p e ) 是一种性能优异的新型工程塑料，由于具有 其它塑料无可比拟的综合性能，而被广泛应用于化工、石油、造纸、包装、运 输、机械、采矿、农业、建筑、电气、食品、医疗、体育等许多个领域。虽然 u h m w p e 的综合性能十分优异，但其加工性能却不尽如人意l l 】。成型纯 u h m w p e 制品已成为当今世界性难题之一，至今为止，国内外已有许多学者通 过改性来改善其加工性能，但这样同时会降低u h m w p e 的其它性能。 在聚合物成型加工中，挤出成型作为高分子材料最主要的成型加工方法之 一，占有非常重要的地位。经过一百多年的发展，塑料制品总量的1 3 以上都 是挤出成型制品。在大量的生产实践中，挤出成型理论与技术得到逐渐的深化 和拓展；其设备得以不断改进和创新；挤出工艺也得到逐步的发展；能够成型 的聚合物种类、制品结构及其形式越来越多【2 】。随着科学技术的发展，已有学者 研究并制造出了成型纯u h m w p e 制品的挤出设备，但还存在一定的极限性，这 必将促使新的成型纯u h m w p e 制品设备的诞生。 1 2 超高分子量聚乙烯 1 2 1 超高分子量聚乙燔的定义及发展 我们把粘均相对分子量在1 5 0 万以上的线性聚乙烯( p e ) 称为超高分子量聚 乙烯【3 j ，其英文全称为u l t r ah i g hm o l e c u l a rw e i g h tp o l y e t h y l e n e ，简称为 u h m w p e l 4 1 。u h m w p e 极高的分子量是普通p e 所不具有的，并具有其他工程 塑料无可比拟的力学性能，是一种新型的、综合性能极其优异的热塑性工程塑 料【5 】5 ，几乎汇聚了各种塑料的优点，被人们称为“令人惊异的塑料 6 1 。 1 9 5 3 年德国的z i e g l e r t 。7 j 发现在低温、低压下，采用特殊的催化剂能够使乙 烯聚合成为高密度聚乙烯( h d p e ) ，并在此条件基础下，改变工艺参数就可制得 第1 章绪论 u h m w p e 后，美国联合化学公司( a l l i e dc h e m i c a l ) 率先于1 9 5 7 年采用齐格勒催 化剂研制成功了u h m w p e 【8 1 。其后，德国的赫斯特( h o e c h s t ) 公司、美国的赫格 里斯( h e r c u l e s ) 公司和日本的三井石化公司相继开发了u h m w p e 的生产工艺， 且实现了工业化生产。在我国，u h m w p e 最早是由上海高桥化工厂于1 9 6 4 年 研制成功并投入工业生产的【9 1 。 1 2 2 超高分子量聚乙烯的特点及应用 由于u h m w p e 的相对分子质量非常高，分子链长，因而具有优异的综合性 能，具体表现在以下几个方面【l o 1 5 】： 1 、极高的耐磨性耐磨性居现有工程塑料之首，是不锈钢铁的5 5 倍，尼 龙6 6 的6 倍，聚四氟乙烯( p t f e ) 的4 - 5 倍； 2 、高的耐冲击性其冲击强度是以耐冲击而著称的p c 的2 倍、a b s 的5 倍、p o m 和p e t 的1 0 倍； 3 、良好的自润滑性摩擦系数为0 0 7 - 0 1 l ，仅次于塑料中自润滑性最好 的“塑料王”- p t f e ，优于添加了润滑油的碳钢和黄铜，在摩擦学领域，被誉 为性价比非常高的摩擦材料； 4 、优良的耐化学腐蚀性在一定温度和浓度范围内，可耐许多烈性化学物 质的侵蚀。其在2 0 和8 0 的8 0 多种有机溶剂中持续浸渍3 0 d ，外表没有任何 反常现象，其它物理性能也基本没有变化； 5 、低温性能极佳耐低温性是所有工程塑料中最佳的，即便在2 6 9 下仍 可以使用。可用于制作低温部件和管道，适应核工业等工作温度极低的恶劣环 境； 6 、对生物无毒性是少数几种对生物完全没有毒，且无味、无嗅的材料之 一，被用于食品和医药领域内； 7 、优良的憎水性吸水率极低，一般小于0 0 1 ，几乎不吸收水份，在成 型加工之前不需要进行干燥处理，其制品在水中不会膨胀； 8 、优良的不粘性化学稳定性好，表面张力很小，表面吸附力十分微弱， 其抗粘附能力可以和塑料中不粘性最好的p t e f 媲美，故其制品表面不容易跟其 它材料粘附、结垢； 9 、低密度性密度在工程塑料中最小，比p t f e 低5 6 ，只有钢材的1 8 ， 2 第l 章绪论 因此其制品十分轻便，安装容易、迅速、可靠。 1 0 、成本低廉价格在现有工程塑料中是最低的。 表1 1u h m w p e 与其它工程塑料典型性能的比较 项目单位u h m w f e a b sp a 一6 6p cp t f e 密度 e , c m 3 0 9 3 51 0 2 1 0 4 1 1 3 1 1 51 2 2 1 4 2 2 0 冲击强度c j c m c m 2不破裂1 6 0 4 4 0 6 0 l l o 7 1 0 - 9 3 0 1 6 0 磨损率 1 0 0 0 转 7 07 7 01 7 52 8 02 5 0 磨擦系数 0 。0 7 - - 0 1 1o 3 8o 3 7o 3 6o o 舡一0 1 0 吸水率 0 0 lo 0 2 d 4 51 5o 1 5 0 0 1 由表1 1 中的数据对比可看出，u h m w p e 是几种工程塑料中耐冲击最好、 最耐磨且最轻的塑料。事实上，除耐热性外，u h m w p e 可以和p t f e 媲美，尤 其是其韧性、耐磨性、耐腐蚀和自润滑性等综合性能是其它任何工程塑料包括 p t f e 所不具备的。 正是由于u h m w p e 具有如上所述的诸多突出性能，因而它能满足许多物业 部门对材料性能的特殊要求，应用领域极为广泛，在交通运输、农业、化工、 石油、机械、建筑、造纸、包装、纺织、食品、电气、医疗和体育等领域都有 用途。在医用这个特殊领域，可用来制成心脏瓣膜、人工关节和矫形外科零件 等，是非常理想的医用聚合物材料1 1 6 1 。e h a r n l e y 【l7 j 于1 9 6 2 年发现u h m w p e 可 用于制造人工髋关节的髋臼，且临床试验效果好。近十几年来，随着u h m w p e 的加工技术的不断突破，其制品又在许多新的领域获得了成功的应用。 1 2 3 超高分子量聚乙烯的难加工性 作为热塑性工程塑料，u h m w p e 在固态时具有优异的综合性能，但同时由 于u h m w p e 的分子量极高，其分子链长且呈线性乱缠型分布，使其熔体特性与 常规p e 等普通热塑性塑料截然不同，给其成型加工带来很多难题，主要体现在 以下四个方面 1 8 - 2 1 1 ： l 、物料熔融时粘度极高，u h m w p e 加工时，熔融粘度高达1 0 8 p a s 。常规 p e 在负荷2 1 6 k g 下的流动指数( m f r ) 为0 0 3 - - 3 0 9 1 0 m i n ，而u h m w p e 即使 在十倍负荷( 2 1 6 k g ) 条件下，熔体也很难从仪器1 2 1 模中流出，流动性极差，其 熔体m f r 几乎为零，很难直接进行挤出或注射成型。常规p e 在使用螺杆挤出 3 第1 章绪论 加工时，固态物料在机筒外加热和螺杆剪切共同作用下，逐渐融化为粘性流体， 即使在螺杆设计与加热温度不是十分理想的情况下，也不会出现物料堵塞在机 筒而丝毫挤不出来的现象。然而对于u h m w p e 来说，物料在螺杆段上的运动近 似为固体输送过程，即“粉粒一半固体一高粘弹体”的变化过程，是典型的“塞流” 输送机理【2 2 1 ，容易产生物料堵塞在压缩段，继而包覆螺杆一起旋转导致无法挤 出，这种现象也称为“料塞”。这是使用普通单螺杆挤出机成型纯u h m w p e 制品时遇到的难题之一。 实验研究表明，熔融的u h m w p e 不同于常规p e 熔融时呈粘流态，从口模 挤出后即刻下垂( 如图1 1 所示) ，而u h m w p e 熔体从高温口模挤出时呈半透明 固体状沿水平偏下方向移动，显示出一定的“熔融刚度 ，表现为高粘弹态( 如 图1 2 所示) 。由此可知，u h m w p e 熔融时是一种粘度极高、流动性非常差的特 殊熔体。 图1 1 高密度聚乙烯挤出形态图1 2 超高分子量聚乙烯挤出形态 2 、u h m w p e 的摩擦系数极低，使得物料在挤出过程中极易发生打滑，不 易进料。这是螺杆挤出成型时遇到的又一难题。 3 、临界剪切速率极低，熔体容易产生破裂。临界剪切速率与相对分子质量 成反比。普通h d p e 在1 0 0 s 以时才会产生熔体破裂缺陷；而由于u h m w p e 的相 对分子质量极高，故在剪切速率很低( 0 0 1 s 4 ) 情况下，就可能出现这种现象。因 此，在用挤出成型加工u h m w p e 时，挤出速度过快可能会导致熔体破裂，表面 出现裂纹缺陷。在进行注射成型时，会出现气孔和脱层现象，这是由于出现喷 射流状态造成的。图1 3 为u h m w p e 的流动曲线模型。由图1 3 可以看出， u h m w p e 的剪切速率为1 0 刁1 0 ( s 。1 ) 数量级。可将u h m w p e 的流动曲线分为 4 种状态( 见图1 4 ) 【矧。 4 、成型温度范围窄，易被氧化降解。 由于u h m w p e 具有上述加工难点，给其成型加工带来了极大的困难，很难 用现有的、常规的聚合物加工方法对其进行加工，从而在很大程度上限制了 u h m w p e 的推广和应用。 4 第l 章绪论 1 a 1 0 手l 伊 兰l - r i o 要j 餮l 矿 辨甥违辈曩 卜u h m w p e2 一挤出和吹塑p e3 一注射p e 图1 3u h m w p e 和普通p e 的流动曲线模型 a b c d 鬈鬻逐 菘霞蠹醢瑟瑟麓鬟鎏辽z 枧头- 伊巍游方向 一层流态；在剪切速率较低的情况下出现，产生离模膨胀现象。 b 熔体破裂流态；熔体开始破裂，离模时出现表面缺陷。 c 一滑流态；熔体各层间不产生相对位移，同时又不产生离模膨胀现象。 l y - - - 喷流态；在高速剪切下熔体被剪切成粉末状喷出，通常认为这是u h m w p e 所独有的 1 3 超高分子量聚乙烯的成型研究现状 u h m w p e 的成型加工是一个相当难的课题。现今，对u h m w p e 的成型研 究主要分为两类：加工和改性。其中加工技术分为压制成型法、挤压成型法、 5 第l 章绪论 注射成型法及其它加工方法4 种，改性技术又分为有机物共混改性、无机填料 共混改性、聚合填充改性和交联改性4 种【2 4 1 。 1 3 1 改性研究 周晓谦等1 2 5 j 选用s i 0 2 、m o s 2 和f e 粉等三种填料对u h m w p e 进行了共混 改性研究。研究结果表明：添加三种填料后的u h m w p e 材料，其耐低温冲击强 度都有所下降。采用s i 0 2 、f e 粉改性u h m w p e 时，耐冲击强度随填料加入量 的增加逐渐升高、邵氏硬度也有一定程度的提高；而采用m o s 2 对u h m w p e 进 行改性时，其耐冲击强度反而随着填料加入量的增加有所下降、邵氏硬度影响 不明显。 刘罡等1 2 6 1 采用流动改性剂、偶联剂、无机填料等对u h m w p e 进行了改性 研究。研究结果表明：在添加剂的作用下，改性后的u h m w p e 熔体的m f r 都 较纯u h m w p e 有显著提高，而其耐磨损性却有所下降。经过该改性后的 u h m w p e 材料可以被用做注塑机械密封垫，并且经过使用后，证明此材料的加 工性能较好，但其耐磨性有待提高。 王雪怡等【27 j 选用液晶聚氨酯( l c p u ) 作为共混剂来改善u h m w p e 的m f r 。 实验表明：在共混体系中，若不添加任何相容剂，l c p u 对u h m w p e 的m f r 没有改善作用；而在l c p u 相容剂的质量比固定的条件下，其复合材料的m f r 随l c p u 用量的增加逐渐增大；其中，当l c p u 相容剂质量比为5 时，m f r 达 到最大值( 4 0 9 1 0 m i n 1 ) 。 l i u 等1 2 引采用聚丙烯( p p ) 针对u h m w p e 在超声波振动场中的加工性能进 行了研究，研究表明：在上述情况下，可以有效地改善u h m w p e 的流动性能， 其材料可以较容易的通过单螺杆挤出机实现生产。 张炜掣列j 进行了u h m w p e p p 共混改性研究，并制备了合金材料，深入研 究了该共混体系的m f r 与力学性能，以及兼容剂对它的增容效果。研究结果表 明：p p 可以有效地改善材料的m f r ，但是与u h m w p e 不相容，需加入兼容剂 增容。兼容剂d 作为兼容剂可以很好的改善混合体系的兼容性，可有效地提高 材料的拉伸强度及其冲击强度，从而达到一定的增强和增韧效果。最理想的添 加份量为1 0 ，即u h m w p e p p 共混体占总量的9 0 ，兼容剂d 占1 0 ，而共混 体中u h m w p e p p 的量分别为2 0 8 0 。 6 第1 章绪论 赵安赤等【3 0 l 通过采用l c p 对u h m w p e 进行改性研究，从而在u h m w p e 的改性领域获得了突破性进展。研究结果表明：经过具有棒状刚性链或半刚性 链结构分子链的l c p 改性，可达到提高材料的耐磨损性和其它力学性能的效果。 但这种改性方法存在一定的不足，其加工温度( 2 5 0 - 3 0 0 。c ) 太高，表1 2 是 不同比例l c p u h m w p e 的熔体m f r 。 表1 2 不同比例l c p u h m w p e 的熔体流动速率 l c p u h m w p e0 1 0 05 9 51 0 9 02 0 8 0 3 0 7 0 m f r ( g 10 m i n ) oo 0 1 5 0 0 28 0 72 4 7 4 北京化工大学的徐定宇等【3 l 】人制备了一种名为m s 2 的流动改性剂，添加少 量( 0 6 0 8 ) 即可有效地改善u h m w p e 的m f r ，显著改进材料的加工性 能，且对其它性能没什么影响。 专利u s p 4 8 5 3 4 2 7 t 3 2 1 报道：美国a l l i e d s i g n a l 公司研制出了一种有效的共混 物润滑剂a e u f l o w ，该润滑剂与硬脂酸盐配合加工u h m w p e 可取得较好的效果。 通过普通单螺杆挤出机或注塑机可加工该润滑剂和u h m w p e 共混后的物料，其 加工温度为1 5 0 3 0 0 0 c ，压力为1 0 - - - 4 0 m p a 。 德国的oj a c o b s 等【3 3 1 发现在u h m w p e 纤维中添加h d p e ，可以有效地改 善u h m w p e 的很多性能。研究结果表明：其共混物的蠕变速度较纯u h m w p e 显著减慢，且抗磨损性能也有明显提高，所能承受的静态载荷是纯u h m w p e 的3 倍，h d p e 的2 倍。 u h m w p e 通过改性，可以达到提高其加工流动性、耐热以及抗磨损性能， 实现增韧与增强的目的。无论是从物理方面，还是化学方面，国内外已有许多 学者对u h m w p e 的改性进行了比较深入的研究。但是，从前人研究的结果得出， 改性在改善u h m w p e 加工性能的同时，在一定程度上又会降低u h m w p e 的某 些性能。 1 3 2 成型方法研究 u h m w p e 的几种加工方法及其研究现状如下【3 4 。3 9 1 1 、模压成型是指压制烧结工艺和传递模塑法，又分为压制一烧结一压制法、 烧给一压制法、压制一烧结同时进行法、快速加热压制法以及传递模法等五种方 法。u h m w p e 最原始的加工方法采用的是压制烧结法。模压成型设备比较简单， 妊 箍 第l 章绪论 该成型方法还具有成本低、投资少、且不受相对分子量高低的影响等优点；其 缺点是生产效率不高、劳动强度较大、产品质量不稳定等。荷兰的聚合物研究 学会采用模压成型法加工了u h m w p e ，并且其制件被用于了医疗行业，如制造 人造髋关节等。w e m e r & p f l e i d e r e r 公司通过采用叶片式混合机，开发了超高速 熔结加工法，其中，当叶片旋转的速度达到最大( 1 5 0 转s ) 时，可以使物料在 短短几秒内就达到加工温度。 。 2 、单螺杆挤出法是一种连续成型技术，该法在配合特殊的材料和加工工艺 的前提下，采用专用单螺杆挤出机已实现了连续生产u h m w p e 制件。近年来， 美国菲利浦化学公司通过特别设计的单螺杆挤出机成型了直径0 1 2 1 9 2 m m 的管 材。日本则生产了2 0 m m - 5 0 m m 的管材以及厚2 0 一- - 5 0 m m 、宽5 0 0 m m 的板材。 1 9 9 4 年底，我国北京化工大学公布了一5 型u h m w p e 专用螺杆挤出机，随后， 又于1 9 9 7 年成功开发了0 6 5 型管材单螺杆挤出生产线。经过生产实践证明，单 螺杆挤出机用于纯u h m w p e 的加工有很大困难。由于极低的摩擦系数使得粉料 在行进过程中容易打滑，导致螺杆输送能力下降，且可能会因摩擦生热而使粉 料粘附于螺杆或是机筒上，无法进料。 3 、双螺杆挤出机通过两螺杆啮合可取得将物料强制推进的效果，具有正向 输送作用，它能够克服u h m w p e 粉料在单螺杆挤出过程中的打滑问题，有效地 提高螺杆的送料能力，不会造成料塞现象。但是，在加工过程中，由于u h m w p e 熔体的粘度极高，而导致双螺杆输送熔体时阻力大，故对螺杆需提供较大的轴 向推力，即螺杆尾部选用的止推轴承要能够承受很大的背压。至今为止，世界 上已有很多国家实现了u h m w p e 的双螺杆挤出成型，如德国的r u h rc h e m i e 公 司，通过双螺杆挤机成功生产了最大直径为15 0 m m 的u h m w p e 棒材；瑞士一 家公司，用该挤出机成型了5 0 多种用于洗棉机( p i c k e r s ) 的型材。目前，带条、 矩形型材、圆棒和各种形状的异型材等都已采用同向双螺杆挤出机实现了连续 生产。在国内，王庆昭等利用自行设计的模具，首次实现了在双螺杆挤出机上 连续生产u h m w p e 制品。 4 、柱塞式挤出成型是将粉料频繁加入机筒内，经加热熔融后，借助柱塞压 力的作用使熔体通过机头口模挤出、冷却，即而获得所需制品的过程。该方法 在成型过程中不出现剪切现象，也不受物料相对分子质量高低的约束，成型的 制品质量好。目前，德国w k 公司制造了主要用于生产p t f e 棒材的立式柱塞 挤出机、此系列的设备同样可用于加工u h m w p e 。在国内，辽宁的阜新红旗塑 8 第1 章绪论 料厂研制了可用于加工相对分子量高达3 0 0 万以上的u h m w p e 柱塞挤出机。 5 、在国外，日本的三井石油化学公司早在1 9 7 6 年就成功开发了专用于加 工u h m w p e 的注塑机，并实现了商业化生产。u h m w p e 熔体在注塑成型时， 在高压作用下呈现出的喷流射流动状有利于充模，使制品质量稳定。反之，注 射压力过大，会造成溢料，利用注射成型存在设备功率消耗大，且在高剪切作 用下会造成氧化降解，或熔体破裂等缺点。1 9 8 3 年，北京塑料研究所选用 u h m w p e 为原料，成功注塑了水泵的轴套和灌装啤酒用的托轮。 6 、近几年，又相继提出了u h m w p e 固态挤出法和气辅挤出成型。固态挤 出法是一种将物料在熔融温度以下进行加工的成型方式。目前，美国l a c h a f i a d e s 开发了一套可实现复杂制件固态挤出的成型体系。气辅成型是在熔体充填到型 腔9 0 - - 9 9 的时候注入高压惰性气体，气体推动熔体继续充填型腔，用气体保 压来代替熔体保压的一种新兴的挤出技术。南昌大学聚合物成型研究室的张晓 霞掣2 1 】对u h m w p e 的气辅挤出工艺进行了探索。 挤出成型具有效率高、投资少、成本低、操作简单、应用广泛，机多用 嚣 等优点。通过更换螺杆、机头口模以及相应的辅机可实现一条挤出生产线加 工多种高聚物或生产多种类型的产品。 传统挤出成型存在以下问题：其挤出加工精度低，挤出物表面容易出现熔 体破裂和“鲨鱼皮现象等缺陷【4 1 4 2 】；挤出物发生挤出胀大【4 3 坩l ，使得制品与 挤出口模形状不同。 1 4 柱塞挤出成型 1 4 1 理论及发展史 柱塞挤出成型是借助柱塞的挤压作用，强行将受热熔融的物料挤出口模而 成型为所需截面制品的一种加工方法。该成型法通常用于要求加工压力高或螺 杆挤出不适宜的工艺中1 4 列。 世界上第一台柱塞挤出机是j br a m a h 于1 7 9 5 年发明的【删，它由一个手动 柱塞和机头组成，被用于连续生产铅管。1 8 4 5 年，英国人r br o o m a n 成功申请 了用挤出法成型古塔波胶电线的专利【4 7 1 ，随后，越来越多地绝缘电线和电缆开 始采用挤出法来生产。早期用于生产电缆的挤出机都是柱塞式的。1 8 7 0 年，随 9 第l 章绪论 着柱塞挤出机成功用于挤出赛璐珞【4 酊，标志该挤出设备开始用于塑料加工。十 九世纪末期，埋在英吉利海峡海底的电缆采用柱塞挤出机间断性挤出成功【4 9 1 ， 这是柱塞挤出机真正用于塑料的加工，在此之前采用柱塞挤出加工时，物料在 挤出之前就进行了塑化，塑化是单独进行的，整个过程只利用柱塞的推压力挤 出塑料熔体，不涉及物料塑化。螺杆挤出机的出现表现出对聚合物加工的良好 适应性，使得柱塞挤出机几乎被淘汰。但随着社会的进步、科学技术的发展， 材料的品种不断增多，出现了一些螺杆挤出机无法加工的材料，尤其是当p t f e 和u h m w p e 出现之后，柱塞挤出机又重新受到人们的重视。 早期采用柱塞挤出机加工聚合物的过程是非连续的，近年来相继出现了一 些连续式柱塞挤出机，该类挤出机采用双柱塞交替挤出或将螺杆、柱塞并用， 来尽可能削弱加料的断续性，达到连续挤出制品的目的。1 9 4 5 年美国学者就提 出了聚合物的连续成型法双柱塞挤出成型，并申请了专利f 5 0 l 。 双柱塞挤出机主要由压力传动系统、加料斗、加热部分、缓冲部件和相位 差滞后装置等组成。其中加热部分采用薄板结构，这种特殊机理和结构可实现 快速加热，有效地提高生产效率；该装置中的核心部件是缓冲部分，缓冲部分 能在很大程度上克服柱塞挤出的不足，再结合双柱塞式交替挤出实现了连续生 产，大幅度减少脉动，从而有效克服制品表面竹节现象的产生【2 1 。 日本池贝铁公司于1 9 8 0 年研制出了一种新型双柱塞推压机，该设备通过使 用两个柱塞交替往复运动，达到了减少加工时间的效果，并有效地克服了热降解， 使挤出的制件更加密实。1 9 9 3 年，w e m e r & p f l e i d e r e 公司推出了一种可将 u h m w p e 和p t f e 加工成不同壁厚制品的双油缸双柱塞推压机【5 1 1 。图1 5 为一 种传统双柱塞推压装置示意图【5 2 】。 l 一加料斗2 一预塑料筒3 一挤压柱塞4 一往复阀： 5 一机头口模 图1 5 一种双柱塞推压机结构示意图 1 0 第1 章绪论 北京化工大学塑料机械及塑料工程研究所于2 0 0 3 年根据u h m w p e 的理论 研究，结合生产实践经验以及参照国外先进技术，设计并制造出了一种纯 u h m w p e m 4 双柱塞挤出设备，该设备获得了独立知识产权，主要用于成型棒 材、管材、板材、异形材等。其原理图如图1 6 所示【5 3 1 。并于同年开发了柱塞冲 压式挤出机成型p e x 管材的生产线。对其成型模具作些改动后，该生产线也可 用于生产u h m w p e 和p t f e 管材。主机结构如图1 7 所示p 引。 现今，柱塞式冲压挤出法已被韩国的泰成机械和喜星化学昌原工厂用于成 型p e x a 管材，国内也有公司成功采用该挤出法进行了p e x _ a 、u h m w p e 和 p t f e 管材的生产。三家公司所用的挤出机结构相近，工作原理一样。 阮习叠，；7 措f 筠一声岔。一到 一1 警f 一擎萨溅嬲劢e 篓 圆睦 一一 蓬一鹣苣蜀 l 一油缸2 一推杆3 一料斗4 一加热部 5 一缓冲部6 法兰盘 图1 6 新型双柱塞推压机原理图 1 一电机2 一螺旋喂料装置3 一柱塞4 一预热区 5 一加热区俨简体7 一芯棒 图1 7 柱塞冲压式挤出机原理图 第1 章绪论 1 4 2 柱塞式挤出机设计的研究现状 北京化工大学硕士论文【5 4 】中提出，为了方便对挤出的过程进行分析，结合 柱塞挤出的特点，将柱塞挤出机的挤出过程分为固体加料段、熔融段、分流段 和成型段等四个阶段进行分析，并树立了各段柱塞挤出过程的数学物理模型。 为柱塞挤出机机构的设计提供了有利的条件。 2 0 0 9 年，北京化工大学的李维维掣5 5 】基于a n s y s 软件，对柱塞挤出机熔 融段进行了数值模拟计算。通过定义不同尺寸的机筒内壁和外壁，建立不同大 小的模型进行模拟分析，得出在各种尺寸下物料( u h m w p e ) 达到完全熔融时的 温度场分布情况，并进一步分析计算出各种情况下所需要的时间。 1 5 存在的问题 柱塞挤出成型作为聚合物挤出成型的一个重要分支，能够实现纯u h m w p e 制品的成型加工，但其成型的制品表面存在着严重的缺陷，且不能实现连续生 产。u h m w p e 柱塞挤出成型过程中必须解决的两个突出问题包括：提高生产效 率和实现连续稳定挤出，来改善表面质量。柱塞挤出机从发明到现在，在结构、 性能和工作原理上都取得了很大进步，目前通过采用一机多腔和提高挤出速度 两种手段使其朝高速化方向发展。近年来，有学者设计制造的双柱塞挤出机实 现了u h m w p e 的连续加工，极大限度减少脉动，从而减少制品的竹节现象产生， 但生产效率相对比较低，表面依然存在一定的缺陷。 1 6 本课题研究的主要内容和意义 本课题来源于导师柳和生教授主持的江西省自然科学基金项目“超高分子 量聚乙烯气体辅助挤出成型的理论及实验研究”( n o ：2 0 0 8 g z c 0 0 6 4 ) 。 1 6 1 研究内容 l 、通过对现有u h m w p e 柱塞挤出机的分析，确定挤出成型过程的主要结 构形式； 1 2 第1 章绪论 2 、在此基础上采用p o l y f l o w 软件对四柱塞挤出装置模型进行挤出模拟， 研究物料在机筒段的热传导问题和熔体在挤出过程中温度、速度、剪切速率、 应力等场的分布，据此确定四柱塞挤出装置的主要参数； 3 、采用p r o e 软件对四柱塞挤出装置进行机构设计。 1 6 2 研究意义 本次设计主要是结合u h m w p e 难加工特性及在传统加工中存在的缺陷，设 计一套四柱塞挤出装置，此装置通过将物料加入四个柱塞机筒进行预热和加热 熔融，然后由液压传动系统控制四个柱塞依次连续将料挤入到一个汇集装置一 一缓冲部分，最后通过口模挤出制品，从而实现连续挤出。本次对四柱塞挤出 u h m w p e 装置的设计，对纯u h m w p e 加工，提高生产效率，改善制品表面质 量，具有重要的理论意义。 1 7 本章小结 l 、对u h m w p e 的性能及熔体加工特性进行了介绍；对u h m w p e 改性和 成型方法两方面的研究现状进行了简单论述。 2 、对柱塞挤出机的发展进行了介绍，并介绍了该成型方法在u h m w p e 成 型j n - r 上的发展现状等。 3 、提出了本课题的研究内容和意义。 1 3 第2 章四柱塞挤出装置的设计- 第2 章四柱塞挤出装置的设计 立式柱塞式挤出机具有占地面积小、操作简单、柱塞与模具的对中性好且 不宜偏移，加工出的制品精度高等突出特点。为此，本论文将设计一套立式四 柱塞挤出装置。 2 1 主要机构设计 2 1 1 设计原理 立式四柱塞挤出装置的设计原理：固态物料由进料斗进入挤出机筒，机筒 内的固体物料在柱塞的挤压作用下，由经机筒预热段预热和加热段加热熔融后， 汇集到缓冲部分，再经口模挤出所需制品。四柱塞挤出机在挤出过程中，四个 柱塞在压力系统的控制下依次交替运动，各柱塞之间的运动存在1 4 的相位差， 其运动分析曲线如图2 1 所示，以柱塞行程的一半为坐标原点，阴影部分表示柱 塞做正向位移挤出，从图中可知：挤出过程中至少有一个柱塞在工作，实现了 连续挤出。四个柱塞机筒分别由四个控制阀门控制，当柱塞在向下挤出过程时， 控制阀门保持开通状态；而柱塞回退时，控制阀门闭合。 1枉墓1 辩1 石氐3 石氐5 l 彬25 缈29 m 再 柱瓜一 n 闷闷一 柱九瓜 w 一 柱1 图2 1 四柱塞运动时间位移曲线分析图 1 4 第2 章四柱塞挤出装置的设计 2 1 2 机筒段的确定 本次设计的挤出装置是针对实验样机来设计的，主要用于今后的科研事业。 考虑到今后做实验过程中节省原料，实验样机的微型化，综合现用于科研的实 验机的尺寸，确定柱塞机筒的内径为2 0 r a m ，外径为3 0 m m 。 柱塞挤出机成型过程中伴随着实现机筒中完成物料预热、加热和挤出三个 工艺过程。三个工艺过程共同影响着挤出过程中物料的熔融，预热对象是刚进 入机筒的物料。该段温度设得稍高一些，有助于物料尽快进入加热段加热熔融， 相对延长物料加热熔融、塑化的时间，有利于提高制品质量，但预热温度如果 过高，会导致物料因过早熔融而黏附在机筒内壁上，增大送料阻力的后果。一 般情况下，预热温度为9 0 1 0 0 0 c ，预热段长度最长不超过l o o m m 。物料熔融 发生在加热段。加热温度与长度对挤出过程影响很大。加热温度的设定是要确 保挤入口模的物料完全熔融，需综合考虑物料的热性能与加热长度两个因素。 加热温度过高，容易造成氧化分解，加热长度以实现物料充分熔融为准，不宜 过长【3 5 l 。预热段和加热段的设计直接影响到物料的熔融质量，是挤出机设计的 关键之一。挤出机筒段设计的传统方法采用的是反复修整和实验“试错法， 设计周期长，成本高。随着计算机技术的发展，计算方法的更新，本次设计将 采用数值模拟分析机筒段物料流动过程中的热传导问题，定量研究机筒段的预 热和加热温度、以及各段长度，不仅可缩短机筒段的研发周期，而且可提高机 筒段的设计质量。其数值模拟分析研究详见本文的第4 章。加热时，先在机筒 上套一个铝套，然后再把电加热圈套在上面，这样可使加热段的机筒表面温度 更均衡。 2 1 3 压力传动的选用 机械传动技术成熟，质量可靠，被广泛地应用于机械工程中，但体积庞大， 制造成本高，维修困难，动作反应迟钝。产品升级自动化控制难度大，在机械 设计中有很多死角和不能完成的科目。 液压传动【5 6 】是在机械传动的基础上，诞生的一种以液体为工作介质来传递 能量和进行控制的传动方式。其基本原理：利用液压泵将原动机的机械能转换 为液体的压力能，通过液体压力能的变化来传递能量，然后经过各种控制阀和 管路的传递，借助于液压执行元件( 液压缸或马达) 把液体压力转换为机械能， 第2 章四柱塞挤出装置的设计 从而驱动工作结构，实现直线和回转运动。 液压传动与机械传动、电气传动相比，有以下主要优点【5 7 】： 1 、液压传动的传递功率大，能输出大的力或力矩。即在同等功率下，该传 动装置的重量轻、体积小、且结构紧凑。 2 、液压执行组件的速度可以实现大范围无级调速。 3 、液压传动工作平稳，运动惯性小，便于实现频繁换向。 4 、液压装置可自动实现过载保护，使用寿命长。 5 、液压装置易于实现自动化的工作循环。 6 、液压组件易于实现系列化、标准化和通用化，便于设计、制造和推广使 用。 由于液压传动具有上述优点，本次设计选用液压传动来驱动柱塞往复运动， 使柱塞能够相对稳定的挤出制品，改善制品的表面质量。本次设计只针对机构 进行设计，其控制系统不做要求，故下面只讲述液压缸的选择。 液压缸作为整个装置中的核心动力组件，液压缸的主要使用参数为液压缸 的公称压力及行程。液压缸要实现柱塞往复运动，故选用双作用液压缸。双作 用液压缸的简图如图2 2 所示，当向无杆腔供油时，活塞杆向外伸出的理论推力 为f l ；当