2025/10/15 - 17 Suzhou International Expo Center

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改性料加工原理及问题分析解决—挤出胀大及不稳定流动

高分子材料在加工过程中呈现出粘弹性,受剪切力作用,不但产生流动,消耗能量,而且也储存能量,表现出弹性,一旦去除应力,储存的能量会产生可回复的形变。相对分子量越大,外加剪切应力作用的时间越短,温度在流动转变温度TF以上时间不多时,这种弹性可回复性的形变表现得越显著。高分子链段的取向及回复是产生弹性的基本原因。

典型的高分子材料加工在经过模口出料时会经过以下三个阶段,直至形成制成品。

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图一形成的鲨鱼皮挤出不稳定流动降解改性料料条为典型的模口出料由于不稳定挤出胀大会遇到的问题

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图一、典型鲨鱼皮不稳定流动问题

挤出胀大是指高分子材料熔体被强迫挤出口模时,挤出物尺寸(d)大于口模尺寸(D)(见图二),截面形状也发生变化的现象。挤出胀大比B定义为B=d/D
挤塑机挤出的高分子材料直径会比挤出口模的直径大,是常见的高分子材料熔体弹性的表现。熔体在被迫穿过狭长的口模时变形,一出口模便会变大。至少有两种因素影响了挤出胀大:1、在流动方向上产生速度梯度,高分子材料熔体在拉力下产生弹性形变,弹性形变如果在经过口模的时间内未完全松弛,到出口就会回复,因而直径变大,往以前形状回复;2、在口模内流动时由于剪切应力,法向的应力差所产生的弹性形变在出口后回复。当L/D小时,因素1占主要,当L/D很大(>8)时,因素2占主要。
分子量较低的高分子熔体,当L/D>>1时,B=1.135,且与粘度、口模尺寸、剪切速率等无关。一般的高分子材料B可达3~4,且随剪切速率的增大而增大,在低剪切速率下也会趋向于1.135。

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图二、改性塑料挤出过程高分子链远程结构示意图

影响B值的加工因素较多,主要有以下几个方面:
(1)B值随剪切速率提升而增加,因为随着剪切速率的提升,前述的两个因素都可以引起更大的弹性能储存,如图三所述。

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图三、挤出胀大B值与剪切速率和温度的关系

(1)温度升高,高分子材料熔体弹性减小,B值下降,如图三所述。
(2)在同一剪切速率下,随着L/D的增大而减小,逐渐趋于恒定值1.135,如图四所示


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图四、L/D与挤出胀大B的关系

(3)相对分子量越大,B值增大,支化严重影响挤出胀大,长支链支化使B值大大增大。

(4)加入填料可以减少挤出胀大效应,刚性填料的效果最为显著。

考虑到挤出胀大效应,如果要求制品是矩形的,口模形状便不能为矩形,必须要有一定的凹陷形状。

挤出物表面的粗糙程度与挤出胀大也有关系,当挤出胀大较小,剪切速率不足以产生熔体破裂时,挤出物表面一般比较光滑,模塑制品的各项异性也随挤出胀大的减小而减小。

下面开始分析前文出现的鲨鱼皮不稳定流动问题。
高聚物熔体挤塑时,当剪切应力大于105 N /m2左右时,或剪切速率超过临界剪切速率时往往出现挤出物外表不光滑,呈波浪形、鲨鱼皮形、竹节形、螺旋形畸变等,最后导致不规则的挤出物破裂。这些挤出物外形畸变都是周期形重复的,对制件外观极为重要,也是挤塑工艺生产速度的限制因素。而相同黏度的小分子液体挤出时,不出现不稳定流动的现象。开始出现不稳定流动的各种高聚物,临界剪切应力值变化不大,为0.4x105~3x105 N /m2。但各种高聚物因熔体黏度不同,因此开始出现不稳定流动速率值变化范围很大,相对分子质量大的此临界剪切速率值小,可差几个数量级,随着相对分子质量分布的变宽,此临界剪切速率值变大。
熔体破裂大致可分为两类:第一类是带有支链或大侧基的材料,先呈现粗糙表面,然后呈现无规则破裂。它们的流动料条先是光滑的曲线,当达到临界剪切速率时,流动料条开始出现不稳定,但基本还是连续的。第二类多为线性高分子材料,先出现粗糙表面,随剪切速率提升,逐步出现有规则的畸变,剪切速率很高时出现无归破裂,剪切料条会出现先粗糙,后光滑,再熔体破裂的现象。
如果热塑性塑料以稳态流线型的形式流过毛细管模头,在模头周围交界部分的熔体将产生回复,均匀地胀大得到具有光滑表面的挤出物,但当热塑性种塑料熔体在圆槽流动时遇有圆槽直径的突然缩小时,物料与流线流动的自然角相符,这个收敛流动特征意味着存在有不受欢迎的死区——模头里的一个区域,在那里物料被阻滞,由层流变成了湍流,改变了物料的热历史。但更为重要的是叠合在剪切流动上的收敛流动产生了一个拉伸分量,当流体接近截面变化处,这个分量迅速增大,如果延伸应力达到某个临界值,熔体将会破裂,熔体的"碎片"将回复某些延伸形变,这种局部延伸破裂出现的次数与高聚物熔体本身,流动条件,截面积的相对变化以及其他一些因素有关,结果是使模头出口处的材料具有交变的应力历史,挤出后具有交变的回复,致使挤出物产生畸变,在外表上就出现从表面的粗糙到肉眼能见的螺旋状不规则。
对鲨鱼皮斑的产生可以这样分析,在通过模头的流动过程中,邻近模头壁的材料几乎是静止的,但一旦离开膜头,这些材料就必须迅速地被加速到与挤出物表面一样的速度,这个加速会产生很高的局部应力,如果这个应力太大,会引起挤出物表面材料的破裂而产生表面层的畸变,这就是鲨鱼皮斑,它的形貌多种多样,从表面缺乏光泽到垂直于挤出方向上规则间隔的深纹。鲨鱼皮不同于非层状流动,基本上不受模头线度(如膜头入口角度)的影响,它依赖于挤出的线速度,而不是延伸速率。且肉眼能见的缺陷是垂直于流动方向的而不是螺旋式或不规则的,相对分子质量低(即低黏度,应力积累缓慢)的、相对分子质量分布宽(即低的弹性模量,应力松弛迅速)的材料在高温和低挤出速率下挤出,很少能观察到鲨鱼皮斑。
根据分析,前文出现的鲨鱼皮不稳定流动主要有两个原因,一为温度过低或者剪切过快导致的熔体胀大过大,配合上快速的挤出速度,产生熔体破裂;二为口模内高分子熔体在截面方向的流动速度差异巨大产生了表层破裂。
解决方案包括提高温度、放慢剪切速率等,主要是减少过度熔体胀大及其产生的负面效果。而考虑到实际产能的情况,提高口模的温度非常有效。



来源:全生物降解农用地膜

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