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为了满足技术和经济要求,现代薄膜应用对厚度公差要求极其严格。因此,控制整个挤出模具的容积流量至关重要,尤其是模头出口处更需要均匀的局部熔体挤出量。
在吹塑薄膜挤出过程中,螺旋芯棒机头的作用通常是通过复合螺旋在圆周上形成大体均匀的熔体分布。但是,通过这种方式无法在模头出口处获得完全均匀的容积流量分布,尤其是当进入螺旋芯棒的容积流量互不相同时。造成这种偏差的原因是模具材料中的局部温差以及熔体在不同流路上流经预分流器时所受的剪力不同(图 1)。德国亚琛工业大学塑料加工研究所(IKV)和其他组织在此前已经通过模拟和实验证明了这一点。根据研究结果,其所提到的效果可能导致预分流器的每个出口产生 ±6% 的平均挤出量偏差。
方法:调整压力损失
IKV 目前正在研究通过在工艺运行过程中调节预分流器出口处的压力损失来均化螺旋入口处的容积流量分布的方法。因此,预分流器和主分流器之间的自适应流阻器被集成在一个附加的中间板上(图 2)。这种喷嘴集成的主要挑战在于如何确保工艺运行过程精确可调节并且不会在喷嘴中形成滞止区,即使在熔体的压力负荷下。此外,喷嘴应具有低维护性并占据尽可能小的空间。
模拟改变的工艺
为了均化预分流器中的挤出量分布, 第一步是确认横截面变化的大小以及该变化将对其他工艺变量产生哪些影响, 例如:压力、温度和熔体驻留时间。因此,他们构建了 23 预分流器仿真模型(图 3),其中可调喷嘴连接着每个出口。这些喷嘴后面是固定的毛细管而非复杂的主分流器,因此显著减少了模拟的计算工作量。此外,该结构还能够在稍后的实际测试中精确记录各个容积流量,因此能够直接对模拟和测试结果进行比较。另外,螺旋芯棒分流器将通过叠加各个熔体流来防止无阻碍分配。
在初始状态下,可调节喷嘴的内径 (d=16mm)与流道的内径相同,因此除了流路的延伸之外不会产生额外的压力损失。通过图 3 所示的缩窄,每个喷嘴处的压力损失均可单独控制。
在广泛的模拟序列中,工艺窗口(表 1)内各种工艺点的流动条件和容积流量分布都通过该模型确定。低密度聚乙烯 (LDPE)和高密度聚乙烯(HDPE)被选作熔体材料以量化材料影响。这两种材料是 LDPE 310E(制造商:Dow Europe GmbH,瑞士霍尔根)和 Hostalen GD 9550 F(制造商:Basell Polyolefine GmbH,德国韦瑟灵),它们都在之前的项目中使用过。不同的螺旋分流器产生的压力损失通过改变毛细管长度来近似。工艺窗口的其他参数由制造商的加工建议和 IKV 提供的机器技术来决定。
结果
在分析了初始容积流量分布之后, 通过在三道工序中减小喷嘴横截面直径(初始喷嘴直径的 2.5%、5.0% 和 10%)来对每个工艺点的临界喷嘴(因平均容积流量产生最大正偏差)进行喷嘴调整。这些模拟的目的不是对整个容积流量分布进行完全优化,而是确定调整所需的最大直径减小量并对产生变化的系统行为进行初始记录。因此,横截面如上所述进行改变仅针对最初产生了最大容积流量的喷嘴,即便在直径减小 之后该处不再产生最大容积流量。
如图 4 所示,可调喷嘴 AN1 在初始状态下的容积流量比绝对均匀分布高 3.2%,因此被确定为该工艺点的临界喷嘴,其直径也在后续三道模拟工序中连续减小。正如预期的那样,容积流量在 AN1 处减小而在其他喷嘴处增加。直径减小 10% 之后,AN1 处的容积流量偏差最终为负,即这里流出的熔体少于均化状态下所需的熔体流出量。这是过度调整的一个例子,这种现象在最初研究的所有工艺点上都类似地发生过:临界喷嘴处的直径减小 10%(相当于横截面积减少 19%)通常会导致过度调整,因此按规定喷嘴进给的最大值必须通过可调节喷嘴实现。
利用该上限,后续模拟序列反复地优化了挤出量分布。为了测试充分均化 和是否能够在更极端的工艺点实现,并将 10% 的上限考虑在内,他们还从工艺窗口的边缘选取了更多容积流量偏差范围很大的工艺点。图 5 所示为两个选定工艺点优化前后的最终容积流量分布。 在这两种情况下,临界喷嘴的最大直径减小量为 10%,而其他喷嘴的最大直径减小量为 5.0%。如图 5 所示,尽管在考虑用 HDPE 的工艺点上没有实现容积流量的完全均化,但偏差范围明显从 11.2%(最大值:+ 5.4%,最小值:-5.8%)降到了 2.9%(最大值:+ 1.0%,最小 值:-1.9%)。由于用于均化的喷嘴直径以 0.25% 的幅度部分减小,因此这些喷嘴的实际实现需要以相对精细甚至更好的无差别方式进行调节。
此外,模拟序列还为可调节喷嘴在 预分流器中的使用提供了更多思路。一方面,约 80 巴的熔体压力在所研究的工 艺窗口中出现,该机械载荷必须由喷嘴 来保持。因此,它自然对强度和刚度产 生了要求,但最重要的是用于缩小横截面的调节装置以及对熔体的密封性。另一方面,研究发现因嵌入的可调节喷嘴引起的额外压力损失(大调整可高达8巴) 是可接受的。因喷嘴区域中的额外剪力等引起的对熔体温度的影响也低于1°C,低到不会决定性地改变粘度。
展望
通过模拟研究,自适应流阻器作为预分流器容积流量均化手段的有效性有可能得到证明,其结果将在实际试验的后续步骤中进行测试。
根据模拟结果,多种喷嘴概念被开发出来并构建了原型。限制直径最大减小量有两个优势:一方面,可以利用更多调节装置,因为只有少数装置(节流 销等)能够实现更大的直径减小量。另一方面,10% 的限制也降低了滞止区形成的风险。
目前,喷嘴正在实际试验中进行测试,最初是实验室规模,主要测试它们的适用性和缺点。随后,它们将在 IKV试验工厂中扩大规模并集成到吹塑薄膜生产线中来测试其在实际工艺中的有效性并开发合适的控制系统。
本文翻译自KUNSTSTOFFE INTERNATIONAL杂志
作者:Christian Hopmann,Florian Petzinka,Lisa Leuchtenberger