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[擠塑工序] FRPE擠出工藝探討
P:2012-02-25 17:00:00
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無鹵阻燃聚烯烴護(hù)套材料擠出工藝探討
陳德華 成都卡倍億汽車電子技術(shù)有限公司
摘 要
據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界發(fā)生的火災(zāi)絕大部分是與電線電纜有關(guān)（包括電纜本身質(zhì)量、外部環(huán)境以及使用情況），所以，世界各國(guó)對(duì)各種類型室內(nèi)電纜的阻燃要求越來越高，特別是鋪設(shè)在人群聚集場(chǎng)所（如娛樂場(chǎng)所、大型商場(chǎng)、火車站、汽車站）或重要設(shè)備（如程控交換設(shè)備、發(fā)射塔）中的電線電纜，同時(shí)，為了保證火災(zāi)發(fā)生時(shí)現(xiàn)場(chǎng)人員能順利脫險(xiǎn)以及保護(hù)救險(xiǎn)人員的生命安全，對(duì)電纜燃燒時(shí)產(chǎn)生氣體的煙密度和酸性（PH值）也提出了越來越多的要求。為了解決鋪設(shè)在以上環(huán)境中電纜的各項(xiàng)要求，從上世紀(jì)九十年代開始，電纜材料廠家就逐步開發(fā)出了各種阻燃型電纜護(hù)套材料產(chǎn)品。采用無鹵阻燃聚烯材料用于戶內(nèi)電纜護(hù)套的電纜產(chǎn)品越來越多，無鹵阻燃聚烯材料具有除氟塑料等外最好的阻燃性能，同時(shí)，因?yàn)椴缓u素元素，在發(fā)生火災(zāi)時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生令人窒息的煙氣，不會(huì)造成二次傷害。所以，該材料在線纜上得到了大量運(yùn)用。YD/T886-1997(無鹵阻燃成端電纜)標(biāo)準(zhǔn)中附錄B對(duì)無鹵阻燃護(hù)套材料主要技術(shù)指標(biāo)要求如下表1。
在該材料生產(chǎn)的電纜產(chǎn)品的護(hù)套測(cè)試中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)無鹵阻燃聚烯烴護(hù)套老化后機(jī)械物理性能不合格的情況，即使同一批材料，不同的設(shè)備或擠出工藝稍有變化生產(chǎn)出來的電纜產(chǎn)品的護(hù)套機(jī)械物理性能測(cè)試結(jié)果都會(huì)差別較大，所以擠出無鹵阻燃聚烯烴材料的設(shè)備和擠出工藝對(duì)最終產(chǎn)品的機(jī)械物理性能影響極大。本文即是從無鹵阻燃材料的配方、對(duì)擠出設(shè)備的要求、生產(chǎn)過程中的工藝控制以及測(cè)試等方面進(jìn)行分析，并結(jié)合成都普天電纜股份有限公司生產(chǎn)無鹵阻燃聚烯烴護(hù)套的經(jīng)驗(yàn)，為無鹵阻燃聚烯烴護(hù)套的擠出工藝進(jìn)行了介紹，旨在與相關(guān)人員相互學(xué)習(xí)，共同探討。
關(guān)鍵詞：阻燃劑 配方 設(shè)備 工藝 測(cè)試
表1.無鹵阻燃聚烯烴護(hù)套料的主要技術(shù)指標(biāo)
序號(hào) | 項(xiàng)目 | 單位 | 技術(shù)指標(biāo) |
1 | 拉伸強(qiáng)度 中值 老化前 100℃，7天老化后 拉伸強(qiáng)度變化率 | MPa MPa % | ≥10 ≥10 ≤20 |
2 | 斷裂伸長(zhǎng)率 老化前 100℃，7天老化后 斷裂伸長(zhǎng)率變化率 | % | ≥150 ≥125 ≤30 |
3 | 高溫壓力變形率 100℃，1kg | % | ≤20 |
4 | 低溫脆化溫度 失效數(shù) | ℃ 個(gè) | -15 0/10 |
5 | 體積電阻率 | Ω·m | ≥1×1012 |
6 | 氧指數(shù) | % | ≥35 |
7 | PH值 導(dǎo)電率 | -- Μs/mm | ≥4.3 ≤10 |
8 | 毒性指數(shù) | ≤3.0 |
一、 無鹵阻燃聚烯烴護(hù)套材料的配方及主要性能
無鹵阻燃聚烯烴電纜料都是以EVA、LDPE為基料，阻燃劑通常以Mg(OH)2、AL(OH)3為主，再輔以SbO2阻燃劑，主要起協(xié)同作用，以減少Mg(OH)2、AL(OH)3的用量來改善材料的相容性、分散性、抗沖擊能力，此外，還必須添加提高材料斷裂伸長(zhǎng)率和抗張強(qiáng)度的偶聯(lián)劑。燃燒時(shí)，阻燃填充劑Mg(OH)2、AL(OH)3會(huì)釋放出結(jié)晶水，吸收大量的熱量，與此同時(shí)，脫水反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生大量的水蒸汽，它可以稀釋可燃性氣體，從而阻止燃燒，另外還會(huì)在材料表面形成一層不熔不燃的MgO、AL2O3，阻斷了電線電纜絕緣或護(hù)套與外界的熱氧化反應(yīng)的通道，最終導(dǎo)致材料阻燃、自熄。
無鹵阻燃聚烯烴材料典型的配方如下表2：
表2.無鹵阻燃聚烯烴護(hù)套料典型配方
成分名稱 | 重量份數(shù) | 成分名稱 | 重量份數(shù) |
EVA | 50 | Mg(OH)2或AL(OH)3 | 170 |
LDPE | 30 | 相溶劑 | 6-20 |
增效劑 | 2 | 穩(wěn)定劑 | 0.8 |
該配方材料的主要性能能達(dá)到表1要求的性能。
refractive index distribution - 折射率分布 （0） 投訴
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一、 無鹵阻燃聚烯烴護(hù)套材料的擠出設(shè)備和工藝
由于無鹵阻燃聚烯烴護(hù)套材料中不熔Mg(OH)2、AL(OH)3的含量多大60%以上，使得其在塑化溫度下具有比聚氯乙烯、非阻燃及含鹵阻燃聚烯烴材料更高的粘度，這一特點(diǎn)導(dǎo)致了低煙無鹵阻燃聚烯烴護(hù)套材料在擠出設(shè)備和工藝與其他材料有所不同。
1. 擠出設(shè)備
1.1螺桿
低煙無鹵材料的擠出設(shè)備長(zhǎng)徑比一般為20-25，但相比較而言，螺桿長(zhǎng)徑比為20擠出設(shè)備擠出的護(hù)套表面更光滑，這是因?yàn)榈蜔煙o鹵阻燃聚烯烴材料中高填充量的Mg(OH)2、AL(OH)3在長(zhǎng)徑比為25螺桿中停留、受熱的時(shí)間更長(zhǎng)，受熱分解的可能性更高而影響護(hù)套表面質(zhì)量，同時(shí)因?yàn)樽枞紕┖枯^高，增加了材料與螺桿及機(jī)膛間的摩擦力。螺桿壓縮比、螺槽深度、螺旋升角、螺桿與機(jī)膛間隙等而言，壓縮比越大、螺槽深度越深、螺旋升角越小、螺桿與機(jī)膛間歇越小等對(duì)無鹵阻燃聚烯烴材料在螺桿中承受的剪切作用和摩擦力就更大，產(chǎn)生的摩擦熱也更大，容易引起無鹵阻燃聚烯烴材料的熱分解。所以，阻燃聚烯烴材料的擠出設(shè)備主要螺桿參數(shù)為：螺桿長(zhǎng)徑比20-25；壓縮比1-1.5。我公司選用的就是所謂阻燃聚烯烴專用螺桿（也稱低功螺桿），長(zhǎng)徑比為24，壓縮比為1.16。
1.2加熱及冷卻系統(tǒng)
由于阻燃聚烯烴塑料中加入了大量的阻燃劑，所以對(duì)擠塑機(jī)的加熱和冷卻系統(tǒng)提出了更高的要求，如果溫度過低的話，會(huì)導(dǎo)致阻燃聚烯烴擠出困難，擠出壓力過大，擠出護(hù)套表面粗糙無光澤；溫度過高，會(huì)導(dǎo)致阻燃劑分解，擠出護(hù)套出現(xiàn)氣泡或變色現(xiàn)象。同時(shí)，由于阻燃聚烯烴中阻燃劑加入量大，在機(jī)膛擠出過程中，會(huì)產(chǎn)生大量的摩擦熱和剪切熱，導(dǎo)致阻燃聚烯烴溫度持續(xù)升高，為了避免溫度過高導(dǎo)致阻燃劑分解，必須對(duì)機(jī)膛和螺桿進(jìn)行冷卻。機(jī)膛一般采用風(fēng)機(jī)強(qiáng)吹風(fēng)制冷方式，螺桿冷卻一般采用往螺桿中心注冷卻液的方式。為了保證擠出護(hù)套的質(zhì)量，必須將擠出機(jī)各擠出段溫度精度控制在±
以下是我公司擠出FRPE護(hù)套的溫區(qū)設(shè)置：
螺桿直徑 | 溫度設(shè)置（℃） | ||||||||
φ65 | 一區(qū) | 二區(qū) | 三區(qū) | 四區(qū) | 五區(qū) | 六區(qū) | 七區(qū) | 八區(qū) | 溫水區(qū) |
110 | 120 | 130 | 140 | 155 | 155 | 155 | 150 | 80 | |
2. 工藝
2.1擠出模具及工藝配模
由于阻燃聚烯烴材料配方中加入了大量的阻燃劑，使得該材料的加工性能大大降低，擠出模具的選配也比一般材料更加嚴(yán)格。無鹵阻燃聚烯烴護(hù)套采用半擠管式模具，因?yàn)樽枞疾牧现凶枞紕┖枯^大，阻燃劑流動(dòng)性差，所以模芯外錐角不宜過大，選擇在25°左右比較合適，模套內(nèi)錐角也不宜過大，一般比模芯外錐角大15°左右較合適，同時(shí)模套內(nèi)錐角不得大于40°。模套定徑區(qū)長(zhǎng)度不得大于2mm，甚至可以不要定徑區(qū)。下圖是我公司采用的某一規(guī)格電纜的護(hù)套擠出模具。
根據(jù)纜芯大小，根據(jù)阻燃聚烯烴材料的組成成分，材料的拉伸性能較差，所以模具拉伸比K一般選擇在1.5以下，宜小不宜大。
K＝（D
模具平衡比M一般選擇在0.9～1.1之間，盡量靠近1。
M=( D
D
D
d
d
我公司采用下圖的模具拉伸比1.56，平衡比：0.97。
microprocessor-controlled extrusion plant - 微機(jī)控制的擠出設(shè)備,微處理機(jī)控制的擠出設(shè)備 （0） 投訴
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由于該材料中含有LLDPE等非極性結(jié)晶型材料，從機(jī)頭出來的塑料溫度在
�？谂c第一節(jié)水槽的距離
適當(dāng)調(diào)整機(jī)頭�？谂c第一節(jié)水槽間的距離，根據(jù)生產(chǎn)速度和第一節(jié)水槽水溫進(jìn)行調(diào)節(jié)，如果生產(chǎn)速度快或第一節(jié)水槽水溫低，可以適當(dāng)加大�？诤偷谝还�(jié)水槽的距離；如果生產(chǎn)速度較慢或第一節(jié)水槽水溫較高，則可以適當(dāng)減少�？谂c第一節(jié)水槽間的距離。
2.2.1熱水冷卻
但塑料從擠塑機(jī)機(jī)頭出來后，隨著熱量的散發(fā)，塑料溫度逐漸降低，但較室溫還是高出許多，此時(shí)還不能立即采用常溫水或冷水進(jìn)行冷卻，第一節(jié)水槽必須采用熱水進(jìn)行冷卻，熱水溫度應(yīng)盡可能高，一般不應(yīng)低于
2.2.2空氣冷卻
從熱水冷卻出來的電纜溫度進(jìn)一步降低，但較一般20℃常溫冷卻水還是高出許多，如果從第一節(jié)熱水槽出來的電纜直接進(jìn)入冷水冷卻，溫度驟降會(huì)導(dǎo)致護(hù)套材料中部分非極性材料結(jié)晶不完全，影響護(hù)套材料的機(jī)械物理性能和使用壽命。所以，從第一節(jié)熱水槽出來后，還需要將電纜在空氣中散發(fā)一部分熱量，降低溫度。根據(jù)生產(chǎn)速度和電纜在收線盤處的余溫情況，盡量增加空氣冷卻的長(zhǎng)度，以保證護(hù)套材料中非極性材料充分結(jié)晶。
2.2.3冷水冷卻
經(jīng)過一段空氣自然冷卻后的電纜護(hù)套外表溫度已經(jīng)與室溫比較接近，但由于護(hù)套有一定的厚度，護(hù)套表面的溫度已經(jīng)降下來了，但護(hù)套內(nèi)部的熱量還沒有散發(fā)完，為了將護(hù)套內(nèi)層的溫度也降下來，就必須采用冷水進(jìn)行冷卻。一般地，護(hù)套冷卻用水都是采用熱交換循環(huán)設(shè)備重復(fù)使用的。
2. 其他
3.1材料的干燥
現(xiàn)在塑料的包裝通常采用塑料膜加牛皮紙的方式，該包裝方式具有非常好的防潮性能。在擠出護(hù)套前，如果塑料包裝袋已經(jīng)開封或破損，必須對(duì)塑料進(jìn)行干燥，干燥溫度
我公司就曾遇到過這樣的情況：我公司采用的是本色FRPE材料加色母�；旌洗_定顏色的方式，在對(duì)混合好的材料進(jìn)行干燥時(shí)，因?yàn)闇囟冗^高，使得色母料中的EVA成分受熱發(fā)粘將FRPE材料粘結(jié)成團(tuán)的現(xiàn)象，如果發(fā)現(xiàn)不及時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致擠出機(jī)脫料的嚴(yán)重后果。
3.2 護(hù)套的機(jī)械物理性能的測(cè)試方法
對(duì)于護(hù)套老化前后機(jī)械物理性能的測(cè)試，應(yīng)嚴(yán)格按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行預(yù)處理。
筆者曾經(jīng)進(jìn)行過對(duì)比試驗(yàn)，下線后馬上進(jìn)行測(cè)試和放置24小時(shí)后再進(jìn)行測(cè)試，同一個(gè)樣品，護(hù)套的拉伸強(qiáng)度差異達(dá)到了1MPa。在進(jìn)行老化試驗(yàn)時(shí)，一定要嚴(yán)格按程序進(jìn)行，即先進(jìn)行老化，再進(jìn)行啞鈴試片的壓制工作，經(jīng)對(duì)比測(cè)試，先壓制啞鈴試樣再進(jìn)行老化后測(cè)試的結(jié)果和按標(biāo)準(zhǔn)程序進(jìn)行試驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果差值在3 MPa以上。所以，電纜護(hù)套機(jī)械物理性能的測(cè)試必須在護(hù)套生產(chǎn)完成后24小時(shí)以后再進(jìn)行測(cè)試，在老化性能的測(cè)試時(shí)，一定是在老化完成后再進(jìn)行啞鈴試片的壓制。
catenary control arm - 懸掛式控制臂 （0） 投訴
P:2012-02-25 17:02:40
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三 結(jié)論
按上述工藝進(jìn)行無鹵阻燃聚烯烴護(hù)套的擠出，經(jīng)送UL美國(guó)試驗(yàn)室測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如下：
序號(hào) | 測(cè)試項(xiàng)目 | 單位 | UL標(biāo)準(zhǔn)要求 | 測(cè)試結(jié)果 |
1 | 拉伸強(qiáng)度老化前 老化后保持率（100± | MPa % | ≥8.3 ≥75 | 12.1 124 |
2 | 斷裂伸長(zhǎng)率 老化前 老化后保持率（100± | % % | ≥100 ≥50 | 215 93 |
根據(jù)無鹵阻燃聚烯烴材料的配方，對(duì)材料進(jìn)行適當(dāng)?shù)母稍锾幚恚ǜ稍餃囟�、干燥時(shí)間）、選用合適的加工擠出設(shè)備（低功螺桿、低拉伸比擠出配模）、采用合理的擠出工藝（溫區(qū)合理設(shè)置，溫水冷卻）是生產(chǎn)滿足UL認(rèn)證產(chǎn)品的重要保證，同時(shí)，正確的測(cè)試方法（樣本的預(yù)處理和啞鈴試片的制作）才能保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確。
參考文獻(xiàn)：
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double accumulation block - 雙儲(chǔ)線鼓輪,雙層鼓輪 （0） 投訴
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