摘要:本文针对目前PVC结皮发泡板的市场运用,对PVC结皮发泡板制品产生的缺陷进行分析,运用国际同步的原料分析技术和流道模拟分析软件,从模头设计的角度,分析和讨论了如何通过改进模头结构,优化流道设计解决PVC发泡板制品表面水波纹、机械纹,表面硬度不良等问题,以及如何选择合适的模体材料和表面处理有效延长模头的使用寿命。
关键词:PVC 结皮发泡 模头设计 水波纹 机械纹流道仿真模拟分析
项目研究背景
PVC发泡板又称为雪弗板和安迪板,以聚氯乙烯(PVC)为主要原料,添加各种助剂生产而成,应用于室内外装饰、建材、化工等领域,是木材、铝材、复合板材的理想替代品,对节约能源、保护生态环境具有深远意义。市面上的PVC发泡制品主要有硬质PVC自由发泡板和结皮发泡板、硬质PVC发泡装饰型材、管材、硬质PVC发泡木塑制品等。
目前PVC发泡板按制作工艺可分为PVC结皮发泡板和PVC自由发泡板,结皮发泡板表面硬度高,很难产生划痕,广泛应用于橱柜,装饰,建筑等,尤其在交通运输方面如轮船、飞机、火车车厢的顶棚,厢体芯层,内部装潢用板等有卓越的表现,PVC自由发泡板表面硬度一般,广泛应用于广告展板,裱画板,丝印,雕刻等。
PVC结皮发泡板按生产工艺以及所用的模头不同又分为:模内双流道模头生产的塞卢卡结皮发泡板(向内发泡)和单流道模头生产的结皮发泡板(向外发泡),用单流道模头生产结皮发泡板相对与用模内双流道模头生产而言,由于其生产工艺简单,板面质量优良,设备成本相对低廉,近几年有了非常快速的发展。
PVC发泡板制品判断的标准主要有:手感是否光滑平整,机械纹理是否明显,表面颜色是否有色差或污点,表面有无凹坑,针眼,裂纹以及板边切口是否平整,孔隙是否细密(无粗大孔眼,无峰孔,不崩口),整个板面厚薄均匀性好,以及密度均匀。
当然产生制品缺陷的因素是多方面的,首先影响最关键的是生产工艺,由于挤出机螺杆参数不同,温度设定不同模头流道设计不同产生的压力建立差别等塑化条件不同时,对于各种加工助剂的添加的量不会是一个恒定的数据,发泡板的密度、强度等与发泡调节剂存在一个平衡点。因此在实际生产时有经验的工艺师会根据实际的生产环境找到这个平衡点,使得生产的发泡板材具有良好的品质。
产生制品缺陷的另一个重要因素就是挤出的模头。模头结构、流道设计参数的合理性会是能否生产出优良制品的又一个关键因素。早几年由于技术上的局限,用单流道模头生产的结皮发泡板其性能介于自由发泡板和结皮发泡板之间,表面硬度略高于自由发泡板,但又达不到结皮发泡板的硬度,另外由于设计上的局限性容易产生机械纹、划痕、水波纹等不良现象。
模头设计结构的改进
早几年的单流道结皮发泡板模头结构跟自由发泡的是一样的(如图一)通常由上模体、下模体、节流棒结构、上模唇、下模唇这几部分组成,由于节流棒以及模唇都是以紧固螺钉拼接紧固在模体上,这些流道上的拼接缝很容易导致挂料、积料造成板面刮花产生机械纹、划痕等,另由于早期的模头流道基本上都是经验设计,对于生产不同配方的原料很可能造成流动不均匀,产品产生水波纹等不良现象。
针对上述PVC结皮发泡板生产的几个问题,精诚时代集团技术研发部对生产此类产品的模头进行了深入的研究。首先针对模头流道进行流道仿真模拟分析优化设计。
1.原料流变分析
原料:由国内某一知名发泡板制品公司提供的PVC结皮发泡板物料,测试温度180℃,仪器:马尔文毛细管流变仪RH2000
剪切速率和剪切粘度的关系曲线图如下图:
PVC结皮发泡板180℃时剪切速率与剪切粘度的关系图
曲线为一种PVC自由发泡物料与一种PVC木塑发泡物料的曲线图
2.流道仿真模拟分析
模头参数:幅宽1350mm
计算条件
原料:上面检测的PVC结皮发泡板物料
产量:350kg/小时
模头设定温度:180℃
下图为流道优化设计前/后压力对比图
下图为流道优化设计前/后滞留时间对比图
下图为流道优化设计前/后模唇出口流速对比图表
由计算分析的图表可以看出,流道优化设计后,流速更均匀,模腔内的压力更均匀合理,并且优化了模头衣架流道端部的流道设计,缩短物料的滞留时间,有效解决端部积料问题。
3.模头结构设计改进
在流道优化设计的基础上,我们对模头结构进行了大幅调整改进设计。
解决结皮表面不硬的问题
为解决结皮表面不硬的问题,设计师根据塞卢卡发泡模头的设计经验在单腔流道的模头上引入了模唇口加上水冷板即通常所说的“水套”的结构,该结构的机理是料流通过模头挤出后,在模唇口遇到水套水冷,表面急速冷却结皮,但芯部仍然继续发泡,短暂的表面结皮后进入定型模继续冷却成型。
这是目前单腔流道生产结皮发泡板模头的重大改进之一,经过这个结构改进,现行的单腔流道发泡板模头生产的制品,其表面硬度已经与双腔流道生产的塞卢卡结皮发泡板相差无几,有的经过配方等工艺调整,其产品质量甚至优于塞卢卡结皮发泡板。
模唇、模体一体式设计
在前期的模头流道优化设计的基础上,模具结构就有了可以大幅改进的可能,原有为调节料流均匀的节流棒结构就可以去掉了,并且模唇拼接式改进为模唇、模体一体式设计(如图二)
在模唇上设计此类模头专用的弹性调节结构,满足一套模头大范围制品厚度的生产的需求,模唇开口间隙从0-5mm无级可调。一般可满足生产3-25mm的制品。另,其中的一件模体(通常在下模)可以选配快速开口调节结构,模唇开口间隙可以在正负1.5mm范围内快速调节,极大提高制品厚度规格变换生产的效率。
改进的模头结构,全流道实现了无拼接无缝光滑设计,消除了物料在模腔中挂料、积料的可能,生产的制品表面光滑无划痕、无机械纹、水波纹等缺陷。
技术难点突破
改进后的模头由于其模唇开口间隙是通过弹性调节实现的,又由于PVC发泡制品的生产是一种超高压挤出生产工艺,其生产的模腔压力通常会达到20-30Mpa,因此模体材质的选择以及热处理就显得尤为重要,并且热处理工艺要比之前要复杂许多,必须经过严格的应力消除,另外由于是超高压生产,密封问题始终是挤出模头的一个难点,结构设计的合理性以及密封面的加工质量都会影响密封效果,不合理的设计或者加工质量有问题都可能引起结合面的泄漏。
1.提高模头耐腐蚀性延长工作寿命
PVC类制品生产的另一难题是如何提高模头的耐腐蚀性延长模头的使用寿命问题,PVC类制品生产的连续生产周期都是比较短暂的(相对毫无腐蚀性的多数聚烯烃类等产品的生产来说),一般普遍的3-4天,好一些的7-10天左右模头中就会集聚不同程度的碳化焦料,特别是边部,严重影响制品质量,这时就需要打开清理模头后才能继续投入生产,如果模头已经腐蚀严重就不得不对模头进行重新抛光电镀才能进一步使用。
如果模头流道已经发生腐蚀的模头强行继续使用的话,会导致更严重的后果,生产周期进一步缩短,很快就会在腐蚀的地方积料碳化,并且腐蚀会越来越严重,有些严重的腐蚀导致模头流道需要进行二次机械加工才能修复,不能简单的通过抛光电镀来解决。
目前主流的模头都容易出现这样的问题,原因是多方面的,流道设计缺陷、模体材质选择、流道表面处理等都会影响模头的使用寿命。流道优化设计可以有效缩短原料在模腔中的停留,减少滞留腐蚀的机会,模体的材质以及表面处理目前最普遍的是采用优质的合金钢模具钢材加表面镀硬铬,表面镀铬能在一定程度上抗腐蚀,但对PVC高温高压生产的环境下,其耐腐蚀性表现一般。
如果模体材质选用高抗腐蚀性的不锈钢材料如4Cr13、SUS630、2316等,表面镀铬或者镀镍合金处理其耐腐蚀性会提高很多,有效延长连续生产周期,提高模头的使用寿命。
2.针对厚/薄板使用专门设计的模头
另有一点不得不说的是虽然目前的模头设计能满足3-25mm板材生产的要求,但需要较完善的工艺配合才能实现,因此我们还是建议厚板与薄板应采用专门设计的不同的模头来生产为宜,从工艺、配方上来说,这样更有利于生产出优质的产品,并且更容易找到合适的生产工艺以及配方,更不容易产生破泡、串泡等缺陷。
因为生产厚板的模头通常模唇口的平直段会长一点,并且压缩比大,以便提高熔体压力和发泡倍率,而做薄板因发泡层较薄,弹性空间小,刚性大,模头设计时模唇口的平直段需要短,压缩比小,以防止模唇口熔体压力过大,造成出料不均匀,表面不平整,熔体强度低,甚至板材拉断,生产的产量也受到一定程度的限制,生产周期缩短等。
精诚时代集团一直专注于挤出模头的技术创新,志在于中国挤出事业的共同进步和技术分享,本文由精诚工程技术研发中心戴惠斌工程师提供,如有不足之处敬请您指正和批评,如您需要进一步的技术探讨可以关注我们的“模头世界”官方,文章版权归精诚技术部所有,如需转载请注明出处。