对螺旋芯棒吹膜机头的系统分析

第 3卷第 l期 1 9 8 9年 3月 中 国 塑 料 CHINA PLASTICS Vo! ． 3 No．1 M ，^ ． 1989 对螺旋芯棒吹膜机头的系统分析 黄汉雄 彭玉成 (华南理 工大学) 摘 要 拳文 系统地分析 7螺旋 芯棒吹膜 机头的螺旋分流段、锥形段及 定型段的姑构噩 参数对机头性能的影响。还 讨论 7吹膜机头的模拟放大问题 一 引 言 近年来，挤出吹膜机头主要有三方面的 进展：①产量大大提高，②物料适应性增强， ③薄膜性能得到改善。这主要在于机头的结 构及参致等设计得更加合理。 我们把螺旋芯棒吹膜机头分成螺旋分流 段 锥形段及定型段 (见图 1)， 以分析各 段的结构与参数对流动均匀性，物 料 适 应 性，压力降及薄膜质量等的影响。最后讨论 吹膜机头的模拟放大问题。 ’ 圈 1 螺旋芯棒机头的截面图及展开嚣 二 螺旋分流段 螺旋分 流段是螺旋机头的心脏部位。熔 体进入分流段后，就沿螺旋流道方 向流动， 同时一部分熔体向下一螺旋流道漏流。因螺 旋流道的深度H(z)沿螺旋 方 向 (z向)逐 渐变小，螺棱顶面与机头体之间的间隙d(Z) 则沿轴向 (L向)逐渐增 加 (图 I)，故 螺 旋流动将逐渐减小，轴 向漏流将 相 应 地 增 加。当螺旋流道深度变为零时，流动完全被 轴向漏流所替代。可见，熔体在分流段经历 了从螺旋流动逐渐变为轴向流动的过程。 2～ T 分层效应 不考虑离开挤出机 杆的熔 体 韵 均 匀 性，通过机头联接体的熔体会随温度、应力 历程及停留时间的不同面分层。当熔体进入 机头入 口处时，温度较高的熔体位于上部， 而温度较低的熔体则处于下部。熔体流入螺 旋分流段后，因螺旋流道的槽深逐渐减小， 温度较高 (粘度较低)的熔体首先发生轴向 漏流，温度较低(粘度较高)的熔体则粘附在 流道壁上。在靠近分流段末端被迫流过螺棱 问隙，从而在模居圆周处 可能产生熔体温度 的不一致性 。上述现象 叫分层效应(见图2)， 这会影响薄膜的光学性能及厚度均匀性。 维普资讯 http://www.cqvip.com 1989年3月 中 国 塑 料 图2 普通滑旋机头与FMc螺旋机头 的 比较 角， 针对分层效应问题，新近开发 了具有流 动混合流遭 (FMC)的螺旋芯棒机头，见图 3。其每个入 口各供应两条螺旋 流 道 的 一 半，也即每条螺旋流道由两个入口供料。这 样，就在螺旋流遭开始之前，温度较低的熔 体夹在两层温度 较高的熔体之间。熔体进入 螺旋流道后 (见 图 2)，园流道内壁被温度 较高的熔体所覆盖，从而无园熔体粘度的不 同而出现优先流动的 趋 势。可 见，FMC机 头正是利用了热量分层效应来均化进入螺旋 流道的熔体的， 可改善 薄膜的性能及厚度均 匀性等，还可减少更换物辩或颜料的过渡时 间。 2_-2 参数 螺旋分流段涉及的参数较多，它们之同 的相 互关 系如 下 图 3 FMC N(w +b)= sin (1) H(z)=H 0一zsin~( "l- g日) (2) 6(z)=d。-i-zsin cptg~ (3) L1：X玎D1tg (4) 其中，D 为芯捧直 径， 为 螺 旋 偏 斜 其余符号含义见后。 1)螺旋流道数量 fN) 增加螺旋流道数量 (N)有两个益 处一 ④ 可明显改善分流段末端处的流动分布j对 某一机头直径 (D)，流动分布的不 均 匀 度 近似与N。成反比，故N增大到一定程 度，其 改善流动分布的效果相对减小。此外，随 N 的增大，流动分布受物料性能的影响程度减 小。②可适当降低分流段的压力降。 生产中，一般每1 00mm~L头直 径 (D) 取N 4，而现 已取到N 6～ 8或更大。 2)螺棱升角 ( ) 螺棱升角 ( )的改变会影响到螺棱 宽 度 (h)及螺旋圈数 (K)，故其具 有 下 限 值及生限值。 对分流段米端处的流动分 有很大 的 影响(见图 4)。分析 可知，当 =15。时，可 获得很好的流动分布，而当 增加时， 流 动 维普资讯 http://www.cqvip.com 对螺旋芯棒吹膜机头的系统分析 分布将逐渐变差。减小 会导致压力降稍有 增大。总的来说，应采用较小的 值。 o 一 26 j一 孽 鞯 IO。 矗 墨 50 。 一 50 一 lO0 图 4 对谎动分布的影响 ’ 3)螺旋圈数 (K) 随着螺旋圈数K (螺旋流道的轴内长度 L )的增大，膜厚均匀性受物料幂律指 数n (图5)及机头模唇问 凉h的 影 响 显著 减 小。此外，较大的I【值可使熔体混合得更 加 均匀，从而可改善薄膜的性能。 吐 鲁 翠 图5 K及n对膜厚均句性的影响 显然，K值的增大会增大压力降及延 长 熔休停留时间，适当地选择流道教量 (N)、 螺棱宽度 (b)等参数 以 平 衡 之。若 采 用 FMC机头， 可取较小∞K值。 4)螺棱起始间隙 ( ) 螺棱起始间隙 (d。)太大会使入口处 的 轴向漏流太多，从而影响流动分布。图 6表 示了d }分流段末端流动分布的 影 响 (D= 254mm)， 可见，d。的最佳 值 在 0～ 5mm 间。显然，d。的增大可减小压力降。 砻 丑 、 ， 净 莲 雹 辑 躅 6 6o对流动分布的影响 5)螺旋流道的起始深度 (H。) 圈7示出了分流段末端流动分布受螺旋 流道起始深度 (H。)影响的 情 形 (D=254 mm)。Ho的增大可改善流动 分 布 的 均 匀 性，还能减小压力降。 6)螺旋流道宽度 (w) 墨 0 0 璧 一 j 要 孽 周 7 H·对流动分布的影响 沿着螺旋方向，蜾旋流道宽度 (w)可 保持恒定，也可由起始值逐渐减至终止值， 这两种情形的流动分布相似。显然，加大w 可破小压力降。 7)环形流道的锥角 (B) 环形流道的锥角 (B)对流动分布 的 影 响见图 8 (D：254mm)，可见，B的 最 佳 维普资讯 http://www.cqvip.com 1989年3月 中 国 塑 料 值在 1～ 3。间。 通 瞽 谱 雹 番 图 8 P对流动分布的影响 8)其他 在螺旋分流段束端上应设置较大的松驰 槽，以保证足够的停留时间从而消除在分流 段所施加给熔体的应力。 总之，分流段的设计准则应是t降低压 力，减小剪切应力，改善流动分 布 的 均 匀 性，对物料流变性能及流动速率的改变不太 敏感。 三 锥形段 由于聚合物熔体具有较高的粘弹性，在 剪切条件下产生了剪切应力及第一与第二法 向应力差。由于吹塑薄膜中大分子链的取向， 因此可通过法向应力差分布以及可恢复形变 的大小来描述薄膜的质量，该 两参数不但取 决于物料性能，熔体温度及出料速率，而且 还显著地受机头流道结构的影响 。 凑 I各种机头结构 (D=800，h=I， Dz=130，H2=20) 定型段长L 图 9表示 ，具有不同锥形段 锥 角 (0) 的机头 (表 1中的机头 1～ 4)出 13处熔体 的第一法向应力差 (N )的分 布。图 中，r 为出口间晾的径 向座标 (图10及ll同)。可 见，8对N 有明显的影响，e的加大 (机头 1 — 4)会增 加延伸形变，从而也 就 增 大 了 N。 流道中部不产生剪切形 变，N 仅 依 赖 于熔体流过锥形段所受到的延伸形变，其N 值 比零稍大。 1 o Z 0．5 0 t 头 一 J 照 ! -^ ： 帆 头 1 - ● ：^ ： l l j J i- ● ’《i： ．／ b刍 一 0 O．2 0． 0 ． 6 0 8 1．O f，h 图 9 对第一法向应力差 (NI)分布的影响 由于熔体剪切应力对机头绪构变化具有 快速的响应性，故0的变化对剪切应力 的 影 响很小，只在流道 中部可观察到剪切应力有 很小的变化，这是 由于该处熔体的停留时间 短。这里，剪切应力受先前给予的形变而改 变的程度是 很小的，唯一的决定因素就是熔 体的瞬时形变状态。 刚离开机头的型坯的膨胀比随0的 甜 大 而有少量的增加。例如，袭 l的机头 1及机 头 4的膨胀比分别为2．05和2．30。 四 定型段 4一 l 定型段 长度 (Lj 表 l中具有不 同定型段长度 维普资讯 http://www.cqvip.com 对螺旋芯棒吹膜机头的系统分析 头 1及 5～ 7的出口处产生的第一法向应力 差 (N．)分布见图10，可见，L对N 有很大 的影响。加长L可延长熔体在定型段的停 留 时间，故通过锥形段所产生的应力可因在定 型段的松驰而得到减小，若停留 时 间 足 够 长，可消除锥形段所产生的所有应力。由于 沿着及靠近定型段 内壁流动的熔体的停 留时 问很长，即使L很短，锥形段给予熔体的 应 力也很快减小，以致其不遗留残余应力，熔 体内产生的新应力是由定型段单独引起的。 流遭中部无剪切形变，其N．值仅取 决 于 熔 体延伸形变的大小，故比零稍大。 0．9 = 三0．6 主 厂=、 f、， 机头1 机 5 t：,s／ I 、 *6 J *7 l - 、 _I ． ／ { 、 、 ● 、 ： l ／ ＼ ＼ O 0．2 0 4 0．6 0．8 1．0 ／h 圈10 L对第一法向 力差 (N1)分布的影 响 机头 1及 5～ 7的剪切应力 值 差 别 很 小，而且，熔体形变历程对剪切应力值的影 响也 较 小。当L=10ram (机 头 5)时， 已 完全满足取得稳定剪切应力分布 状 态 的要 求，再加长L并不能进一步改善应力分 布。 如上所述，。加长L会延长熔体在定型 段 的停留时间，从而可部分地消除锥形段内产 生的虚力。因此，刚离开机头的型坯的嘭胀 比随L的逐渐加长而连续地减小，最 后，尽 管L再加长，但膨5l乏比将趋于一极值。机 头 1、 5， 6及 7 的 膨 胀 比 分 别 为 2．05， 1．95、1．9l和1．89。 4～ 2 模唇间隙 (h) 自从LLDPE引入吹膜市场 以 来，机 头 模唇间隙 (h)曾一度有增大的趋 势。这 是 闺为LLDPE的剪切粘性较高，要加 大h (约 1．5～3．3ram)以减小熔体的剪切应 力，从 而减小熔体破裂现象。但这会 降低膜泡的冷 却效率及薄膜的撕裂、冲击及光学等性能， 故 目前的趋势是采甩较小的h，这使机头 对 物料的适应性更， 。 为使h值小的机头不会出现熔体破裂 等 问题，可采取在物料中加入加工助荆及加热 模唇等措施 “ 。 在连续吹膜 (LLDPE)条件 F的 实 验 袭明 “ ：定型段 的材质对熔体破裂有 显 著 影响，当采用不锈 钢、铝 及 几 种Ⅱ～黄 铜 时，熔体破裂将随 时间而减小。‘F面以 a～ 黄铜为例，简述其机理。 Q～黄铜 为 铜 锌 台 金 (含 锌 量 20～ 40 )，当温度高于l5O℃时，其表面 会 进 行脱锌作用，这可除去定型段表面的杂质， 显露出洁净的新生铜表面，或具 有 对 流 动 PE熔体有强大吸引力的某一化学形 式 的 铜 (如氧化铜)，以避免困熔体与定型段内壁 牯附不足造成滑移而发生熔体破裂 “ 。 可见，上述过程需要一个 “诱导时间” (IT)， 即开始挤 出至取得无熔体破裂挤出 物所需的时间。IT主要取决于定型 段 表 面 的洁净度，当h= 1mm时，标定成 份 为 铜 61．5 锌35．5 、铅 3 的q一黄铜的 IT 一 般为30~40分钟，成 份 为 铜60．0％，锌 39．2 锡0．8 的a一黄铜 的ITIJ!lJ为9O分 钟，而不锈钢及铝的IT要很长。 定型段采用上述 的 第一种 一黄 铜，h 分别为0．125mm、O．5mm及1．0ram时，可在 机头速率相应为1．7kg／h／cm、3．3kg／h／cm 维普资讯 http://www.cqvip.com 1989年3月 中 国 塑 料 一 — — — — ⋯ 一 — — — — — — — 一 — — — — — 响，因此可建立相同的剪切应力分布。由于 熔体在机头 8的定型段及锥形段的停 留时间 均明显较长，故机头 8与 5的第一法向应力 差分布有鞍 大的差异 (见图l1) 及 3．0kg／h／cm下 生产 无 熔 体 破 裂 的 LLDPE (MI= 1)薄膜，而h= 1mm的 镀 铬定型段在机头速率为1．4,／kg／h／cmT就发 生严重的熔体破裂，且前者生产的薄膜的综 台性能有所提高。 五 模拟放大 目前主要还是根据经验来设 计 吹 膜 机 头，在大型设备上试验这种机头，费用大且 花时，因此，现在越来越多地在小型挤出机 上进行这种试验。然后，在服从同样物理规 律的条件下，把优质的模型 (小型)机头的 结构及参数模拟放大，以正确地设计大型机 头。 从上述分析可知；第一法向应力差对焙 体流过锥形段停 留时间的改变起 很 大 的 作 用，增加定型段长度 可使锥形段产生的应力 得到部分的松驰。然而，需要很长时间才能 获得应力的稳定状态终值，且一经达到该稳 定状态值，就只能通过定 型段来进一步改变 成力分布。相反，延伸形变对剪切应力的影 响很小，且剪切应力在很短时间内就可取得 其稳定状态的终值。所 以，是定型段主要确 定了剪切应力的分布。 一 般地，当吹膜机头模拟放大时，挤出 物的质量也将改变。但若在模型机头及经模 拟放大的机头的相庄成型段的出口处，第～ 法 向应力差及剪切应力的分布达到相同值， 则两机头所 生产的制品质量相同。 若保持模唇问隙 h：1，把表 1的 机 头 5的几何尺寸按比例放大 5倍，就可模拟出 这样的机 头：D=]504ram，D2=650ram, Hz= 1B0m m， L2= 1500ra m， L = 50m m， 称之为机头 8。因为 机 头 5与8的h相 等， 故选择适当的流率，就可得到相 同的流速分 布，而剪切应力值仅受相应的定 型 段 所 影 o．6 = ： Z D．3 机 头 ： ，、 l 7 ＼ ／ ， f ／ ＼ j ～、 、 l 、 ． 、 ～ ， HL头 8 机头 9 一 0 0．2 0．{ 1)6 0．8 1，0 r—h 图l1 模型机头与放大机头的第一往向 力差 (N)分布 若要求挤出物具有较高的第一法向应力 差，则锥形段及定型段中的停留时间均应缩 短，这显然可提高流速，但这会引起剪切应 力分布的变化，而剪切应力分布是要求相同 的。故机头 8的锥形段及定型段均缩短，并 考虑H 之值，最后得到这样的 机 头 (称 为 机头 9)： D：1504ram ， D2：725mm，H2 =20ram， L2=300ram， L =10ram， h= 1 mm。适当删节机头 5与 9的流率，有 助 于 取得两机头具有相同的剪切应力分布。因为 机头 9与 5的延 伸形变相似，从而两机头的 第一法向应力差分 布 仅 有 一 点 差 别 (图 11)，这是由于两机头内熔体流速的径向分 量的不同引起的。此外，机共 9与5构型坯 膨胀比也几平一样 维普资讯 http://www.cqvip.com 对螺旋芯捧吹膜机头的系统分析 六 结 论 1)流动混合流道机头利用分层效应以 均化进入螺旋流道的熔体，可改善薄膜的性 能疆厚度均匀性等。 2)较多的螺旋流遭数量 (N)、较 小 的螺棱升角 ( )、较长的螺 旋 流 道 长 度 (L-)，非零的螺棱起始间隙 ( )、较深 的螺旋流道起始深度 (H。)及适当 的 环 形 流道锥角 (B)可改善分流段末端处的流 动 分布，逐渐减小螺旋流道宽度 (w)不能改 善流动分布’增加N、 、H 及w可减 小 压力降’增加N及L 使机头对物料的适应 性 更强。 3)锥形段之锥角 (e)的增大会 增 加 熔体的第一法向应力差及型坯的膨胀比，而 对剪切应力的影响很小。 4)定型段之长度 (L)的增加可 小减 第一法 向应力羞及膨 胀 比，L=10ram时 已 完全能取得稳定的剪切应力分布。 5)定型段采用n～黄锕等结构材 料， 珂明显旖小甚至消除熔体破裂，从而允许减 小模唇问隙 (h)。 6)模拟放大机头时，应设法保证熔体 流过模型机头及经横拟放大的机头后具有相 同的应力分布。 参 考 文 献 CI] J．W ortbexg， et aI，Kunststotfe，72C4]， 198-205(1982) C23 C．Rauwendaal， SPE ANTEC， (1989) [3] P．C．Gates，PIast．Machinery ＆ Equ— ipmeat，16C8)，39-4l(1987) [d]薛世城，华南理工大学硕士论文 (1986) (5] A．Brockschmldt J Plast． Techno1．31 C6)， 111— 113 (1985) C63 A．Plochocki，et al，Polym．Eng．Sci 12C6]，459---463(1972) CY)H．Kaiser， Pclym．Pr0c．Eng．，5[1]， 1—21 (1987) C8)黄汉雄，塑料，17~I]，41-42(1988) C9)A．V．Ramamnrthy，J．RheoI．，39~2]，337 — 357 (1986) C1o]A．V．RamamuxthyJ Adv． Polym．Te- chuoI ． ， 6C4]，489—499 (1989) A Systematic Analysis of the Spiral Mandrel Blown—Film Die Huang Hanxiong， Pang Yucheng (South China Unive 9ity of Technology．Guangzhou) ABSTRACT The effects of geometry and param eters of a spiral mandrel blown—film die on its performance are analyzed systematically．The geometry and para- meters studied here includet 1) fl6w mixing channel，number of channels， spiral angle， spiral length， initial~light clearance， initial channel depth， channel width and taper angle of the annular channel in the spiral mandrel section I 2) cone angle in the tapered section and 3) length andt gap in the l8n d section．Moreavcr， the scale-- up of blown～film die is discussed． 维普资讯 http://www.cqvip.com