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注射擠出成型工藝
1.機(jī)械原則擠出的基本機(jī)理很簡(jiǎn)單——一個(gè)螺桿在筒體中轉(zhuǎn)動(dòng)并把塑料向前推動(dòng)。螺桿實(shí)際上是一個(gè)斜面或者斜坡，纏繞在中心層上。其目的是增加壓力以便克服較大的阻力。就一臺(tái)擠出機(jī)而言，有3種阻力需要克服：固體顆粒（進(jìn)料）對(duì)筒壁的摩擦力和螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)前幾圈時(shí)（進(jìn)料區(qū)）它們之間的相互摩擦力；熔體在筒壁上的附著力；熔體被向前推動(dòng)時(shí)其內(nèi)部的物流阻力。牛頓曾解釋說(shuō)，如果一個(gè)物體沒(méi)有向一個(gè)給定的方向運(yùn)動(dòng)，那么這個(gè)物體上的力就在這個(gè)方向中平衡。螺桿不是以軸向運(yùn)動(dòng)的，雖然在圓周附近它可能橫向快速轉(zhuǎn)動(dòng)。因此，螺桿上的軸向力被平衡了，而且如果它給塑料熔體施加了一個(gè)很大的向前推力那么它也同時(shí)給某物體施加了一個(gè)相同向后推力。在這里，它施加的推力是作用在進(jìn)料口后面的軸承——止推軸承上。多數(shù)單螺桿是右旋螺紋，像木工和機(jī)器中使用的螺桿和螺栓。如果從后面看，它們是反向轉(zhuǎn)動(dòng)，因?yàn)樗鼈円M力向后旋出筒體。在一些雙螺桿擠出機(jī)中，兩個(gè)螺桿在兩個(gè)筒體中反向轉(zhuǎn)動(dòng)并相互交叉，因此一個(gè)必須是右向的，另一個(gè)必須是左向的。在其它咬合雙螺桿中，兩個(gè)螺桿以相同的方向轉(zhuǎn)動(dòng)因而必須有相同的取向。然而，不管是哪種情況都有吸收向后力的止推軸承，牛頓的原理依然適用。2.熱原則可擠出的塑料是熱塑料——它們?cè)诩訜釙r(shí)熔化并在冷卻時(shí)再次凝固。熔化塑料的熱量從何而來(lái)？進(jìn)料預(yù)熱和筒體/注塑件模具加熱器可能起作用而且在啟動(dòng)時(shí)非常重要，但是，電機(jī)輸入能量——電機(jī)克服粘稠熔體的阻力轉(zhuǎn)動(dòng)螺桿時(shí)生成于筒體內(nèi)的摩擦熱量——是所有塑料最重要的熱源，小系統(tǒng)、低速螺桿、高熔體溫度塑料和擠出涂層應(yīng)用除外。對(duì)于所有其他操作，認(rèn)識(shí)到筒體加熱器不是操作中的主要熱源是很重要的，因而對(duì)擠出的作用比我們預(yù)計(jì)的可能要?。ㄒ姷?1條原則）。后筒體溫度可能依然重要，因?yàn)樗绊扆X合或者進(jìn)料中的固體物輸送速度。模頭和注塑件模具溫度通常應(yīng)該是想要的熔體溫度或者接近于這一溫度，除非它們用于某具體目的像上光、流體分配或者壓力控制。3.減速原則在多數(shù)擠出機(jī)中，螺桿速度的變化通過(guò)調(diào)整電機(jī)速度實(shí)現(xiàn)。電機(jī)通常以大約1750rpm的全速轉(zhuǎn)動(dòng)，但是這對(duì)一個(gè)擠出機(jī)螺桿來(lái)說(shuō)太快了。如果以如此快的速度轉(zhuǎn)動(dòng)，就會(huì)產(chǎn)生太多的摩擦熱量而且塑料的滯留時(shí)間也太短而不能制備均勻的、很好攪拌的熔體。典型的減速比率在10：1到20：1之間。第一階段既可以用齒輪也可以滑輪組，但是第二階段都用齒輪而且螺桿定位在最后一個(gè)大齒輪中心。在一些慢速運(yùn)行的機(jī)器中（比如用于UPVC的雙螺桿），可能有3個(gè)減速階段并且最大速度可能會(huì)低到30rpm或更低（比率達(dá)60：1）。另一個(gè)極端是，一些用于攪拌的很長(zhǎng)的雙螺桿可以以600rpm或更快的速度運(yùn)行，因此需要一個(gè)非常低的減速率以及很多深冷卻。有時(shí)減速率與任務(wù)匹配有誤——會(huì)有太多的能量不能使用——而且有可能在電機(jī)和改變最大速度的第一個(gè)減速階段之間增加一個(gè)滑輪組。這要么使螺桿速度增加到超過(guò)先前極限或者降低最大速度允許該系統(tǒng)以最大速度更大的百分比運(yùn)行。這將增加可獲得能量、減少安培數(shù)并避免電機(jī)問(wèn)題。在兩種情況中，根據(jù)材料和其冷卻需要，輸出可能會(huì)增加。 4.進(jìn)料擔(dān)當(dāng)冷卻劑擠出是把電機(jī)的能量——有時(shí)是加熱器的——傳送到冷塑料上，從而把它從固體轉(zhuǎn)換成熔體。輸入進(jìn)料比給料區(qū)中的筒體和螺桿表面溫度低。然而，給料區(qū)中的筒體表面幾乎總是在塑料熔化范圍之上。它通過(guò)與進(jìn)料顆粒接觸而冷卻，但熱量由熱前端向后傳遞的熱量以及可控制加熱而保持。甚至當(dāng)前端熱量由粘性摩擦保持并且不需要筒體熱量輸入時(shí)，可能需要開后加熱器。最重要的例外是槽型進(jìn)料筒，幾乎專用于HDPE。螺桿根表面也被進(jìn)料冷卻并被塑料進(jìn)料顆粒（及顆粒之間的空氣）從筒壁上絕熱。如果螺桿突然停止，進(jìn)料也停止，并且因?yàn)闊崃繌母鼰岬那岸讼蚝笠苿?dòng)，螺桿表面在進(jìn)料區(qū)變得更熱。這可能引起顆粒在根部的粘附或搭橋。5.在進(jìn)料區(qū)內(nèi)，粘到筒體上滑到螺桿上為了使一臺(tái)單螺桿擠出機(jī)光滑筒體進(jìn)料區(qū)的固體顆粒輸送量到達(dá)最大，顆粒應(yīng)該粘在筒體上并滑到螺桿上。如果顆粒粘在螺桿根部，沒(méi)有什么東西能把它們拉下來(lái)；通道體積和固體的入口量就減少了。在根部粘附不好的另一個(gè)原因是塑料可能會(huì)在此處熱煉并產(chǎn)生凝膠和類似污染顆粒，或者隨輸出速度的變化間歇粘附并中斷。多數(shù)塑料很自然地在根部滑動(dòng)，因?yàn)樗鼈冞M(jìn)入時(shí)是冷的，而且摩擦力還沒(méi)有把根部加熱到和筒壁一樣熱。一些材料比另一些材料更可能粘附：高度塑化PVC，非晶體PET，和 某些最終使用中想要的有粘附特性的聚烯烴類共聚合物。對(duì)于筒體，塑料有必要粘附在這里以便它被刮掉并被螺桿螺紋向前推動(dòng)。顆粒和筒體之間應(yīng)該有一個(gè)高的摩擦系數(shù)，而摩擦系數(shù)反過(guò)來(lái)也受后筒體溫度的強(qiáng)烈影響。如果顆粒不粘附，它們只是就地轉(zhuǎn)動(dòng)而不向前移動(dòng)——這就是為什么光滑的進(jìn)料不好的原因。表面摩擦并非影響進(jìn)料的唯一因素。很多顆粒永遠(yuǎn)都不接觸筒體或螺桿根部，因此在顆粒物內(nèi)部必須有摩擦和機(jī)械與粘度連鎖。帶槽筒體是一種特殊情況。槽在進(jìn)料區(qū)，進(jìn)料區(qū)與筒體其余部分是熱絕緣的并是深度水冷的。螺紋把顆粒推入槽內(nèi)并在一個(gè)相當(dāng)短的距離內(nèi)形成一個(gè)很高的壓力。這增加了相同輸出較低螺桿轉(zhuǎn)速的咬合允量，從而前端產(chǎn)生的摩擦熱量減少，熔體溫度更低。這可能意味著冷卻限制吹制膜生產(chǎn)線中更快的生產(chǎn)。槽特別適合于HDPE，它是除過(guò)氟化塑料之外最滑的普通塑料。6.材料的花費(fèi)最大在某些情況下，材料成本可以占到產(chǎn)成本的80%——多于其他所有因素之和——除過(guò)少數(shù)質(zhì)量和包裝特別重要的產(chǎn)品比如醫(yī)用導(dǎo)管。這個(gè)原則自然引出兩個(gè)結(jié)論：加工商應(yīng)該盡可能多地重復(fù)使用邊角料和廢品來(lái)代替原材料，并盡可能嚴(yán)格地遵守容差以免背離目標(biāo)厚度及產(chǎn)品出現(xiàn)問(wèn)題。7.能源成本相對(duì)來(lái)說(shuō)并不重要盡管一個(gè)工注塑件加工的吸引力和真正問(wèn)題和上升的能源成本在同一水平線上，運(yùn)行一臺(tái)擠出機(jī)所需的能源仍然是總生產(chǎn)成本中很少一部分。情況總是這樣的因?yàn)椴牧铣杀痉浅８?，擠出機(jī)是一個(gè)有效的系統(tǒng)，如果引入了過(guò)多能量那么塑料就會(huì)很快變得非常熱以致于無(wú)法正常加工。8.螺桿末端的壓力很重要 這個(gè)壓力反映螺桿下游所有物體的阻力：過(guò)濾網(wǎng)和污染扎碎機(jī)板、適配器輸送管、固定攪拌器（如果有）以及注塑件模具自身。它不但依賴于這些組件的幾何圖形還依賴于系統(tǒng)中的溫度，這反過(guò)來(lái)又影響樹脂粘度和通過(guò)速度。它不依賴于螺桿設(shè)計(jì)，它影響溫度、粘度和通過(guò)量時(shí)除外。就安全原因來(lái)說(shuō)，測(cè)量溫度是很重要的——如果它太高，模頭和注塑件模具可能爆炸并傷害附近人員或機(jī)器。壓力對(duì)于攪拌是有利的，特別在單螺桿系統(tǒng)的最后區(qū)域（計(jì)量區(qū)）。然而，高壓力也意味著電機(jī)要輸出更多的能量——因而熔體溫度更高——這可以規(guī)定壓力極限。在雙螺桿中，兩個(gè)螺桿相互咬合是一種更加有效的攪拌器，因此用于這種目的時(shí)不需要壓力。 在制造空心部件時(shí)，比如使用支架對(duì)核心定位的蜘蛛注塑件模具制造的管子，必須在注塑件模具內(nèi)產(chǎn)生很高的壓力來(lái)幫助分開的物流重新組合。否則，沿焊接線的產(chǎn)品可能較弱并且在使用時(shí)可能出現(xiàn)問(wèn)題。 9.輸出=最后一個(gè)螺紋的位移+/-壓力物流和泄漏 最后一個(gè)螺紋的位移叫做正流，只依賴于螺桿的幾何形狀、螺桿速度和熔體密度。它由壓力物流調(diào)節(jié)，實(shí)際上包括了減少輸出量的阻力效果（由最高壓力表示）和增加輸出量的進(jìn)料中的任何過(guò)咬合效果。螺紋上的泄漏可能是兩個(gè)方向中的任意一個(gè)方向。 計(jì)算每個(gè)rpm（轉(zhuǎn)）的輸出量也是有用的，因?yàn)檫@表示某時(shí)間螺桿的泵出能力的任何下降。另外一個(gè)相關(guān)的計(jì)算是所用每馬力或千瓦的輸出量。這表示效率并能夠估計(jì)一臺(tái)給定電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器的生產(chǎn)能力。 10.剪切率在粘度中起主要作用 所有普通塑料都有剪力下降特性，意思是在塑料運(yùn)動(dòng)得越來(lái)越快時(shí)粘度變低。一些塑料的這個(gè)效果表示得特別明顯。例如一些PVCs在推力增加一倍時(shí)流速會(huì)增加10倍或更多。相反，LLDPE剪力下降得不是太多，推理增加一倍時(shí)其流速只增加3到4倍。減少了的剪力降低效果意味著擠出條件下的高粘度，這反過(guò)來(lái)又意味著需要更多的電機(jī)功率。這可以解釋為什么LLDPE運(yùn)行時(shí)溫度比LDPE高。流量以剪切率表示，在螺桿通道中時(shí)大約是100s-1，在多數(shù)注塑件模具口型中是100和100s-1之間，在螺紋與筒壁間隙和一些小注塑件模具間隙中大于100s-1。熔體系數(shù)是粘度的一個(gè)常用的測(cè)量方法但卻是顛倒的（比如是流量/推力而不是推力/流量）?？上?，其測(cè)量是在剪切率在10s-1或更小時(shí)而且在熔體流速很快的擠出機(jī)中可能不是一個(gè)真實(shí)的測(cè)量值。 11.電機(jī)與筒體對(duì)立，筒體與電機(jī)對(duì)立 為什么筒體的控制效果并非總是和期望的一樣，特別是在測(cè)量區(qū)內(nèi)？如果對(duì)筒體加熱，筒壁處的材料層粘度變小，電機(jī)在這個(gè)更加光滑的筒體內(nèi)運(yùn)行需要的能量更少。電機(jī)電流（安培數(shù)）下降。相反地，如果筒體冷卻，筒壁處的熔體粘度增大，電機(jī)必須更加用力地轉(zhuǎn)動(dòng)，安培數(shù)增加，通過(guò)筒體時(shí)除去的一些熱量又被電機(jī)送回。通常，筒體調(diào)節(jié)器的確對(duì)熔體產(chǎn)生效果，這是我們所期望的，但是任何地方的效果都沒(méi)有區(qū)域變量大。最好是測(cè)量熔體溫度來(lái)真正了解發(fā)生了什么情況。
