利用壓力控制提高單螺桿擠出中的加工穩定性

文/ US EXTRUDERS公司 KEVIN SLUSARZ

利用壓力控制反饋可以提高擠出加工的穩定性，這種加工穩定性是基于擠出機后適配器內的壓力變化。在多種聚合物上的試驗顯示了這種方法的有效性。

提高加工穩定性對于最終產品滿足嚴格的公差要求至關重要。通常，如果擠出機不能提供公差足夠小的熔體，就要向系統中添加一個熔體泵。如圖1 所示，熔體泵是一個定容裝置，擁有兩個由電動機驅動的相互嚙合的齒輪。熔體流入入口，進入齒輪的一個齒,繞到齒輪外面，然后，當齒嚙合時被擠出泵外。對入口壓力的控制，可以通過對擠出機的螺桿轉速作出輕微的改變來實現。

在壓力控制的情況下，控制器會做出相同的調整來控制下游適配器的壓力，如圖2 所示。擠出機下游的壓力傳感器被用于壓力控制?？刂破?，不管是離散的還是基于PLC 的，將通過在極高的頻率下做最小的速度變化來調整擠出機的螺桿轉速以保持壓力。由于螺桿轉速的變化不到2 r/min，因此對聚合物熔體溫度的影響很小。通過螺桿轉速的階躍變化來計算聚合物對轉速變化的反應，即可自動調整PID 參數，這是用熔體泵做不到的。

加工穩定性是在擠出機后通過在適配器中測得的壓力變化來定義的。在一個固定的限制條件下，壓力的變化與輸出速率的變化有關（假設熔體溫度固定），這可以通過壓降與輸出速率的基本方程來表示。利用這些方程式，并用冪律方程計算黏度，可以將下面的方程式發展為：

Q ∝ (P/η)1/n

ΔQ=1/n (ΔP)

Q 是輸出速率，P 是壓降，n是冪律常數。

因此，如果ΔP 最小化，輸出的變化將最小化，因而可以提高加工的穩定性。利用目前的壓力控制器以及現代驅動和電動機的快速響應，可使測得的壓力變化最小化。

測試

采用一根壓縮率3:1 的計量螺桿，在一臺螺桿直徑0.75 in.（約19 mm）、長徑比24:1 的擠出機上進行測試，以檢驗加工穩定性的改善情況。如表1 所示，對4 種不同的材料進行了評估。

表1 材料性能

所有的試驗都是在50 r/min的固定螺桿轉速和350 °F（約176.7 ℃）的固定溫度下進行的。針對每種材料的加工，都是達到穩定狀態為止，這時，壓力控制器會自動調整，直到與每種樹脂相適應。一旦計算出 PID 參數，即可在沒有壓力控制的情況下加工材料5 min，然后開啟壓力控制繼續運行5 min，最后關閉壓力控制再運行5 min。

每個步驟的壓力、壓力變化和螺桿轉速都會得到測量，這組數據如圖3 至圖5 所示。對于1 200 MFR PP 材料而言，自動調節程序不能為其開發出PID 參數，這是因為這種材料的黏度很低，不會對輕微的螺桿轉速變化產生有效的反應。

結果

3 個測試的結果見表2。數據顯示，壓力變化可以減少20%～40%，這種減少很大程度上取決于材料和黏度特性，意味著黏度非常低的材料可能無法從這項技術中受益。這些控制器可以在市場上買到，并且可以自動調節,而為熔體泵確定PID 則必須手動調節。壓力控制是一個很好的選擇，消除了對熔體泵的需要。

表2 擠出測試數據

取消熔體泵的好處包括取消了電動機、驅動、泵和入口適配器，結果是減少了維護保養，所用的適配器可以更短，減少了停機時間。對于螺桿直徑較大的擠出機而言，還需要做更多的工作，這是因為，在給定螺桿轉速下，剪切速率較高，導致相對于螺桿轉速，對熔體溫度的影響較大。