如何估算和控制机头压力

文/ Frankland Plastics Consulting公司Jim Frankland

挤出加工商们时常被熔体温度问题所困扰，但却可能忽视机头压力。事实上，二者是密切相关的。

对挤出加工商们来说，机头压力似乎不是一个大问题，但他们却常常被熔体温度所困扰。事实上，机头压力与熔体温度关系密切。在敞开出料时，熔体温度仅是挤出机的一个应变量，由螺杆设计、螺杆转速、螺杆的L/D比、聚合物性能、螺杆与机筒状态以及机筒的加热/冷却效率来控制。它可以说是一个基准温度，需要通过改变上述的一个或多个变量来对其进行调节。

不过，当机头压力施加到挤出机末端时，随着压力的增大，熔体温度会从这个基准温度开始，非线性地升高。这是压力流的级联效应而导致的。简单来说就是：随着机头压力增大，螺杆的挤出量降低；当螺杆继续旋转而挤出量变小时，通过剪切应力进入聚合物的能量会增加；增加的能量会导致熔体温度升高、聚合物黏度降低；这进一步增加了压力流并降低了挤出量。

因此，熔体温度与机头压力相关，高熔体温度和高机头压力会导致产量下降，功率需求变大，对下游冷却的需求也增多，甚至会降低聚合物性能。如果这个问题没有得到足够的重视，而是随意处理一下，可能会增加成本，影响整个系统的性能。

熔体泵能使机头压力远低于全机头压力（full head pressure），从而可以在很大程度上校正这种效应带来的影响。不过，由于填料的使用，以及存在聚合物降解和污染的可能，因此许多工艺不允许使用熔体泵。对于这些应用，下游模具的设计对生产线的性能和盈利能力非常关键。但不幸的是，机头压力对选择下游组件的重要性以及对整个工艺产生的影响总是被忽视。

其实，通过适当的设计可以精确地估算和控制机头压力。这其中涉及的主要内容很简单，如限制合流芯和流管的长度，适当调整换网器的尺寸，针对聚合物的性能来设计模头，根据预期的挤出量适当调整所有流道的尺寸，以及下游组件的适当加热。

对于常见的圆形流道、狭缝型流道以及环形流道来说，有简单的牛顿公式可以用于估算机头压力（如表和图1中所示）。不过，需注意的一点是，要使用牛顿方程必须要计算出剪切速率，并在适当的温度下根据某一聚合物的剪切速率/黏度曲线来确定其黏度。牛顿的这一分析忽略了一些黏弹性效应，如壁上的黏性加热和流动形状变化时的入口效应。虽然这些是近似值，但用于设备选择足够了。

图1对于圆形流道来说，压力的增量（ΔP）与流道长度正相关，与流道的半径负相关；对于狭缝型流道来说，ΔP同样与流道长度正相关，而与流道的宽度和高度负相关；对于环形流道来说，ΔP与流道长度正相关，与环形的半径之和乘以半径之差的三次方负相关

表 不同形状的流道所产生的压力降和剪切速率

图2 流道壁处的剪切应力需要足够大，以确保壁附近的材料持续更新，避免在壁上结垢或形成静态层。模具设计师有自己的偏好，但剪切应力一般为10 psi（0.00689 MPa）

从表中可以看出：

1.对于圆形流道来说，压力的增量（ΔP）与流道长度正相关，与流道的半径负相关，即流道越长，ΔP越大，而流道半径越大，ΔP越小。

2.对于狭缝型流道来说，ΔP同样与流道长度正相关，而与流道的宽度和高度负相关，即流道越长，ΔP越大，流道的宽度和高度越大，ΔP越小。

3.对于环形流道来说，ΔP与流道长度正相关，与环形的半径之和乘以半径之差的三次方负相关。

因此，为了使机头压力最小化，流道应尽可能的短且截面应该尽可能的大。但是，这种“尽可能的大”有一定的限制。

在挤出过程中，流道壁处的剪切应力必须足够大，以确保壁附近的材料能持续更新，实现良好的清洁作用，避免结垢或形成静态层（如图2所示）。

不同的模头设计师首选的应力水平会有所区别，但比较常用的值约为 10 psi（0.00689 MPa）。如果流道壁上的剪切应力太低会造成流动不稳定以及挤出物停留时间的显著差异，这会使挤出物的温度存在明显差别。如果是热敏性聚合物，靠近壁的一层甚至可能降解，所以控制壁上的剪切应力非常重要。其计算公式如下：

壁上的剪切应力=ΔP·R/2L

其中，R为圆形孔口的半径或狭缝开口（H）之间的间隙或是环形模头中的间隙（Ro－Ri）。

除了流道的长度、横截面面积以及流道壁上的剪切应力外，对下游模具进行适当的加热对于控制机头压力也非常重要。模具温度应尽可能接近熔体温度，这样可以防止在内壁结垢或形成更冷、更黏稠的聚合物静态层。这些问题会使流道变窄并导致压降增加。

总之，当需要组装一条新的挤出生产线时，应在估算挤出量和冷却时，考虑来自模头的机头压力的影响。而这一压力值的计算是通过最小化流道长度并调节流道横截面的尺寸，以确保流道壁上的剪切应力尽可能接近10 psi（0.00689 MPa）而实现的。