聚丙烯挤出发泡中_熔体破裂_现象分析

聚丙烯挤出发泡中“熔体破裂”现象分析Ξ徐志娟,何继敏,朱复华,薛　平(北京化工大学机电工程学院,北京100029) 摘要:研究了聚丙烯挤出发泡过程中“熔体破裂”现象及其对发泡体质量的影响。

对比采用不同形状的机头口模的发泡试样,发现不能建立足够高压的机头中,PP/气体形成的单相溶液在离开机头口模之前发生相分离,提前发泡,使表面发生“熔体破裂”,发泡体的质量差;不同螺杆转速和机头温度对发泡体质量影响不同:对应一定温度,存在获取高质量泡沫的最佳螺杆转速范围(对Φ2mm 喷丝机头,转速为30～40r/min );相同转速下,温度过低(低于150℃)或过高(高于185℃)都会使挤出物表面产生“熔体破裂”现象,表面质量相对较差。

关键词:聚丙烯;发泡;熔体破裂;机头形状 中图分类号:T Q320166+3 文献标识码:A 文章编号:1005-5770(2005)01-0030-04Melt Fracture and Its E ffects on Foam Q uality in Extrusion Foaming of PPX U Zhi 2juan ,HE Ji 2min ,ZH U Fu 2hua ,X UE Ping(C ollege of Mechanical and E lectrical Eng 1,Beijing University of Chemical T echnology ,Beijing 100029,China )Abstract :The melt fracture during the extrusion foaming process of PP and its effects on foams qualities were studied 1C om pared with the foaming sam ples extruded by different dies ,it was found that the single phase of PP/gases s olution separated before the mixture left the die and advanced foaming happened because the die could not es 2tablish high enough pressure 1Therefore ,the melt fracture happened and the qualities of the foams were poor 1Different screw speeds and die tem peratures had different effects on the qualities of foams 1There was an optimalrange of screw speed (Φ2mm filament die ,screw speed from 30to 40rpm )at given tem perature ;over high (higher than 190℃)or over low (lower than 135℃)die tem perature w ould lead to the melt fracture of extruder at same screw speed ,and the qualities of foams w ould be correspondingly poor 1K eyw ords :PP ;F oam ;Melt Fracture ;Die Shape 聚合物在加工过程中流动会出现不稳定现象,其根源是高分子的长链在分子水平上缠结,导致高粘、慢松弛和高法向应力[1],当剪切速率超过临界剪切速率时,挤出物表面变得粗糙、失去光泽、粗细不均和扭曲,成为波浪形、竹节形或周期性螺旋形,在极端严重的情况下,甚至会断裂成为形状不规则的碎片或圆柱,即出现熔体破裂现象。

聚丙烯(PP )在发泡成型过程中,常因挤出物发生“熔体破裂”而使发泡失败。

熔体破裂现象对发泡体的表观质量和泡体结构影响巨大。

对PP 的熔体破裂现象的研究已有一些[2,5]。

但对特殊的挤出发泡过程中PP 的熔体破裂研究则很少。

本文主要研究了PP 挤出发泡过程中由于气体的存在,聚合物熔体出现流动不稳定,产生的所有表面不光滑的现象,即广义的“熔体破裂”现象以及其对发泡体质量的影响,以期对PP 泡沫挤出生产具有一定指导意义。

1　实验部分111　原料和设备 聚丙烯:密度0191g/cm 3,熔体质量流动速率0145g/10min ,燕山石化公司;发泡剂:偶氮二甲酰胺(AC ),市售;助发泡剂:硬酯酸锌[Zn (St )2]和氧化锌(ZnO ):市售;交联改性剂:过氧化二异丙苯(DCP ),市售;助交联剂:二乙烯基苯,市售。

单螺杆挤出机:S J K 245×25-3,哈尔滨塑料机械模具厂;电镜扫描仪:S250型,英国剑桥公司。

112　实验过程 按比例称量PP 和各种助剂,在PP 树脂中加入适量液体石蜡,使料粒表面均匀润湿,将交联剂和交联・03・塑料工业CHI NA P LASTICS I NDUSTRY 第33卷第1期2005年1月Ξ北京化工大学青年基金(QN0215)作者简介:徐志娟,女,在读博士生,主要从事聚丙烯挤出发泡和降解方面的研究。

xuzhijuan2004@1631com助剂按比例配置的溶液加入混合料中,加入发泡剂、助发泡剂、成核剂等粉料,用混合机混合5～10min ,使粉料均匀黏附在粒料表面。

当挤出机各段的温度达到设定温度并保温一段时间后,将配好的混合物加入料筒,并在一定螺杆转速下挤出。

2　结果与讨论211　提前发泡对熔体破裂的影响 实验中采用了45mm ×3mm 的板材机头、Φ2mm 的线材喷丝机头、Φ5mm 的棒材机头、Φ20mm ×2mm 的环形口模和100mm ×1mm 缝形口模进行对比。

在用这些机头成型的发泡体中有些发生熔体破裂,这主要是由于无法建立高压,导致发生提前发泡。

发泡过程中最基本的要求是熔体能够保留住发泡气体,而且聚合物/气体形成的单相溶液离开口模后才发生相分离并发泡膨胀,这是得到均匀细密的发泡体的先决条件,所以熔体压力在离开口模前必须始终高于气体压力,即挤出机内物料沿螺杆轴向的最佳压力分布曲线由泡孔内气体的压力分布曲线决定。

图1是产生良好泡沫时,挤出机内的熔体(物料)与泡孔内的气体压力分布图。

从图1可看出,气体压力的产生要滞后于熔体压力的产生。

所以通过选择适当的机头结构、温度和螺杆转速,控制PP 物料在进入压缩段之前就能熔融一部分并基本软化,以使物料及早压实并先形成熔体压力,这样便可有效防止发生提前发泡现象。

图1　挤出机物料与气体压力的分布示意图Fig 1Schematic diagram of melt and gasespressure distribution 图2a 为由板材机头挤出发泡的PP 试样,图2b是其电镜扫描(SE M )图片,其挤出时的实测熔体压力分布如图3所示(其中位置4是机头口模入口位置)。

显然,该挤出过程的压力分布不能有效地对发泡剂分解的气体施加全程高压,因而机头内可能出现了提前发泡,使发泡体表面产生不光滑现象,得到的泡孔结构也不均匀细密。

a -挤出试样b -试样的SE M 图图2　板材机头挤出试样Fig 2Photo of sam ple extruded by sheetdie图3　板材试样挤出时不同位置的熔体压力分布图Fig 3Melt pressure at different positions duringextrusion of sheet sam ple 图4是用线材喷丝机头挤出的试样的SE M 图(其它条件与图2试样相同)。

在相同螺杆转速下,机头形状不同,所产生的机头压力也不同。

图4中的试样表面较光滑,泡孔结构细密均匀,发泡倍率高、质量好(泡体密度0112g/cm 3,发泡倍率7158);而由板材机头(图2)得到的泡沫的泡孔很大,发泡倍率不高(泡体密度0169g/cm 3,发泡倍率1133)。

图4　线材试样SE M 图片Fig 4SE M micrograph of filament sam ple 图5和图6分别为采用环形口模和缝形口模挤出时,PP 发泡管材和板材的“熔体破裂”现象,挤出发泡体从口模出来即发生“熔体破裂”,泡体表面粗糙、杂乱。

挤出中有大量气体逃逸,很难形成均匀规格的发泡体。

・13・第33卷第1期徐志娟等:聚丙烯挤出发泡中“熔体破裂”现象分析图5　环形口模挤出PP 发泡管材的“熔体破裂”现象Fig 5Melt fracture of PP foamed pipe by ringdie图6　缝形口模挤出PP 发泡板材的“熔体破裂”现象Fig 6Melt fracture of PP sheet sam ple by split die 图7为PP 发泡时“熔体破裂”过程的示意图。

当含气体的PP 熔体所处压力高于发泡的临界压力p cr 时,气体溶于熔体,熔体呈单相状态,其压缩性与不含气体的熔体一样。

由于机头结构、工艺参数等原因造成挤出背压不足时,熔体所处压力有可能在口模内就低于p cr ,于是在该处熔体中所含过饱和气体离析出来形成气相,溶解气体与熔体组成的单相混合物转变为游离气泡与熔体组成的可压缩两相混合物。

气泡在膨胀和流动过程中受到口模的高剪切作用,导致泡孔发生破裂与合并,层流流动受到破坏,形成气液混合物的弹性湍流,引起熔体的不稳定流动。

熔体与气泡组成的可压缩混合物一离开口模即发生弹性回复,熔体内部和表层的气泡在弹性回复力的作用下进一步发生破裂,加之泡孔破裂后释放的气体猛烈冲击熔体,于是发生“熔体破裂”。

这种破裂过程与爆炸气体由于高压而急剧地冲击周围介质,导致在爆炸点周围物体的破碎和强烈变形的爆破过程相似。

图7　PP 发泡时“熔体破裂”过程的示意图Fig 7Schematic diagram of melt fracture of PP foam 以上分析表明,挤出发泡过程中如发生提前发泡,将在挤出物表面出现“熔体破裂”现象,影响发泡结果和泡沫质量。

为了避免提前发泡,必须优化设计机头口模,尽量避免螺杆头部和机头口模处的压力损失。

同时,通过机头部分的阻遏作用,在机筒和口模中建立高压,抑制提前发泡的发生。

212　螺杆转速对“熔体破裂”的影响 螺杆转速对挤出试样的“熔体破裂”和表观质量的影响见表1。

从表1可看出,一定温度下,随着螺杆转速的提高,机头压力逐渐增大,挤出物的表面质量则由差变好,最后又变差,存在最佳螺杆转速。