氟模技術在橡塑擠出模具設計中的研究與應用

李楷東，周 建，鄧偉杰，李楷純，戴彥雍，周 優，姚洪清，楊 滔

（廣州南洋電纜集團有限公司，廣州 511356）

0 引言

在現代塑料擠出和注塑工業，特氟龍材料是不粘涂料的鼻祖，其耐高溫、高化學穩定性、低摩擦因數以及極低表面能［1-4］已被廣泛研究，綜合優勢是其他涂料無法抗衡的。采用以聚全氟乙丙烯（PTFE）為代表的特氟龍塑料通過涂層技術［5-7］應用于自潤滑低黏附注塑模具、不黏層制品［8-9］以及化工管材擠出模具［10-11］的用途得到廣泛推廣，含氟模具的自潤滑脫模和黏度減阻效果，可以很好改善流動性，解決產品粘模問題，提高產品的高光潔度。

在電線電纜行業，傳統橡塑擠出模具多為合金鋼材料制作而成，合金鋼材質表面能大，高溫塑料在機頭模腔的摩擦因數大，容易產生黏附，造成工藝流動性差，出膠量降低，膠體壓力增高，機身膠體內摩擦升溫；同時，膠體在出膠模口容易粘連和焦燒硬化，導致線纜表面粗糙、光潔度差和表面劃傷等不良現象。因此，利用PTFE材料的低表面能材料實現高溫熔融膠體對模具表面的黏度減阻效果，改善熔融膠體在機頭模腔內的流動性，降低膠體的強力黏附，改善制品的表面質量，成為高黏度橡塑材料擠出模具實現高光潔生產工藝亟待解決的問題［12-13］。

本文采用氟模技術設計一種新型自潤滑、低黏附的高光潔擠出模具，利用聚全氟乙丙烯低表面能對模具定徑區和模腔工作面同時進行最大程度的全氟化處理，實現高溫熔融膠體對模具表面的黏度減阻效果，以期改善膠體在機頭模腔的工藝流動性，減小機頭壓力，減小擠出過程中膠體的內摩擦生熱效應，特別適用于高填充、高黏度、高黏附橡塑材料的擠出，尤其是近年出現的新型低煙無鹵聚烯烴B1級電纜絕緣和護套材料的良好擠出。

基于新型模具中的內模套采用聚全氟乙烯棒材制作，氟塑料材料的熱阻系數遠高于常用模具合金材料，全氟內模套的壁厚尺寸對熱量傳導的熱阻影響，是本模具研究的重要內容之一。在研究過程中，采用SolidWorks軟件對模套組合進行3D建模，并導入COMSOL Multiphysics軟件的傳熱模塊，針對擠出機起機預熱和正常擠出的兩個階段，以機頭加熱溫度、膠料塑化工藝溫度作為邊界條件，以氟塑料熔融變形溫度不高于200～240℃以及加溫時間不大于3.5 h為參考條件，分別對組合模套進行傳熱過程的熱場仿真，明確內模套壁厚最大厚度范圍，實現機頭模具溫度控制效率的優化，優化工序轉換所需的時間。

1 傳統模具結構形式

傳統電線電纜絕緣和護套擠出模具通常為全金屬材質，模芯和模套之間形成的模腔流道為硬質處理的拋光金屬面。這種模具結構簡單，生產使用方便。模具導熱介質單一，升溫速度較快。但模具的熱穩定性差，金屬表面與高溫熔融膠體黏附性較大，流動性差，同時在出模口容易發生粘連，導致塑料或橡膠制品的表面光滑性不好。傳統模具結構形式，以擠管式為例，如圖1所示。

圖1 全金屬模套的傳統結構設計

2 聚四氟乙烯（PTFE）的特性

2.1 聚四氟材料特性

特氟龍都具有耐高溫、耐磨損、不沾黏以及耐化學性能穩定的特點，常用有PTFE、FEP、PFA、ETFE幾種基本類型，其中，FEP最高使用溫度是200℃；PFA最高連續使用溫度是260℃；ETFE最高連續使用溫度是150℃。

聚四氟乙烯（PTFE）由四氟乙烯聚合成的，化學式為-（CF2-CF2）n-，如圖2所示。聚四氟乙烯（PTFE）是特氟龍系列中耐溫等級最高，可以在250℃以下連續安全工作，最高使用溫度290～300℃，加熱至415℃后開始緩慢分解。

圖2 聚四氟乙烯聚合物（PTFE）化學結構

新型自潤滑低黏附擠出模具采用工作面涂氟工藝或采用特氟龍塑料制作模具元件組合而成。涂氟材料和加工棒材均選用特氟龍產品系列中性能最好的聚四氟乙烯（PTFE）材料，主要就是源于其耐高溫、不粘連、自潤滑和化學穩定性。

2.2 材料界面的摩擦因數

聚四氟乙烯（PTFE）中的碳氟鍵結構呈高度對稱，主鏈碳原子的表面被氟原子包裹，分子極性低，表面很難與一般橡塑聚合物形成相互吸附范德華力中的定向力和誘導力，形成表面吸附的色散力也相對較弱，表面能相對較低聚四氟乙烯的臨界表面張力一般只有31～34 dyne／cm，接觸角大，塑料和橡膠很難浸潤PTFE，不能黏附在PTFE上。因此聚四氟乙烯材料具有不粘、低摩擦因數等特性。

PTFE負載滑動時的摩擦因數在0.05～0.15之間，表現出極強的自潤滑性強，易滑動，不黏附，易清潔，實際上幾乎所有物質都不與特氟龍涂模粘合。PTFE結晶度大，化學穩定性好溶脹和溶解極為困難。常用橡塑和增塑劑等化學物質與PTFE很難發生高聚物分子鏈成鏈域的互相擴散和纏結，不能形成較強的黏附力。表1所示為部分塑料與鋼金屬的摩擦因數，以及各類塑料與聚四氟乙烯之間界面的摩擦因數情況，可以看出聚四氟乙烯在模具中發揮自潤滑的效果。

表1 各種材料間的摩擦因數

采用PTFE材料制作模套和涂氟模芯表面，充分利用PTFE不粘特性，在高溫擠出過程中，可以有效避免塑料、彈性體和橡膠等熔融膠體與傳統全金屬合金模具因高黏度黏附導致的機頭模腔內極流動性差、擠出壓力大和出膠困難的問題，降低機頭和機筒內膠料的內摩擦生熱，在出膠模口發生膠料粘連，避免電纜護套制品表面出現劃痕、表面粗糙不光滑的不良現象。利用PTFE的不粘性特性制作內模套和涂氟模芯工作面，可以實現擠出機的長時間連續生產的目的，即使粘有少量膠料，也易于清理，通過簡單擦拭，即可清除，縮短停機時間，節省工時，提高工作效率。

3 氟模的結構設計

擠出模具組合中的模芯工作面均采用聚四氟乙烯可進行直接調質滲氮和高光潔度拋光處理，或采用涂氟工藝處理，涂氟厚度不小于15～30 μm，模芯型式可以是擠壓式、擠管式或者是半擠壓式。以下重點主要按制品加工的外徑尺寸，分別介紹φ90及以下和φ90擠出機及以上擠出模套設計和制作的幾種結構形式及其與涂氟模芯的配合。

3.1 小規格涂氟模具

對φ90及以下規格的擠出機，因為機頭尺寸相對較小，擠出流量和壓力相對較小，機頭流道空間很難允許設計較為復雜結構的模具，其模芯和模套的工作面可采用涂氟工藝，以增加模腔工作面自潤滑效能，減小膠體和模具腔體的高溫黏附，改善膠體流動性，減輕模口的粘模。模芯和模套的組合如圖3所示。模套1與模芯3的模芯PTFE涂氟層2和模套PTFE涂氟層4工作面形成氟塑料模腔流道。內模套圓錐面的設計，主要是為了降低圓錐面對膠體的粘性，減小擠塑過程中整個機頭模腔的壓力。

圖3 小規格的涂氟模具

3.2 全氟模套的單限位內嵌設計

單限位加氟模套，包括金屬外模套1、內模套2組成，金屬外模套1內表面設計成階梯狀嵌槽，用于全氟內模套2的支座定位作用，將內模套2以較高同心度和配合度從進線口方向裝配到外模座1內。內模套孔徑可以根據電纜外徑進行選配后，可以和外模套進行裝配，整套模具裝配見圖4所示。PTFE全氟內模套2與模芯PTFE涂氟層4工作面形成氟塑料模腔流道。這個模具設計方式中，內模套采用膠體的擠出壓力實現固定，在擠出機生產的起始階段，內模套固定存在一定的不穩定性。

圖4 單限位全氟內模套的結構設計

3.3 全氟模套的雙限位內嵌式設計

雙限位加氟模套，包括金屬外模套1、全氟內模套2、壓板5以及熱電偶測溫8組成。金屬外模套1內表面設計成階梯狀嵌槽，嵌槽定位臺階7用于全氟內模套2的嵌入定位，將內模套2以較高同心度和配合度從出線口方向裝配到外模套1后，由內模套壓板5經螺紋旋轉固定（或通孔內螺栓沉孔鎖緊），形成整體的組合模套。整套模具裝配如圖5所示，組合模套的構造設計簡單精巧。內模套3的孔徑可以根據電纜外徑適配后和外模套進行組裝，再采用內模套壓板進行裝配鎖定。PTFE內模套2與模芯PTFE涂氟層4工作面形成氟塑料模腔流道。

圖5 雙限位全氟內模套的結構設計

這個模具設計方案是通過外模套和壓板雙向鎖定內模套，在擠出機生產的整個過程，內模套一直保持固定的穩定性，不受膠體擠出壓力的位移干擾。

根據圖5的設計方案，使用SolidWorks進行了3D建模，圖6所示為模套中金屬外模套、全氟內模套和壓板蓋的三組件裝配結構；圖7所示為模套裝備后出口端和進口端的外形狀態。

圖6 雙限位全氟內模的組合模套拆解

圖7 雙限位全氟內模的組合模套裝配

圖8所示為模具四組件，從左到右依次擠出模具的四組件是：涂氟模芯、金屬外模套、全氟內模套、壓板蓋；圖9所示為整套模具的組合裝配圖。

圖8 擠出模具的四件套

圖9 全氟內模套擠出模具的裝配圖

4 組合氟模的導熱和控溫

通常把導熱系數較低的材料稱為保溫材料，導熱系數在0.05 W／（m·℃）以下的材料稱為高效保溫材料。聚四氟乙烯（PTFE）的導熱系數為0.24 W／（m·K），相比銅（導熱系數36～54 W／（m·K））、鋁（導熱系數237 W／（m·K））和紫銅（導熱系數401 W／（m·K））等金屬材料要小很多，屬于不良熱傳導材料。對于采用涂氟工藝加工的聚四氟乙烯的涂層而言導熱效能影響不大，可以作為薄層處理，但對采用棒材加工的厚壁全氟模套，聚四氟乙烯的熱阻因素必須予以考慮，與傳統全鋼制模套結構橡膠，這種厚壁因素將導致機頭內部溫度出現升降溫延遲，需要更長的預熱時間。

4.1 全氟模套導熱的熱場仿真分析

4.1.1 材料導熱系數

導熱系數（又稱熱導率）是表征材料導熱能力大小的物理量，是在穩定傳熱條件下，1 m厚度的材料，兩側表面的溫差為1 K，在1 h內，通過1 m2面積時傳遞的熱量，單位為W／（m·K）。材料的導熱系數值越大，則相應的導熱能力就越強。

全氟模套組合模具的熱傳導可等效多層圓筒壁和圓錐壁的熱傳導模型，傳質導熱系數不同，表2所示為常見塑料的導熱系數。

表2 各種材料的導熱系數

4.1.2 組合模套的熱場效應仿真分析

（1）多層圓筒壁的熱傳導仿真

以內外模筒壁間以及壓板之間接觸良好，多層圓筒壁材料選用1045鋼材和PTFE材料，采用COMSOL Multiphysics進行幾何模型創建、定義參數、材料選擇、邊界設置和選擇傳熱方程，實施網格劃分，在外模圓筒壁、內模外筒壁、眼模三處分別設立溫度探針，最后進行傳熱仿真計算［14-15］。組合模套的主要幾何尺寸如圖10所示。

圖10 組合模套的主要結構尺寸及設計變量

（2）組合模套熱傳導的有限元分析

根據具體的模具圖紙和元器件的材質，利用COMSOL Multiphysics進行幾何模型創建、定義參數、材料選擇、邊界設置和選擇傳熱方程后，組合模套熱傳導的網格劃分如圖11所示。

圖11 組合模套熱傳導的網格劃分

（3）組合模套冷模在起機預熱階段的熱場分析

機頭預熱階段，組合模套的熱源來源于加熱器，以機頭加熱溫度250℃、模口定徑區工藝溫度150℃作為邊界條件，以金屬外模套表面為固體介質，模套和蓋板的外端面、內模面為空氣對流模式，以鐵模-塑模配合面的熔融變形溫度不高于250℃為參考條件，在外模套外圓柱面、鐵模-塑模配合面以及眼模定徑區和眼模邊緣處各設置探針。在環境溫度條件下，模擬冷機進行6 h的加熱過程熱場分析，以2.5～3.5 h內加熱至恒溫狀態為最佳經濟時間，以眼模孔徑φ32 mm為基礎，逐步放大眼模孔徑尺寸進行仿真。

經過模擬仿真，眼模孔徑d＝φ32 mm的組合模套的熱場分析如圖12所示，此時眼模定徑區溫度為118℃，眼模出口邊緣的溫度為103℃，顯然遠低于常見塑料的塑化工藝溫度。當眼模孔徑（d）逐步放大至φ58 mm時，組合模套的熱場分析如圖13所示，眼模定徑區的溫度達到150℃，眼模出口邊緣的溫度為131℃，基本達到一般常用塑料的擠出工藝下限值，此時的眼模定徑區壁厚為20 mm。

圖12 眼模孔為徑φ32 mm的組合模套在起機升溫中的熱場分析

圖13 眼模孔徑為φ58 mm的組合模套在起機升溫中的熱場分析

孔徑為φ32 mm和孔徑φ58 mm眼模孔徑組合模具的外模套外圓柱面、金屬外模-氟模配合面以及眼模定徑區和眼模邊緣處各設置的探針溫度升溫曲線如圖14所示。

圖14 組合模套起機加熱過程中各探針的溫升曲線

傳熱仿真表明，合金鋼外模導熱系數（36～54 W／（m·K））較大，模套的升溫速度極快，外圓柱面與鐵模-塑模配合面探針處的溫差較小，幾乎重合。而內模套因聚全氟乙烯（PTFE）導熱系數（0.24 W／（m·K））比合金鋼金屬導熱系數要小很多，熱阻效應明顯。對于尺寸相同的合金外模套，在外模套溫度一定的條件下，全氟內模套的眼模孔徑越小，壁厚尺寸則越厚，恒溫后眼模定徑區的工作溫度則越低，模具內外的溫差較為懸殊。金屬外模套溫度的測量值不能直接準確反映內模套眼模的真實溫度，容易導致內模因高溫而變形，需要增加界面測溫和控溫保護。

傳真仿真表明，采用全氟內模套用于擠出時，不同外徑的制品，應選擇相應規格的擠出機頭進行模具適配，通過金屬外模套內孔直徑D1值的調整，對全氟內模套壁厚尺寸進行最薄化的優化，有效控制模口定徑區壁厚δ不大于20 mm，以改善全氟模具壁厚對熱傳導的熱阻效應，其中δ＝0.5（D2-d），D1、D2和d值如圖10所示。對于模口定徑直徑相對較小的模套，可選擇氟塑料涂層工藝的模套，實現熱阻最小，達到導熱升溫性能最佳。

（4）組合模套在擠塑加熱階段的熱場分析

與模具起機加熱階段的建模區別不同的是，除加熱器第一個熱源外，擠塑過程中熔融膠體為模型的第二個熱源，內模套眼模從內部被同時間加熱，眼模溫度高于單熱源模型的仿真。熔融膠體在模腔內部相當于熱源對內模的內側進行加熱升溫，氟塑料內模套在某種程度上，實際對機頭模腔起到保溫層的阻熱效果。

4.2 全氟內模套的測溫和控溫保護

鑒于聚四氟乙烯（PTFE）的最高連續工作溫度限制以及內外模套導熱系數的巨大差異，在組合模套中可設計和加裝熱電偶測控溫裝置，用于監控全氟模套實際溫度是否符合擠出工藝溫度，同時也是防止加熱器加熱失控，控制內模最高溫度不超過250℃，避免熔融和軟化全氟模套和涂氟層。同時，根據電纜產品絕緣或護套材料的特性，溫控參數具體設置應結合具體材料特性而定。

5 組合型模具的實際使用

組合型模具的實際使用如圖15所示。

圖15 組合模具在實際擠出中的應用

采用氟模技術加工的擠出模具，與相同形狀的傳統金屬模具相比，新型模具利用PTFE的自潤滑性，改善膠體在模具腔的流動工藝性，降低膠體在機身和機頭的擠出壓力，降低了膠體在機筒內的摩擦生熱，可廣泛利用于高黏度塑料和橡膠的擠出，進一步提高機臺產量。

經工藝驗證，采用氟模技術加工的擠出模具，與相同形狀傳統金屬模具相比，擠出機出膠量可以增加15%，機頭壓力下降10%～15%。由于氟塑料層低表面能產生的脫模作用，消除了口模出口處熔融膠體的積垢，膠料在模口的粘連基本消失，制品表面獲得高光潔度的提升。

6 結束語

以聚四氟乙烯（PTFE）材料制作全氟模套或者涂氟模具表面的模具設計，模腔流道具有非常良好的耐高溫、高硬度、高潤滑、不黏附以及較小摩擦阻尼系數的特點，可有效避免高溫條件高黏附橡塑材料與傳統全金屬模具發生流動性差、擠出壓力大、模口粘連和焦燒硬化等問題，提升制品表面光潔度，避免出現劃痕、粗糙和不光滑的不良品現象，同時模具設計必須對全氟模套的壁厚進行尺寸最大程度減薄的優化，保證壁厚不大于20 mm，以保證良好的熱傳導。

氟模技術可以廣泛用于電線電纜聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、（陶瓷化）熱塑性彈性體、聚氨酯彈性體、乙丙橡膠、氯化聚乙烯橡膠、氯丁橡膠，以及高黏度低煙無鹵聚烯烴，特別是B1級電纜護套料等材料的良好擠出；也可以應用于化工和建筑行業塑料管材和型材的擠出加工領域。