淺析聚四氟乙烯柱塞擠出工藝

摘要：

聚四氟乙烯（PTFE）以其自身諸多的優(yōu)點(diǎn)正在不斷滿(mǎn)足各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展，已在航空航天、石油化工、機(jī)械、電子、醫(yī)藥等方面獲得廣泛應(yīng)用。擠出機(jī)是PTFE制品成型中不可或缺的加工設(shè)備之一，在早期的塑料加工過(guò)程中，柱塞擠出機(jī)一直都是主要設(shè)備，而單、雙螺桿擠出機(jī)的出現(xiàn)，使柱塞擠出機(jī)逐步被取代。但對(duì)于聚四氟乙烯而言，因其高粘彈性，若是采用螺桿擠出機(jī)進(jìn)行加工，制品的使用性能會(huì)受到影響，所以柱塞擠出機(jī)仍不失為一種明智的選擇?；诖它c(diǎn)，本文就聚四氟乙烯柱塞擠出工藝進(jìn)行淺談。

關(guān)鍵詞：聚四氟乙烯；加工工藝；質(zhì)量

一、聚四氟乙烯的特點(diǎn)及傳統(tǒng)加工工藝的不足

（一）聚四氟乙烯的特點(diǎn)

聚四氟乙烯英文縮寫(xiě)為PTFE，是由四氟乙烯聚合而成，屬于人工合成的高分子材料，其最為典型的特點(diǎn)是抗酸堿、抗有機(jī)溶劑、耐高溫、高耐候性、高潤(rùn)滑性、不粘附等等，正是因?yàn)檫@些特點(diǎn)，PTFE又被人們稱(chēng)為“塑料之王”。目前，PTFE制品已經(jīng)在多個(gè)重要領(lǐng)域內(nèi)獲得廣泛應(yīng)用，如化工、機(jī)械、電子、航天、橋梁、環(huán)保等等，其在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起到了非常重要的作用。

（二）PTFE傳統(tǒng)加工工藝的不足之處

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)記載及大量試驗(yàn)表明，液壓成型無(wú)法實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，生產(chǎn)效率低，適用于PTFE棒、板、套管等形狀簡(jiǎn)單、批量小的制品生產(chǎn)；模塑成型隨談成型精度高，但其原料消耗大，也只適合生產(chǎn)批量小的大型閥門(mén)、泵等制品；雖然采用推壓成型和螺桿擠出成型可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)擠出生產(chǎn)，但是在擠出的過(guò)程中需要對(duì)PTFE進(jìn)行改性處理或是加入適量的填充劑。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)PTFE進(jìn)行均聚改性處理會(huì)損傷其優(yōu)異的性能，，而加入填充劑則會(huì)使PTFE某些方面的性能降低，這主要是因?yàn)闃?shù)脂與填充劑之間為機(jī)械混合，經(jīng)測(cè)試不論加入何種填充劑，都會(huì)導(dǎo)致PTFE的拉伸強(qiáng)度下降，從而嚴(yán)重影響其使用性能。

傳統(tǒng)的柱塞擠出機(jī)雖然能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)擠出生產(chǎn)，但在實(shí)際過(guò)程中，相鄰錠料銜接部分的機(jī)械強(qiáng)度會(huì)降低，從而影響擠出質(zhì)量。不僅如此，由于傳統(tǒng)柱塞擠出工藝采用的都是大容量、低頻率的液壓式擠出機(jī)，該設(shè)備對(duì)于熔點(diǎn)較高的PTFE樹(shù)脂需要相當(dāng)長(zhǎng)的加熱時(shí)間，這樣一來(lái)制品的加工周期便會(huì)加長(zhǎng)，生產(chǎn)效率不易提高，成本也會(huì)隨之增大。目前市面上有新興的柱塞沖壓式擠出機(jī)，該設(shè)備能夠在不添加任何填充劑的前提下，以較高的生產(chǎn)效率實(shí)現(xiàn)PTFE制品的連續(xù)擠出，下面就此新型聚四氟乙烯柱塞沖壓式擠出機(jī)擠出工藝展開(kāi)進(jìn)一步論述。

二、聚四氟乙烯沖壓式柱塞擠出工藝研究

（一）柱塞沖壓式擠出機(jī)的基本原理

柱塞沖壓式擠出機(jī)采用雙工位，以一根曲軸連接兩套連桿機(jī)構(gòu)，分別帶動(dòng)一個(gè)柱塞進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，這種設(shè)計(jì)方式極大程度地提高了生產(chǎn)效率，制品的生產(chǎn)成本也大幅度降低。該擠出機(jī)的設(shè)計(jì)主要利用了鍛造的工藝原理，借助柱塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)將物料充分壓入到機(jī)筒當(dāng)中，并在剪切熱和外部熱源的共同作用下使物料在機(jī)筒內(nèi)逐漸達(dá)到熔融狀態(tài)，同時(shí)在壓力的推動(dòng)作用下使物料向口模處移動(dòng)，最終物料經(jīng)由口模被擠出成型。該擠出機(jī)的柱塞通常截面都比較小，而柱塞則以較高的頻率和運(yùn)動(dòng)速度使物料在機(jī)筒內(nèi)保持連續(xù)不間斷地流動(dòng)，這是該設(shè)備與傳統(tǒng)柱塞擠出機(jī)最為明顯的差別，各工作段的預(yù)成型品因樹(shù)脂間及樹(shù)脂與筒壁間的摩擦所產(chǎn)生出來(lái)的阻力，加之在口模燒結(jié)時(shí)由于體積不斷膨脹而產(chǎn)生出來(lái)的阻力，使得多段預(yù)成型品在口模出口位置上實(shí)現(xiàn)了連續(xù)的擠出成型，由此獲得的產(chǎn)品質(zhì)量比較均勻，且表面基本無(wú)缺陷，最為重要的是提高了生產(chǎn)效率。

（二）柱塞沖壓式擠出機(jī)的工藝流程

1.固體加料段。在該段，物料的選擇是一個(gè)非常關(guān)鍵的因素，為了確保擠出質(zhì)量，所用物料應(yīng)符合以下條件：松密度較高、自由流動(dòng)性較好，顆粒應(yīng)具備足夠的穩(wěn)定性和硬度、原料的清潔性等。由于固體加料段分為粉料壓實(shí)和固體塞流這兩個(gè)過(guò)程，所以在對(duì)該段的生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行描述時(shí)也應(yīng)從這兩個(gè)方面進(jìn)行。①粉料壓實(shí)。在該段內(nèi)，當(dāng)柱塞回退時(shí)，松散的物料受到重力的作用會(huì)自行落入到?jīng)_壓室當(dāng)中，而當(dāng)柱塞逐步向前推進(jìn)并開(kāi)始對(duì)物料進(jìn)行擠壓時(shí)，散粒體便會(huì)隨之被壓實(shí)為密實(shí)的固體塞，這一過(guò)程實(shí)質(zhì)上就是機(jī)械式柱塞擠壓壓力的產(chǎn)生過(guò)程。②固體塞流。當(dāng)物料隨著柱塞的持續(xù)向前推進(jìn)，固體塞便會(huì)在沖頭的作用下推動(dòng)整個(gè)料筒內(nèi)的物料向前推移。并且在這一過(guò)程中，固體塞會(huì)受到來(lái)自于后端的推壓力和前端和阻力，從而儲(chǔ)備了大量的能量。當(dāng)柱塞達(dá)到最遠(yuǎn)的行程后開(kāi)始迅速回退，此時(shí)物料便會(huì)將前面存儲(chǔ)的能量釋放出來(lái)，這樣便可以繼續(xù)向前推動(dòng)物料移動(dòng)。由于PTFE本身具有較大的蠕變性，當(dāng)柱塞對(duì)其進(jìn)行壓下時(shí)，會(huì)因?yàn)樽冃味鴥?chǔ)存一定的能量，這部分能量會(huì)隨著柱塞的回退逐漸釋放出來(lái)，這一過(guò)程會(huì)循環(huán)往復(fù)。

2.熔融段。當(dāng)固體塞前進(jìn)時(shí)，會(huì)與筒壁形成摩擦進(jìn)而產(chǎn)生出熱量，再加上機(jī)筒外部的加熱器，便會(huì)使固體塞的溫度不斷上升，從而使物料在這一過(guò)程中開(kāi)始熔融并產(chǎn)生熔膜。物料的熔融一般都是由最接近筒壁的部分開(kāi)始的，并由外向內(nèi)逐漸熔融，隨著物料的持續(xù)推進(jìn)，熔模的厚度也會(huì)隨之不斷增大，此時(shí)固體塞的半徑則會(huì)越來(lái)越小，直到熔體充滿(mǎn)整個(gè)料筒截面為止。

3.分流段。通常管材模具的起始部分都會(huì)有一個(gè)分流錐，它的作用是使流經(jīng)該部分的熔體形成薄環(huán)狀，有助于加熱和塑化并形成預(yù)定的管道。物料在流經(jīng)此段時(shí)，在分流錐等裝置的摩擦阻滯作用下，會(huì)使熔體建立壓力，從而有利于密實(shí)制品的形成，并且物料在該段還會(huì)受到強(qiáng)烈的剪切作用，這在一定程度上加速了殘留固態(tài)物料的熔融，物料在進(jìn)入到下一段時(shí)便基本能夠完全變成熔融狀態(tài)。

4.熔體輸送段。當(dāng)物料進(jìn)入該段時(shí)已完全成為熔熔融態(tài)，但壓力存在一定的波動(dòng)，PTFE熔體也仍舊存在一定的彈性，這是因?yàn)槲锪显谇斑M(jìn)的過(guò)程中始終處于儲(chǔ)能到放能的循環(huán)過(guò)程中，以此來(lái)確保運(yùn)動(dòng)能夠連續(xù)進(jìn)行；隨著物料的不斷前進(jìn)，壓力的波動(dòng)會(huì)變得越來(lái)越小，此時(shí)運(yùn)動(dòng)也漸趨穩(wěn)定。由于柱塞沖壓式擠出機(jī)采用了加長(zhǎng)的口模設(shè)計(jì)，這樣一來(lái)便有效延長(zhǎng)了物料停留在口模內(nèi)的時(shí)間，從而進(jìn)一步提高了制品的均勻性和密實(shí)度。因?yàn)镻TFE自身的熔點(diǎn)較高，所以在擠出時(shí)需要對(duì)口模進(jìn)行加熱，而加熱段的長(zhǎng)度會(huì)對(duì)擠出壓力和速度造成一定影響，從而影響到擠出機(jī)的加工效率。按照有關(guān)試驗(yàn)結(jié)果顯示，加熱段越長(zhǎng)擠出壓力就越大，制品的物理性能就越好。然而，如果加熱段過(guò)長(zhǎng)，有可能使制品出現(xiàn)裂紋。為了解決這一問(wèn)題，可將機(jī)筒的加熱段分成三段，每一段均獨(dú)立控制溫度，并在機(jī)筒與電加熱圈之間加入一個(gè)鋁套，這樣便可以確保機(jī)筒表面溫度的均衡性。

5.冷卻段。該段促使物料冷卻定型，在這一過(guò)程中物料的溫度可以降低在250℃以下，并且要滿(mǎn)足物料擠出薄壁管時(shí)溫度>200℃的要求。而后，被擠出薄壁管的管材要在空氣中進(jìn)行下一步冷卻，控制好冷卻的時(shí)間。必須注意的是，若冷卻段過(guò)短，那么制品會(huì)提前進(jìn)入空氣冷卻階段，從而導(dǎo)致制品的尺寸過(guò)大、收縮率減小、內(nèi)應(yīng)力增大。為了提高制品的質(zhì)量，芯棒應(yīng)適當(dāng)大于機(jī)筒長(zhǎng)度，以確保制品在空氣冷卻階段，芯棒能夠起到良好的支持作用。

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