北欧化工ME3440、HE3490LS加工易出问题分析.doc

关于ME3440加工中易出糊料HE3490LS管材加工易出“花纹”的原因分析报告目前，我公司主要使用北欧化工ME3440、HE3490LS原料生产燃气管材，使用过程中发现ME3440管材生产时模口易积料形成糊料，尤其在生产dn200mm及以下规格的薄壁管材时，需要频繁清理口模糊料以保证管材外观质量。另外部分批次的HE3490LS原料在加工过程中管材内外壁易出“花纹”。现针对以上现象所产生的原因分析及解决措施如下:1、ME3440加工时口模析出物多口模积料也被称为咬模现象、口模泄料、模头渗料、积垢，是PE管材挤出加工过程中一种常见的问题。在管材挤出生产线运转时，形状简单的口模可以保持洁净状态。将挤出物牵引离开口模的角度改变，可改变口模上出现渗料的布局形状，并使之容易清洁。口模清除干净之后，在模口的外表面涂上脱模剂或硅酮，可减小咬模发生的几率，延长清洁模头的间隔周期。稍微降低生产速率，也可减小出现咬模的现象，但这会影响产量。咬模现象与模口处的应力大小有关，聚乙烯在模头内相对缓慢地流动，当挤出至模口时突然加速运动。这种加速运动会在熔体内产生一种应力。在应力作用下，低分子量聚合物组分与熔体内其他的组分相互分离，并且积聚在模口，随时间推移而慢慢降解形成“糊料”。解决的方法无非是采取降低模口处的应力，或者降低熔体内各种组分相互分离的倾向。这些解决方法包括改变工艺条件、选择合适原材料以及对口模进行特殊处理。1.1改变工艺方法挤出成型温度是促使成型物料塑化和塑料熔体流动的必要条件。挤出温度包括加热器的设定温度和塑料熔体温度。加热温度是指外加热器所提供的温度。为了获得较好的外观及力学性能，以及减小熔体出口膨胀，一般控制机身温度较低，机头温度较高。熔体温度是指螺杆前段与机头连接间物料的温度，是指在螺杆未端测得的熔体实际温度，因而是因变量，其大小主要决定于螺杆转速和机筒温度设置。由于普通熔体热电偶检测的数据通常是不精确的，所以需手工检测熔体温度，然后将模头温度设置为同一温度。手工检测步骤操作虽然麻烦，但很有必要这样做。同时，模头的外表面要比模头内部的温度低得多，可以试用一个表面热电偶探测模头出口处的熔体温度。聚乙烯管材挤出的熔体温度上限一般规定为230度。一般控制在 200度左右为佳。提高熔体温度和模头温度是降低挤出物在模口应力的方法之一，但这可能会造成低分子量组分发生降解。改变熔体和模头温度的方法容易操作和便于观察。有时，设置较低的模头温度可能会在模芯表面形成一层树脂冷流层，该冷流层会缓慢蠕动，挤出至模口后即刻与主体熔体流分离，进而形成咬模现象。口模和芯模的温度对管材表面的光洁度有很重要的影响，在一定的范围内，适当的提高口模与芯模温度，管材表面光洁度越高。通常来讲，口模出口的熔体温度不应超过220，机头入口的熔体温度不超过200，机头入口和出口熔体温差不应超过20。因为熔体与金属间较高的温度差将导致鲨鱼皮现象。过高的熔体温度也易导致口模积料。但具体要根据实际情况决定。另外在模口外进行鼓风有助于减小和控制咬模现象。鼓风棒上设有钻孔，均匀地喷出压缩空气，其形状要根据挤出型材的轮廓来设定。经鼓风后可直接将模头上形成的烟雾和冷凝物除去，同时还可使模口处的渗料冷却降温，使之不会发生氧化和变黑。氮气可用于防止氧化，但需注意鼓送氮气的风速不能过大，以避免冷却模头造成挤出故障。1.2改变材料方法使用不同的加工原材料会造成不同的咬模现象，从轻微的流口水现象到严重的有蓬松状物出现等咬模问题。出现轻微的、流口水咬模现象通常是由原材料中的低分子量组分引起，挤出模口后形成挥发，并凝结在模头的外表面。出现严重的、有蓬松状物咬模现象的原因通常是：熔体内产生了部分发泡、原材料的相容性不佳问题造成、模头内存在过高压力、树脂含有过高的湿气度，加工过程中易引起树脂发生降解，熔体发生断裂以及设备排气不良等原因。不同厂家出品的树脂有可能具有相同的剪切粘度，但其拉伸粘度却相差甚远。若各种树脂之间没有发现其他的差异，可尝试检测一下拉伸粘度。由于模口处存在较高的挤出应力，拉伸粘度较高的树脂更易出现多种咬模故障问题。具有高离模膨胀比的聚乙烯发生咬模现象的几率会较高。分子量分布较窄的树脂通常有较低的离模膨胀比，但分子量分布较窄的树脂通常难以加工，并含低分子量的组分，这也导致易出现咬模现象。1.3模口处理方法在模口外表面涂覆PTFE等氟化聚合物以防止咬模现象的解决方法很少有成功的案例。更有效的方法是将模头内部结构采用金属涂料和氟化聚合物同时结合涂覆或通体进行渗N处理，将模口、模芯表面进行镀铬处理，以增加其表面硬度及光洁度，降低模口处的挤出应力。增加模头成型段长度可减小膨胀比，因而可减小出现咬模现象。或者扩大模口尺寸，以降低模口的挤出应力,进而加工得到理想尺寸的挤出产品。目前，人们已成功地应用模头流动模拟分析方法来探索模口产生挤出应力的原因，并用于评估改变模口的几何形状。改变模口几何形状以减小挤出应力的方法，是目前比较流行的研究课题。2、HE3490LS加工时管材内外壁出“花纹”在部分批次的HE3490LS加工管材时，发现管材内外壁易出“花纹”，此现象多出现在dn160mmdn315mm规格（尤其薄壁）的燃气管材。经对此现象的深入分析发现，所谓的“花纹”应该属于熔体破裂现象中的粘滑破裂。在挤出过程中，当熔体剪切速率超过某一临界剪切速率时，挤出物表面开始出现畸变的现象。具体表现为：最初表面粗糙，而后随剪切速率（或切应力）的增大，分别出现波浪型、鲨鱼皮型、竹节型、螺旋型畸变，直至无规破裂，即“熔体破裂”现象。根据挤出物的形态，熔体破裂被分成鲨鱼皮、粘滑破裂和整体（波状）破裂。挤出物表面变形，即通常所称的“鲨鱼皮”现象。鲨鱼皮作为一种表面粗糙现象，具有自相似性和准周期性。所谓自相似性是指鲨鱼皮的平均波长与肋状物的平均深度呈线性关系，而其周期与分子链的松弛时间有关。从挤出物表面可观察到低幅、准周期性的小波纹状粗糙表面，变形的幅度大约为挤出物直径的1%。鲨鱼皮产生的临界条件依赖于口模出口区的形状、口模长度和口模的制造材料或口模壁的处理情况，如涂敷某种高分子弹性体或在其内壁开几微米内螺纹。2.1熔体破裂现象的机理分析造成熔体破裂现象的机理十分复杂，肯定地说，它与熔体的非线性粘弹性、与分子链在剪切流场中的取向和解取向（构象变化及分子链松弛的滞后性）、缠结和解缠结及外部工艺条件诸因素有关。从形变能的观点看，高分子液体的弹性是有限的，其弹性贮能本领也是有限的。当外力作用速率很大，外界赋予液体的形变能远远超出液体可承受的极限时，多余能量将以其它形式表现出来，其中产生新表面、消耗表面能是一种形式，即发生熔体破裂。对HDPE型熔体，其流动时的应力集中效应主要不在口模入口区，而是发生在口模内壁附近。低剪切速率时，熔体流过口模壁，在壁上无滑移，挤出过程正常。当剪切速率增高到一定程度，由于模壁附近的应力集中效应突出，此处的流线会发生断裂。又因为应力集中使熔体贮能大大增加，当能量累积到超过熔体与模壁之间的摩擦力所能承受的极限时，将造成熔体沿模壁滑移，熔体突然增速（柱塞上压力下降），同时释放出能量。释能后的熔体又会再次与模壁粘着，从而再集中能量，再发生滑移。这种过程周而复始，将造成聚合物熔体在模壁附近“时滑时粘”，造成平流段挤出压力规律波动，表现在挤出物上呈现出竹节状或套锥形的有规畸变。当剪切速率再增大时，熔体在模壁附近会出现“全滑动”，这时反而能得到表面光滑的挤出物，即所谓第二光滑挤出区。此时应力集中效应将转到口模入口区。在极高的剪切速率下，熔体流线在入口区就发生扰乱，这时的挤出物必然呈无规破裂状。壁滑现象产生的机理是由于吸附链与相邻的自由链解缠结造成的，而在某种条件下缠结与解缠结之间的振荡是产生鲨鱼皮的原因。管壁滑移现象多发生在高剪切、低粘附的管道边界状态中。临界剪切应力的大小因具体材料和边界条件而异。据报道，对聚乙烯熔体，临界剪切应力的范围为0.1-0.14MPa。2.2影响熔体挤出破裂行为的因素一切能够影响熔体弹性的因素，都将影响聚合物熔体的挤出破裂行为。这些因素大致可分为三类：一是口模的形状和尺寸；二是挤出成型过程的工艺条件；三是挤出物料的性质。2.2.1口模形状、尺寸的影响对于HDPE型流体，熔体破裂现象的原因在于模壁处的应力集中效应，因而对于一些特定的原料口模定型段长度越长，挤出物外观有时反而不好。2.2.2挤出工艺条件的影响适当升高熔体温度是另一个典型例子。熔体温度升高，粘度下降，会使松弛时间缩短，从而使挤出物外观得以改善。因此在工厂中，升高料温（特别是口模区温度）是解决熔体破裂的快速补救办法。2.2.3物料性质的影响从材料角度看，平均分子量大的物料，最大松弛时间较长，容易发生熔体破裂。而在平均分子量相等的条件下，分子量分布较宽的物料的挤出行为较好，发生熔体破裂的临界剪切速率较高，这可能与宽分布试样中低分子量级组分的增塑作用有关。3、延缓或消除熔体破裂现象的方法工业上消除熔体破裂的方法对不同材料可能并不相同，大体上有以下几种：3.1在聚合物熔体挤出时，最先出现的破裂现象是鲨鱼皮，而鲨鱼皮的形成与口模的尺寸有关。所以，在模具设计时注意尽量考虑口模、芯模的直径、长径比等对鲨鱼皮产生的影响。3.2选择特殊的口模材料，如合金钢或其它材料，对口模材料进行