后共挤(PCE)成型工艺的研究

潘多拉 · 发表于 2011-2-28 11:00

后共挤(以下简称PCE)技术是80年代末期由奥地利人开发的一项具有革新性的先进成型技术，是共挤技术的最新发展。与传统的前共挤技术比较，具有工艺简单，应用灵活，废品率低且易于回收，粘接强度可控等显著特点。目前该技术主要应用于制造带密封条的门窗用异型材。
PCE技术由于其后成型的工艺特点，应用时不需改变现有生产布局(生产线，模具和空间布局)，不需大的资金投入，所以更适于已建厂的技术升级。因此，PCE技术在我国异型材生产领域有着良好的应用前景。
为开发这一先进的成型加工技术，填补国内技术空白，促进我国异型材生产技术水平的提升。我们于96年立项开题，承担了中石化《后共挤复合成型技术及设备的研究与开发》项目合同。
成型工艺是PCE成套技术的重要组成部分，对复合制品的成型质量将产生直接的影响。有关PCE成型工艺方面的情报甚少，更无这方面的任何实践经验借鉴。因此，我们开展了专题研究，通过试验的方式，掌握PCE工艺的基本原理，弄清影响成型过程的各种工艺参数及其作用，从而确定最佳的成型工艺条件。
2.工艺路线和技术关键
传统的“前共挤”技术(FCE)实际是一个一次成型的工艺过程。由两台以上的挤出机向同一成型模具挤出具有不同流变行为或不同颜色的熔融物料，这些熔体在模具中各自的流道内流动，然后在出口模之前汇合，而后进行真空一次冷却定型(图2A)。在此过程中，由于熔体粘度和压力不同及流速的差异，在口模中汇合时，易产生不稳定层流，造成复合界面不规则和不均匀以及出模分离现象。此外，熔体粘度上的差异还会使挤出熔体在真空冷却定型时，产生定型困难，如进入定型套时容易堵塞。使得工艺过程较为复杂和难以控制。因此，如保证成型质量，就需要设计制造复杂的模具和熟练的操作技术。
“后共挤”(PCE)工艺则是一种全新的概念，其实质是将“前共挤”的一次成型过程分解成为两个单一的成型过程。首先挤出普通型材(基材)，待其定型后，再挤出另一种材料与基材复合成型(图2B)。这种工艺构思将FCE中复杂的多熔体一次成型过程变成一个成型后再成型的二次成型的过程，每次成型中，模具均处理单一物料，从而使复合过程大大简化。在复合阶段，由于是熔融的共挤料熔体与冷却的硬质基材相复合，复合部分不需进入定型套，这就避免了“前共挤”中容易发生的熔体紊流和定型困难，从而使成型全过程更易控制，复合制品的形状尺寸更加精确，同时也使模具的设计制造以及工艺操作更为简单。
在PCE成型中，是冷与热，软与硬的材料结合过程，保证其粘接强度就成为本项研究须解决的的关键问题。此外获得高质量外观也是研究的重要任务。
3.PCE产品的设计
共挤产品的断面设计应基于使用功能、成型工艺和经济等方面的考虑，在本课题中，选择玻璃压条作为试验性制品，进行成型工艺研究，制品设计成带有软密封边的断面(图3)。这种复合制品在异型材生产领域有典型的应用意义。在本课题后期的推广应用中，为用户开发研制6种PCE产品，也采用了相同的断面设计。　　
图3中为PCE产品的两种设计方案，A断面简洁，比B可节省材料约1/3。但由于复合部位接触面小，保证共挤料与基材之间的粘接强度就成为关键，如解决此技术难题，就可以完全掌握该项技术。今后类似产品的开发将不存在任何技术障碍，因此，将焊接式作为首选方案。B断面为嵌入式，是直接将复合材料挤入密封槽，借助槽的结构使复合料与基材达到牢固的接合。此方案技术上较易行，但制品成本较前者高，因此作为备份方案。
4.复合形式
复合形式指的是复合部位的空间位置。由于基材在挤出中其断面的空间位置不同，导致复合形式不同(图4)，这就需要在工艺上采取相应的措施来保证成型的顺利进行。本课题涉及的复合形式有以下几种。
图4中的制品是根据用户要求设计的，虽然复合部分断面与试验产品相同，但复合形式有很大不同。因此，给成型带来一定的难度，需要通过工艺试验找出合适的工艺条件。尤其是图3B的小截面型材，其牵引是一个难点。上面的几种复合形式基本涵盖了目前异型材生产的主要形式，因此本项工作对今后PCE技术的推广应用有现实的指导意义。
5.工艺试验与结果讨论
5.1　试验设备及原料
设备名称厂家
CM45双螺杆挤出线 Cincinnati Milacron
SWD-55双螺杆共挤出机上海申威达公司
PCE-Ⅰ单螺杆共挤出机本院研制
PCE-Ⅱ单螺杆共挤出机本院研制
DSA-3　塑料焊枪温州塑料焊枪厂
SH-95　塑料焊枪温州塑料焊枪厂
试验原料：窗型材混合料本院研制专用密封条共挤料本院研制
5.2　软硬PVC后共挤工艺试验
利用压条模具(图3.A)进行了多次实验室工艺试验，在以后的应用项目中，结合不同制品的开发，又进行了相应的工艺研究。对过程中出现的各种问题分析原因，寻找对策加以解决。本项研究的重点是解决粘接强度问题和成型质量问题，为此，从几个方面入手：
(1)通过调节共挤出机机筒和模具温度，将熔体粘度调至适当程度；
(2)根据基材线速度调节共挤机挤出量，使熔体保持较高流速和较大压力；
(3)使模具精确定位，不产生各方向偏斜，使模具型腔与基材复合部位贴紧吻合，以免溢料；
(4)对基材冷表面进行快速加热(图5)，使基材表面微熔，以提高粘接强度。
此外，还采取了其它一些措施，如增设导引台座，保证基材平稳运动；加入真空吸附，保持基材表面干燥，增强其粘接性；调整模具或基材的位置，可以消除溢料、边缘不清晰和波动等成型缺陷，对双挤出小截面制品，设计了可调节的定位装置保证定位准确，还对牵引进行改造，使其能正常牵引。
5.3　试验结果与讨论
本课题研制开发软硬PCE复合制品的工作获得了成功，共研制成功7种共挤制品。PCE成型工艺简单，操作容易，废品率极低，制品外观良好，几何尺寸精确。最长连续开车6天，生产工艺稳定。
经高低温循环试验(试验条件：23℃±2℃→-20℃±3℃→23℃±2℃→60℃±3℃，循环2次，48小时)检测，制品复合部分与基材收缩相同，未发现脱落。
根据试验确定的软硬PVC后共挤最佳成型工艺条件是：
共挤出机温度100～150℃
PCE模具温度160～180℃(视环境温度而定)
基材表面的热处理温度210～250℃
螺杆转速15—70rpm(基材线速度：1.5—3m/min)
共挤出产量6—15公斤/时(双挤出，Max.3m/min)
研究结果表明：
(1)基材表面的热处理温度和共挤料的熔体温度是影响粘接强度的最主要的工艺参数。我们知道，在共挤成型中，两种物料的接合是在热和力的作用下进行的。而在PCE工艺中，基材已先冷却定型，如要使共挤料熔体与基材牢固粘接，基材复合部位应被瞬间加热至表层微熔的程度(图5)，加上适当高的熔体温度，这种双重热效应可使熔体与基材之间形成一种亚熔融的接合界面(图6)。通过比较FCE和PCE制品结合界面的亚微观照片发现，PCE可以形成与FCE相同的高强度界面接合(图6中B与A的接合界面相似，边界清晰)，达到复合部分的不可剥离。也可形成较前共挤相对弱的接合强度(图6C中边界模糊，)，这种弱的界面接合使得复合部分可以与基材分离，而在基材表面并不留下残余物，且接合强度又能满足生产及应用中所承受的外力作用而不致脱落的要求。这是PCE技术与FCE技术最显著的区别之处，也就是复合过程的可控：即通过调节共挤料的熔体温度和基材表面的热处理温度，可使复合制品得到不同的粘接强度。这种特点非常有利于降低废品率以及废料的回收。
(2)增加熔体压力，也有利于复合强度的提高。除了进行合理的流道设计外，工艺上主要是通过提高共挤出机的螺杆转速实现的。
(3)热风的风量对粘接也有着很大的影响。风量大则粘接强度下降，反之则增强。
(4)模具与基材应精确定位，有利于保持熔体压力，提高粘接强度。
(5)复合前基材复合部位的表面应进行干燥处理，有利于粘接。
(6)对双挤出的小截面型材，因线速较高，须加大共挤出量，增加热处理温度和风量，并辅以喷淋冷却。
此外，结合生产应用实践，我们还在PCE开车、停车、挤出期间的操作和故障处理方面摸索出一套简便有效的工艺操作方法，可缩短工艺调整时间，降低废品率。
PCE的最佳工艺条件应根据共挤模具和设备、产品、基材线速度、复合形式、及共挤料
情况通过试验确定。
6.结论
(1)进行了实验室及工业化工艺试验，熟练掌握了软硬PVC后共挤成型工艺，并确定了最佳成型工艺条件。
(2)研制成功7种软硬PVC复合产品，产品性能符合项目合同规定和与用户双方约定的技术性能要求，并已通过验收并正式投产。
(3)粘接强度和成型质量是PCE制品最主要的技术性能要求，影响这两项指标的工艺因素主要是：熔体温度和基材预热处理温度。共挤出机转速和模具的定位对粘接强度和成型质量也有重要影响。
(4)根据需要，可通过改变工艺条件来对制品的复合强度进行调控。
(5)PCE成型工艺操作简单，方便灵活，易于掌握，废品率低，生产稳定。

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