塑料波纹管挤出缺陷分析及对策

82Vol.36No.5(Sum.193)May2008评述文章编号：1005-3360（2008）05-0082-06收稿日期：2008-03-03塑料波纹管根据其管壁结构的不同，可分为单壁波纹管和双壁波纹管。单壁波纹管是指内、外壁均具有波纹的塑料管材；而双壁波纹管则是指内壁光滑而外壁具有波纹的塑料管，外壁波纹与内壁相接触处熔合在一起。塑料波纹管除了具有一定的强度和刚度外，还具有较大的柔度和很高的抗疲劳性能，被广泛应用在农田水利灌溉、煤气输送、通讯电缆护管、家用电器以及汽车输油管的配管等方面[1]。由于塑料波纹管的生产工艺和模具结构复杂，操作程序繁琐，所以制品难免出现各种各样的问题和缺陷。从实际应用来看，波纹管的质量缺陷包括两个方面：一是外观缺陷，二是内部缺陷。外观缺陷影响制品的价值，内部缺陷影响制品的性能[2]。塑料波纹管的生产涉及原料、配方、工艺、设备和模具等多个要素，要迅速查明原因、快速有效地排除各种缺陷，就要从这些影响因素入手，科学合理地制定处理方案。1塑料波纹管的质量要求一般而言，塑料波纹管的质量要求包括3个方面：外观质量、规格与公差以及物理力学性能。（1）外观质量：管材的内外表面波纹应完整，色泽均匀；不应有裂纹、孔眼、气泡等；截面要圆，偏圆率不能超过外径的3%；双壁波纹管内壁要光滑等。（2）规格与公差：某一规格的波纹管，其内径、外径和壁厚要求符合一定的公差范围。（3）物理力学性能，包括：压扁性能（环刚度）、爆破压力、冲击性能、拉伸性能、耐焊性能、弯曲性能等。塑料波纹管挤出缺陷分析及对策DefectAnalysisandCountermeasureofPlasticCorrugatedPipeExtrusion刘斌，赵春振LiuBin，ZhaoChunzhen-华南理工大学聚合物成型加工工程教育部重点实验室，聚合物新型成型装备国家工程研究中心，广东广州510640-KeyLaboratoryofPolymerProcessingEngineeringofMinistryofEducation,NationalEngineeringResearchCenterofNovelEquipmentforPolymerProcessing,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640China摘　要:从原料、配方、设备、模具和工艺等方面分析了塑料波纹管挤出过程中影响产品质量的因素，对塑料波纹管生产过程中常见的质量问题及产生缺陷的原因进行了分析，并提出了相应的解决方法。Abstract:Itdiscusedthefactorsaffectingtheproductqualityofplasticcorrugatedpipefrommaterial,formula,equipment,mouldandprocess,analyzedthecommonqualityproblemsandthecausesofthedefectsduringtheextrusionofplasticcorrugatedpipe,andpresentedtherelatedsolutions.关键词:塑料波纹管；质量缺陷；挤出；聚氯乙烯Keywords:Plasticcorrugatedpipe;Qualitydefect;Extrusion;PVC作者简介:刘斌（1969—），男，工学博士，副教授，主要研究方向为模具CAD/CAE/CAM和材料成型装备及数控技术，已发表科技论文90余篇。中图分类号:TQ320.663；TQ320.724文献标识码:A基金项目:国家自然科学基金项目（10590351）塑料波纹管挤出缺陷分析及对策.indd82塑料波纹管挤出缺陷分析及对策.indd822008-4-2823:08:372008-4-2823:08:37832008年5月第36卷第5期（总第193期）塑料波纹管挤出缺陷分析及对策2影响塑料波纹管成型质量的因素2.1原料及配方塑料波纹管的配方设计要依据波纹管的性能、结构、用途、助剂与树脂的相容性、各类助剂间的相互影响和协同效应，以及成型设备的特点，综合各方面的成型因素，进行树脂型号及各种添加助剂的选择[3]。2.1.1树脂原料的选择生产塑料波纹管的主要树脂原料为聚氯乙烯（PVC），此外，随着生产工艺、设备的不断改进，聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）、可溶性聚四氟乙烯（PFA）、聚偏二氟乙烯（PVDF）、聚酰胺（PA）以及聚氨酯弹性体（PU）等几乎所有的热塑性塑料都可以用来生产不同用途的波纹管。在选择树脂时，应结合制品的使用性能和成型工艺要求，重点关注下列指标：聚合度、表观密度、挥发物、杂质、热分解温度[4]。2.1.2助剂的选择稳定剂对于热敏性树脂在成型过程中加入适量的稳定剂是必须的。当同时选用几种稳定剂时，应注意它们之间的协同效应。另外还要注意稳定剂的用量，过量的稳定剂会使塑料熔体的流变性变差。润滑剂在配方中加入合适的润滑剂，不仅能改善树脂的成型性能，而且由于流动性的提高，还可以减少树脂的热分解，同时还能够改善制品表面的光泽及其他物理力学性能。在选择润滑剂时应特别注意与树脂的相容性以及内外润滑剂润滑作用的平衡[2]。增塑剂其作用为降低聚合物熔融黏度和熔融温度，增加可塑性和流动性，使制品具有柔韧性。经过增塑的聚合物，虽然制品脆性有明显改善，而且也提高了柔顺性和伸长率，但是其硬度、拉伸强度、弹性模量等均会有所下降。着色剂首先，着色剂的加入应根据塑料在配制和成型过程中的具体情况而定。例如在成型PVC波纹管时，由于PVC会在成型过程中释放出HCl，故不宜选用对酸敏感的镉红、群青等；其次，所选用的着色剂还应与树脂相容性良好，能均匀分散于树脂中；第三，要考虑对成型机械和模具的影响。在塑料熔融及成型的过程中，含着色剂的塑料或着色剂自身在模头或模具表面上的沉积物会导致制品表面产生缺陷，使挤出物的截面发生变化，甚至产生废品。另外，着色剂对制品成型还有一定的影响，特别是对于结晶性树脂，其影响更为明显。填料填料的增加虽然可以提高制品的冲击强度和断裂伸长率，但却会降低制品的拉伸强度和弯曲弹性模量，大量加入时还会降低成型性能，磨蚀设备，影响制品表面光泽。填料的粒度大小对制品的力学性能也有很大的影响。塑料波纹管壁薄，管模间隙小，机头阻力大，一般不宜在配方中加入影响物料流动性能的填料，但是为了提高波纹管的刚性和强度，同时降低生产成本，常选用经过处理的活性碳酸钙或酞酸酯偶联剂处理的碳酸钙作为填料[1]。其他助剂在波纹管的生产中，特别是双壁波纹管，要求具有很高的冲击强度，故大多采用在配方中加入冲击改性剂的办法。冲击改性剂的加入可以提高制品的冲击强度、断裂伸长率等韧性指标，但拉伸强度、弯曲弹性模量等刚性指标下降。2.2生产设备生产塑料波纹管的设备有挤出机、机头或模具、波纹成型装置及其他辅助设备等。2.2.1挤出机生产塑料波纹管的挤出机有单螺杆挤出机和双螺杆挤出机。一般只有在生产PP、PE、PVC单壁波纹管以及生产PE、PP双壁波纹管时使用单螺杆挤出机。单螺杆挤出机在混合效果及输送效果塑料波纹管挤出缺陷分析及对策.indd83塑料波纹管挤出缺陷分析及对策.indd832008-4-2823:08:392008-4-2823:08:3984塑料波纹管挤出缺陷分析及对策84方面均不及双螺杆挤出机，但其成本较双螺杆挤出机低得多。现在一般都采用双螺杆挤出机，双螺杆挤出机是靠两螺纹啮合的位移原理输送物料，没有压力回流，可直接由粉料挤出波纹管，省去了造粒工序，节省了费用。另外，粉料的加入量是靠液压无极变速器调节的，可以保证成型时熔体压力、制品截面尺寸的长期稳定性。作为塑化、输送物料和提供成型压力的挤出机决定着物料的塑化效果、混合程度、温度的均匀性和挤出压力的稳定性等。塑化效果对制品的内在质量和外观光泽均有很大的影响；混合程度会影响制品各点的性能均匀性；挤出物温度不均匀，容易使制品尺寸不均、变形，甚至造成局部过热分解，降低制品的性能；挤出压力的波动会引起制品的尺寸波动、生产不稳定，甚至出现制品被卡死或被拉断的现象。2.2.2机头或模具波纹管挤出机头与普通管材机头结构相似，只是波纹管机头口模间隙小，口模长厚比大，另外还有一段加长但不加热的口模。图1为典型的双壁波纹管机头结构图。从图1中可以看出，双壁波纹管机头比较复杂，其管壁流道特别长，间隙也特别小，在挤出成型中不但物料的热稳定性要好，而且内外润滑剂的配比与剂量都要合适，尽量避免熔体破裂[5]。1-多孔板；2-机头体；3-分流体支架；4-中套；5-压盖；6-外口模；7-外芯模；8-内口模；9-内芯模；10-加热器；11-压缩空气通孔；12-内分流体；13-外分流体图1双壁波纹管机头结构Fig.1StructureofSWCPdiehead机头主要使熔融塑化的树脂在一定的压力下成型为所需要的截面形状，它决定着制品的外形尺寸、公差和表观质量，影响制品的物理力学性能、生产效率和操作的稳定性。如机头分流支架设计不合理会造成熔接痕，并影响熔接处的强度；机头内流道不平滑易造成物料分解；机头压缩比过大会造成物料流动不畅、易过热分解；压缩比不足会造成制品密实性和强度差、熔接痕难以消除等。机头芯模和口模的间隙及同心度对制品的壁厚均匀性有很大影响。所以机头的结构设计是否合理将对管材表面质量产生重要的影响[6]。2.2.3波纹成型装置波纹成型装置主要由成型模具、传动装置和控制系统三部分组成。成型模具是由数十对哈夫定型模块组成，对开的方式可以是上下的，也可以是水平方向的。定型模块以履带式分别固定在两条传动带上，当传动装置带动模具转动时，上下（或水平）模块重复进行开合动作。模块闭合构成圆形管子的成型腔，模块打开可以使制品脱模。图2为波纹成型模块工作运行示意图。从图2中可以看出，波纹成型装置同时具有成型波纹和牵引管材的作用[7]。波纹成型装置的关键就是成型模块运行轨道的确定。先获得精确的波纹成型轨迹，然后按照这一轨迹组合模块，从而能够使成型装置正常工作，以达到最终的质量要求[8]。当变化产品规格时，可以更换相应规格的定型模块。图2波纹成型模块工作运行示意图Fig.2Sketchdrawingofcorrugatedmoduleworking在波纹成型过程中，成型模块的配合精度、波形设计对波纹管的外观和力学性能均有重要影塑料波纹管挤出缺陷分析及对策.indd84塑料波纹管挤出缺陷分析及对策.indd842008-4-2823:08:402008-4-2823:08:40852008年5月第36卷第5期（总第193期）塑料波纹管挤出缺陷分析及对策响。成型模块配合精度差、有微小的错位或不规则、传动装置中模块的推移或链条的节距因误差积累等都会使波纹管的形状改变，产生错纹。另外，管材的波纹设计将影响环刚度、环柔性和冲击强度等力学性能指标，好的波形结构设计可获得优异的力学性能。2.2.4辅助设备辅助设备包括混料系统、振动筛、定长切割机、扩口机等。对于波纹管来说，混料完的干混料必须过筛。因为在混料时，高速搅拌机不可能将原料中的水分及挥发物完全排干净，混料时有黏锅现象并形成一些锅垢，锅垢在挤出时不易塑化，造成管材被吹破，影响管材的强度。同时也应防止混合时焦粒进入挤出机而发生分解反应，影响制品表面质量。另外，筛孔数目及大小要适中[9]。2.3工艺控制挤出工艺参数的设计和控制直接影响制品的质量和生产效率。通过三维模拟挤出工艺过程，可以优化工艺参数，避免制品缺陷的形成[10]。波纹管生产工艺参数有挤出温度、加料速度、螺杆转速、机头压力、吹胀压力、牵引速度等。在诸多工艺参数中，加料速度、螺杆转数及牵引速度必须相互匹配，挤出温度的控制、吹胀压力的平衡稳定控制对波纹管的生产质量至关重要。2.3.1粉料的配制由于是由粉料直接挤塑得到产品，因此，粉料的配制就显得特别重要。配料时不但要求剂量准确，各种添加剂的加料顺序也非常重要。另外在高速捏合时要控制最终排料温度[11]。在控制混料温度的同时，还必须保证