溫度對電纜塑料絕緣及護套擠出質(zhì)量的影響

甄文芳 陳 波 金春敏 陳夏裕

*江蘇亨通線纜科技有限公司 工程師,215200 江蘇吳江

**吳江出入境檢驗檢疫局 工程師,215200 江蘇吳江

鐵路信號電纜適用于鐵路信號自動閉塞系統(tǒng)、計軸、車站電碼化、計算機聯(lián)鎖、微機監(jiān)測、調(diào)度集中、調(diào)度監(jiān)督、大功率電動轉(zhuǎn)轍機等有關信號設備和控制裝置之間,傳輸控制信息、監(jiān)測信息和電能等。

鐵路信號電纜的塑料絕緣和護套是采用連續(xù)擠壓方式制成的,擠出設備采用單螺桿擠出機。在擠出過程中,裝入料斗中的塑料借助重力或加料螺旋進入機筒,在旋轉(zhuǎn)螺桿的推力作用下向前推進,同時塑料受到螺桿的攪拌和擠壓,并且在機筒的外熱及塑料與設備之間的剪切摩擦熱的作用下,轉(zhuǎn)變?yōu)檎沉鲬B(tài),在螺槽中形成均勻連續(xù)的料流,在到達機頭時,經(jīng)模芯和模套間的環(huán)形間隙擠包于線芯周圍,形成連續(xù)密實的絕緣或護套層。整個擠出過程可分成 3個階段,即:混合、熔融和均化;擠壓成型;冷卻和固化。

1 擠出溫度的控制

在塑料擠出的過程中,物料聚集態(tài)的轉(zhuǎn)變以及物料的粘度都取決于溫度,溫度對制品的產(chǎn)量和質(zhì)量影響很大,特別是塑化情況,更能直接影響制品的物理機械性能和外觀。為使固體物料熔化成熔體,擠出物的最終溫度應大于物料的粘流溫度,其上限溫度應小于物料的分解溫度。

1.若在低溫下擠出有如下優(yōu)點:低溫下擠出的物料粘度大,容易保持原來的形狀,不易變形;由于擠出物中熱能小,所需冷卻時間短,可以縮短冷卻水槽的長度;此外,溫度低還可以減少聚合物降解。

低溫下擠出的缺點:擠出溫度低,臨界剪切應力、臨界剪切速率也低,這樣易形成熔體破裂,造成表面粗糙,光亮度差。鐵路信號電纜通常用聚乙烯,如果聚乙烯在擠出過程中溫度過低,其結晶度增大,那么結晶相與無定形相的邊緣上產(chǎn)生的內(nèi)應力就會增大,將導致絕緣或護套后期的開裂。另外溫度低,物料熔融段延長,從均化段出來的熔體中會夾雜有固體物料,這些未熔物料和熔體一起成型于制品上,會使絕緣或護套的機械性能和電氣性能下降,同時未充分塑化的制品的耐環(huán)境應力開裂性比充分塑化的要差。

2.若在高溫下擠出有如下優(yōu)點:表面質(zhì)量好;機械物理性能好;擠出物粘度下降,流動性好,擠出所消耗的功率小。不過過高的溫度將使聚合物的粘度大大降低,不適當?shù)脑龃罅鲃有匀菀滓饠D出制品的形狀扭曲和收縮等。另外,溫度高到分解溫度附近時還會引起聚合物分解,以致降低產(chǎn)品物理性能或引起外觀不良等。因此物料的粘流溫度和分解溫度一樣是聚合物材料進行成型加工的重要參數(shù)。

綜上,塑料擠出采用適當?shù)牡蜏貢容^合適。

2 擠出溫度的設置

根據(jù)物料物態(tài)在機筒中的變化過程,擠出螺桿可以分為加料段、熔融段、均化段 3段。根據(jù)螺桿各段的工作原理及物料在各段的變化,分別設定各段的溫度。

1.在加料段,首先是為顆粒狀的固體塑料提供軟化溫度,其次是以螺桿的旋轉(zhuǎn)與固定的機筒之間產(chǎn)生的剪切應力作用在塑料顆粒上,實現(xiàn)對軟化塑料的破碎。而最主要的則是以螺桿旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生足夠大的連續(xù)而穩(wěn)定的推力和反向摩擦力,以形成連續(xù)而穩(wěn)定的擠出壓力,進而實現(xiàn)對塑料的攪拌與均勻混合,并初步實行熱交換,從而為連續(xù)而穩(wěn)定的擠出提供基礎。在此階段產(chǎn)生的推力是否連續(xù)均勻穩(wěn)定、剪切應變率的高低、攪拌是否均勻等都直接影響擠出質(zhì)量和產(chǎn)量,所以加料段應采用低溫。該段為輸送段,要產(chǎn)生足夠的推力才可以將料向前推送,溫度過高的話,塑料就會過早熔融,形不成“固體塞”,易導致塑料分解,還會造成擠出壓力波動和塑化不均。

2.在熔融段,經(jīng)軟化并初步攪拌混合的塑料,由于螺桿的推擠作用,沿螺槽向機頭移動,進入熔融段。在熔融段的溫度要升高,此段熱量的來源除機筒外部加熱之外,螺桿旋轉(zhuǎn)的摩擦熱也起一定的作用。而來自加料段的推力和來自均化段的反作用力,使塑料在前進中形成了回流,該回流產(chǎn)生在螺槽內(nèi)以及螺桿與機筒的間隙中,不但使物料進一步均勻混合,而且使塑料熱交換作用加大,達到了表面的熱平衡。由于此階段的作用溫度已超過了塑料的流變溫度,加之作用時間較長,致使塑料發(fā)生了物態(tài)的轉(zhuǎn)變,與加熱機筒接觸的物料開始熔化,在機筒內(nèi)表面形成一層聚合物熔膜,當熔膜的厚度超過螺紋頂與機筒之間的間隙時,就會被旋轉(zhuǎn)的螺紋刮下來,聚集在推進螺紋的前面,形成熔池。由于機筒和螺紋根部的相對運動,使熔池產(chǎn)生了物料的循環(huán)流動,這樣才能保證塑料塑化。

3.在均化段,溫度繼續(xù)升高,塑料在熔融段已大部分塑化,而其中小部分高分子組成尚未開始塑化,這部分未塑化的粒子需要更高塑化溫度,因此,均化段的溫度升高是使塑料進一步塑化和均化。

4.機脖溫度保持均化段溫度或稍有升高,因為該處多孔板變塑料的旋轉(zhuǎn)運動為直線運動,并且有濾網(wǎng)的阻擋作用,使料流不太順暢,溫度不宜降低。

5.機頭溫度應比機脖溫度稍有降低,因為熔體在此處有固定表層與機頭壁接觸,溫度高易焦燒分解。

6.模口溫度升高能夠提高表面光亮度,表面質(zhì)量好,但模口溫度過高,不但會造成表層分解,更會造成成型冷卻困難,使產(chǎn)品難于定型,易于下垂自行形變或壓扁變形;若溫度降低,雖使制品定型容易,但易影響表面質(zhì)量。

3 結束語

在鐵路信號電纜實際生產(chǎn)中,通常用到不同密度的聚乙烯,盡管不同密度的聚乙烯擠出溫度控制的高低不一,但有一個普遍的規(guī)律:即從加料段起到模口止,都有一個溫度從低到高再到低的變化規(guī)律。如果擠出過程中溫度控制的不合適,塑料絕緣或護套就會產(chǎn)生很多缺陷,影響電纜的表面質(zhì)量。

[1］ 徐應麟.電線電纜手冊(第 2冊)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2001.

[2］ 韓中洗.電纜工藝原理 [M].哈爾濱:哈爾濱理工大學出版社,2003.

[3］ 成都科技大學.塑料成型工藝學[M].北京:輕工業(yè)出版社,1983.