为什么没有真正的通用模头


作者:Frankland Plastics Consulting公司 Jim Frankland  日期:2018/07/14 来源:PT塑料网

任何给定的挤出模头要想加工出一种特定形状的部件,所能采用的聚合物范围都相对较窄。这是因为聚合物一般是非牛顿流体,在提升剪切速率的情况下,会表现出不同程度的黏度下降。

剪切敏感性主要与分子量和分子量分布有关,不同的聚合物之间,以及同一聚合物系列的不同牌号之间,都存在很大差异。为此,许多模头拥有内置可调节的功能,以补偿由于不同材料的剪切变稀而引起的流动变化。

为了说明这一点,本文采用3种聚合物进行了简单的角型材的加工,并进行了一组试样流动计算,展示了每种聚合物在型材中的变化,由此证明了模头通用性的缺乏。

如果MI为2的LDPE型材以100lb/h(1lb=0.4536kg)的速率挤出,其线速度约为22ft./min(1ft=0.3048m)。假设这个型材模头的初始内部几何形状经过特别设计,以便能够采用MI为2的LDPE加工出所需的形状,那么使用MFI为5的PP均聚物或IV为0.76的 PET会是什么情况呢?

在此试验中,为了分析更准确,PP和PET的流速调整到相同的体积流量以补偿密度差异。如果型材的两个呈直角的面被作为单独的矩形处理,以用于流动分析,则MI为2的LDPE、MFI为5的PP和IV为0.76的PET在这两个面上的速度差异所产生的结果如图中所示。

根据幂律系数,LDPE和PP拥有相似的剪切变稀倾向。所以,即使MFI为5的PP其黏度大约是MI为2的LDPE的2/3,但流量仍能够保持相对平衡。不过,角型材的垂直面要比水平面的流速快18%,因此部件的形状还是被扭曲了。

IV为0.76的PET情况正好相反。它的黏度大约比LDPE高2/3。PET较低的剪切敏感性使其在角型材水平面上的流量提升了大约80%,完全不能平衡型材的形状。这种流动差异是由于角型材的两个侧面的剪切速率不同而导致的。

本文中的试验以成型一个角型材为例,对比了3种不同聚合物之间的差异,以此说明了模头通用性的缺乏
型材模头必须针对聚合物而进行设计。在增加剪切速率的情况下,非牛顿流体会表现出不同程度的黏度变稀,引起流动的变化。图中是采用3种不同的树脂生产同一简单的型材时,所产生的变化。幂律指数表明树脂黏度随剪切力变化的程度

这个角型材垂直侧面的厚度为水平面厚度的一半。这种厚度差异导致了两个面以相同的线速度挤出时,二者的剪切速度是不同的。剪切速率基于面宽度以指数方式变化,而聚合物熔体黏度随着剪切速率发生对数变化。所以,在没有流变学数据和流动计算的情况下,很难预测流动的变化。

聚合物的幂律系数是其黏度随剪切速率发生改变的参考,但是它们比较笼统,不能用于计算目的。根据实际的流变数据,这种PP剪切变稀会超过LDPE,甚至超过幂律系数所示。这可能是由于降低的分子量(较高的MI代表分子量的降低)而导致的。

PET在角型材两个面的流动有非常大的变化,并且更多地反映了幂律系数的差异,但仍然远远超出以计算为目的的范围。这种分析表明,幂律系数值并不反映每种聚合物在模头流动中所看到的实际差异,但它仍然是可能的流动变化的通用指标。因此,在确定聚合物剪切敏感性将在多大程度上影响模头流动性能时,流变数据是必要的。

试样分析表明,不同聚合物的流动特性差异很大,这使得模头设计要专门针对某一种聚合物而进行。除了一种中心喂料的用于生产圆形实心芯材的模头外,这一规则适用于几乎所有种类的模头。模头越大和/或部件厚度的变化越大,剪切变稀的影响就越大。

很多模头都拥有可调节功能,以使其适用范围更宽泛,如片材模头上的限流器条,或是管状模头上的可调节压力环,甚至一些型材模头也拥有嵌件。但为了补偿不同聚合物类型和不同牌号的剪切变稀特性,还是必须针对每个模头做一些工作。