5.6 解决问题的行动策略

OPERATIONAL STRATEGIES FOR PROBLEM-SOLVING

本节的目的并不是对如何操作挤出生产线进行一般性回顾，因为这肯定超出了本书的范围。相反，本节旨在为加工商提供一些一般性指导，使其了解如何采取可行的实际行动，以适应挤出物的尺寸、形状或表面质地、聚合物特性、产出率等方面的变化，这些变化是在操作特定挤出生产线时发现的。

正如本章所强调的，混合物特性、设定温度、流速（或压力）、挤出物的机械/物理性能和形状以及挤出机头的几何形状之间存在独特的相关性。尽管如此，有意调整模头几何形状或加工条件可以提高生产线的生产灵活性，尽管最终会降低挤出物的性能。因此，工程师必须有能力有效地设置挤出生产线，以生产特定的型材，并克服由于模头设计不当或设备长期使用造成的磨损而导致的性能困难。此外，工程师还必须能够在加工材料、生产形状和达到产量方面延长模头的使用寿命。在每种情况下，都可能需要采取几种可能的措施，首先是操作条件方面的措施，其次是模头尺寸或几何形状方面的措施。每种措施都会产生不同的效果和相互作用，这些效果和相互作用对预期目标可能有利，也可能有害，其程度也可能大于或小于主要反应。

要解决与挤出有关的问题，需要在成型工具的上游和下游操作工作参数。熔体质量不稳定和熔涌等异常现象通常是由于使用了不合适或磨损的螺杆、电气故障或喂料困难造成的。薄膜起皱和光学缺陷非常常见，可能是由于冷却不均匀或收卷机问题造成的。不过，鉴于本章的性质，这里只讨论与模头性能和操作有关的问题。因此，似乎应该回顾一下之前介绍或讨论过的一些概念，因为它们与实际操作特别相关。

正如公式 (5.1) 中用非常简单的数学语言表述的那样，产量、压降、流道几何形状和熔体流变之间存在着某种关系。换句话说，改变挤出机螺杆速度、机筒/机头设定温度和机头几何形状（通过扼流杆、定心螺栓或模头）都会影响流道条件。这要么是有害的，要么是有益的，分别取决于它是否会造成工艺过程的不稳定，或者是否会被用来采取有利的纠正措施。

在实际操作中，我们可以假设挤出头进口横截面处的压力是均匀的，而模头出口处的压力是大气压（或零压）。在芯模和异型模的情况下，这种压降产生的相应流动主要是一维的。在其他几何形状中，流动主要是二维的。如果将整体模头流道假定划分为各种平行几何形状，其流动更为简单，并再次考虑方程 (5.1)，则局部速度场取决于聚合物流变学和基本几何形状（局部横截面和流道长度）。温度场的变化（意外或故意）肯定会改变各种局部阻力。改变基本几何形状也能达到同样的效果。扼流条和定心螺钉可对沟道横截面进行局部调整。整个模槽宽度上的长度差异也会产生类似的效果。因此，前两个参数可在运行情况下随时使用，而后一个参数则必须在模头设计阶段使用。

尽管存在一些固有的不稳定性，但可以假定单螺杆和双螺杆塑化挤出过程是稳定的，模头入口和出口条件恒定不变。这意味着，在芯模和异型模中，大部分横向流动将发生在工艺的早期阶段。事实上，这些模头的设计和操作大多只考虑纵向流动。然而，由于不同的流动条件（温度、速度曲线），非等温效应会在模头的每个分段产生不同的影响。在这种情况下，局部轴向压降曲线会受到影响，产生横向压降分量（其重要性随模头长度而变化），从而产生横向流动分量。这将改变相对出口速度和停留时间，并可能导致流动性降低（尤其是当横向流道呈现阶梯状或突然变细时，而轴向通常不会出现这种情况）。这个问题在生产壁厚在宽度上不均匀的型材时尤为突出。

无论挤出型材的轮廓和相对厚度如何，整个模唇宽度上的平均出口流速都应保持一致，以防止挤出型材卷曲和扭曲，或出现不均匀的拉伸（包括残余应力和随后在使用过程中的变形）。事实上，这并不完全正确，因为在局部剪切率或停留时间不同的情况下，可能会获得恒定的出口平均速度，这将产生局部不同的挤出物膨胀，从而导致挤出物平均速度略有不同。因此，必须在挤出物膨胀已接近最大值、拉伸效应变得至关重要时，在远离挤出模出口的地方实施所需的整个宽度边界的均匀平均速度条件。然而，由于很难补偿挤出物形状的变化和纵向速度的相应变化，因此可以将初始条件作为一个良好的第一近似值。

上述两个概念说明了轴向分流器的潜在作用。这些壁显然可以防止横向流动的发展，从而促进模头出口平均速度的平衡。然而，由于速度分布的局部变化，流动阻力也会增加，特别是在任何两个相邻流动横截面之间的界面处。其他分流器，如蜘蛛网和穿孔环，必须对其轴向剖面进行精心设计，并相应设定温度，以尽量减少流动停滞和聚合物降解的可能性。如前所述，应促进各种单独流线的焊接，以避免挤出物表面出现波纹和波浪线。

表 5.2 操作和几何变量对模头内流动条件的影响

Parameter	Effect
Non-uniform exit velocity across the width	●Extrudate curling, twisting, rippling ·Non-uniform drawdown, resulting in residualstressesintheextrudate
Non-uniformexitflowthickness across the width	·Non-uniformtranversalextrudate thickness before and after swelling ·Non-uniform exit velocity across the width (see above)
Flow thickness varyinglongitudinally (tapers, steps, choker bars)	·Significant extensional effects, with possible melt fracture, and contribution toextrudateswell ·Flow acceleration along the taper,with velocity instabilities at the entrance and
Flow thickness of length varying transversely	exit of the taper ·Possibility of stagnation points and corresponding material degradation ·Relatively large pressure drop ·Pressure drop or flow rate varying transversely (thus extrudate curling,
	twisting and rippling) ·Non-uniform residence time and relaxation(affecting degradation and extrudateswell) ·Differences in shear heating, promoting transverse flow
Set (and melt) temperature varying transversely	·Transverse components of flow ·Non-uniform extrudate swell and surfacefinish ·Non-uniform shear heating effects ·Possibility of material degradation ·Pressure drop or flow rate varying transversely (thus, extrudate curling,
Transverse flow	twisting and rippling) ·Non-axial exit velocities · Changes in the relative exit velocities and swelling ·Distortionof the extrudatesection ·Possibility of stagnation points and corresponding material degradation

每种聚合物、混合物或化合物都有一个典型的实际操作窗口和特定的能耗，这与加工设备的类型和相对大小以及所生产的型材有关。聚合物生产商建议的加工温度通常是在适当的流变性、预期产量、能耗和热稳定性之间的折衷方案。在一定的剪切应力（或相应的表观剪切速率）下，流变缺陷（即鲨鱼皮和熔体断裂）是不可避免的，只能通过调整螺杆速度、模头间隙或熔体温度来避免。然而，考虑到这些变量的次要影响，可能性是有限的。压模中的总压降是对加工强度的相对测量。低值可能意味着熔体均匀度低或令人担忧的低产出，而高压降则与粘性耗散的显著贡献有关。在这种情况下，不仅熔体温度的控制会出现问题，还可能导致聚合物过早降解。

研究特定挤出生产线的运行效率时，应依次评估：模头入口处的流动条件（压力、温度、熔体质量及其稳定性）；模唇处的流动条件（整个宽度的出口速度、熔体温度、挤出物表面质量和挤出物尺寸）；以及生产线末端的挤出物特性。

表 5.2 总结了一些操作和几何参数对模头内部流动条件和随后挤出物特征的影响，如上所述。表 5.2 概括了一些操作和几何参数对模头内部流动条件的影响，以及对随后挤出物特征的影响，为模头操作条件的偶然和有意调整提供了一般指导。尽管该表具有一般性质，但它对挤出管材和型材具有特殊意义。在实践中，每种挤压工艺都面临着典型的问题，加工人员有时每天都在努力解决这些问题。例如，规格变化可能是吹膜和流延膜生产中最大的生产问题。尽管这些困难与表 5.2 中确定的参数的影响有关，但表 5.3 列出了一些最常见挤出工艺（吹膜挤出、流延膜、管材和型材挤出）的更实用的故障排除指南。表 5.3 列出了每种工艺最常见的问题（可能与模头性能有关）、可能的原因和可能采取的措施。

表 5.3 吹膜、流延膜、管材和异型材挤出模相关问题的故障排除

问题	原因	解决办法
Blown film extrusion
挤出圆周上的厚度变化	Erratic melt quality	·Checkscrewdesign and/or wear · Check set temperatures · Check heaters and
	Surging or feeding inconsistency	thermocouples · Check screw wear · Check material in hopper · Check regrind percentage
	Dirty die	·Clean die (check for obstructions atthedielips)
	Inadequate die-bolts adjustment	·Readjust
	Misaligned die/air ring	· Centre die to nip rolls · Centre air ring to die
	Leaky die Temperature fluctuations	· Check seals · Check heaters and
	at the die lips Poor air flow distribution	thermocouples · Check set temperatures · Check and clean air ring
Lines, streaks and	in the air ring
foreign specks	Dirty die Scratched die lips	· Clean die (check for obstructions at the die lips)
	Inadequate die-bolts adjustment	· Repair, or replace die lips ·Readjust
	Contaminated melt flow	· Check compound · Change filters
	Melt flow too hot Welding lines	·Reduce set temperatures ·Increasemelttemperatures
Sharkskin, melt	Melt temperature too	· Use spiral mandrel die ·Increase the die lips’
fracture	low Friction at the die lips	temperature · Repair die lips’ coating
		·Modify formulation
Bubble instability/	Die gap too narrow Erratic melt quality	·Increase ·Checkscrewdesignand/or
irregular frost line		wear · Check set temperatures
		· Check heaters and
	Dirty die	thermocouples · Clean die (check for
		obstruction at the die lips)
	Excessive air ring velocity	·Reduce
		）·Increase
	Insufficient blow-up ratio
		Excessive melt temperature · Reduce set temperatures
		（Continued）

Table 5.3 (Continued)

Problem	Causes	Solution
Wrinkles	Misaligned die/nip rolls Non-uniform cooling and winding	● Align die to nip rolls · Check winder
Cast film extrusion
Thickness variations across the width	Erratic melt quality	· Check screw design and/or wear ·Check set temperatures · Check heaters and
	Surging or feed inconsistency	thermocouples · Check screw wear · Check material in hopper
	Inadequate die-bolts adjustment	· Check regrind percentage ·Readjust
Insufficient extrudate	Dirty die Insufficient die slot	· Clean die lips
width Lines, streaks and	Inadequate polymer rheology	●Adjust die deckles ·Check melt temperatures at the die
foreign specks	Dirty die Scratched die lips	· Clean die
	Contaminated melt flow	· Repair or replace die lips · Check compound · Change filters
Sharkskin, melt	Melt flow too hot Melt temperature too	·Reduce set temperatures
fracture	low	·Increase the die lips’ temperature
Wrinkles	Die gap too narrow	·Increase
	Flowfluctuations at die exit	·Adjust set temperatures
	Excessive winding	·Adjust die gap · Adjust line speeds
	tension	(increase tension gradually
	Non-uniform cooling	to winder) ·Adjust casting unit
	Misaligned casting unit	operation · Verify rolls alignment
Webtear-off	Flow fluctuations at die	· Check material in
	exit	hopper
		·Adjust set temperature
Melt temperature too low	Dirty die	·Adjust die gap · Clean die lips ·Increase set temperatures (Continued)

Table 5.3 (Continued)

Problem	Causes	Solution
Pipe and profile extrusion
Wavy inside surface	Melttemperaturetoolow Low lubricant level	·Increase settemperatures ·Correct formulation · Check caterpillar
Excessive extrudate thickness	Pulsating drawdown Inadequate die gap adjustment Inadequate operating	· Adjust or replace die Adjustsettemperatures,
	conditions Profile slippage at the caterpiller Dirty die	and/or drawdown ratio · Check pulling force · Dry profile before reaching the caterpillar
Line, streaks and foreign specks	Scratched die lips Drag plug (pressure cali-	· Clean die (check mandrel) · Repair die
Sharkskin, melt	bration)too close to	· Correct drag-plug location
die Excessive melt	·Reduce set temperatures
temperature
Contaminated melt flow	· Check compound · Change filters
fracture	Melt temperature too	·Increase the die lips’
low Friction at the die lips	temperature · Repair die lips’ coating
	·Modify formulation
Extrudate velocity with a transversal component	Die gap too narrow Unbalanced exitflow	·Increase ·Modify die land geometry
Temperature fluctuations in die	· Check heaters and ther- mocouples
Dirty die	· Check set temperatures · Clean die