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挤出:如何调整聚合物的收缩率和方向

聚合物收缩并取向。有时方向不平衡,导致零件变形。但是,除了调整模具之外,还有其他步骤可以减轻这些影响。
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聚合物收缩,挤出机必须补偿这种影响,以满足其零件的尺寸和几何要求。虽然它’的确,大多数材料会收缩,聚合物会收缩更多。当然,它们由于热引起的正常热膨胀/收缩而收缩。

但是他们还有第二个收缩阶段,’在某些半结晶材料中(尤其是在无定形聚合物中)特别明显。半结晶聚合物的收缩率可以是无定形聚合物的六倍。在其松弛状态下,半结晶聚合物大部分在结构上排列,而无定形聚合物的取向始终是完全无规的。  

当熔融时,所有聚合物均处于无规状态。当冷却至其结晶温度以下时,结晶聚合物的有序结构开始形成。非晶态聚合物具有自然的无规链取向,并且在熔化后冷却时,需要较少的重新排列即可达到其松弛状态。另一方面,结晶聚合物必须显着重新排列以实现其重组和堆积以形成松弛的结构。结果,结晶聚合物在重新取向到其松弛状态时收缩更多。这也解释了非晶态聚合物从熔体到固态的密度变化小,而结晶聚合物的密度变化大得多。 

如果这种收缩效应解决了挤出冷却过程中发生的所有尺寸变化,加工商将 使用相对简单的方法来调整零件的尺寸变化。然而,在加工过程中,处于熔融状态的聚合物在冷却时会在熔融至半固态的状态下经受流致应力定向和机械拉伸。这导致分子结构变得与应力成比例。

为什么不快速冷却?

如果通过骤冷快速冷却,则聚合物倾向于保留一些取向的结构;反之亦然。聚合物链的流动性得到“frozen in.”但是,当此后受热时,即使将聚合物保持在足够低的温度下以降低分子迁移率,即使经过数年,所有聚合物最终仍将返回其松弛状态。这就解释了为什么挤出的零件可能不会长时间变形,但是当经受异常高的温度时会大幅变形。 

如果通过骤冷快速冷却,则聚合物倾向于保留一些取向的结构;反之亦然。聚合物链的流动性得到“frozen in.”

聚合物分子取向越多,最终将在该方向上发生更多的收缩。想象一下橡胶板仅在一个方向上拉伸。横向和纵向收缩率的差异是挤出零件中多少不平衡取向的可见指标。这可以通过切割试样,加热试样并测量相对收缩来确定。由于这种不平衡的压力’看到阳光在阳光下破裂的管子,呈波纹状的平板,变成椭圆形且不适合杯子的盖子以及弯曲和扭曲的型材并不罕见。都是由于取向不平衡和后加工收缩引起的。

由于下降的压降,剪切应力和零件的冷却速率不同,零件横截面的取向很少均匀。 

It’没有某种允许聚合物完全松弛的二次退火工艺,就不可能消除挤出零件的所有取向。通常的目标是使变化最小化,以便可以制造可用的挤出零件而无需其他步骤。有关不平衡方向的一些示例,请参见附图。 

处理器有时无法识别不平衡定向的影响以及如何应对。

在薄板的情况下,中间部分具有较高的通过模具的流动应力或方向,这是因为模具在中心处比边缘在挤压时更多。在整个板上均匀冷却的情况下,结果是中心的残留取向比边缘的残余取向更多,从而导致薄片在中间收缩更多。这导致两个边缘起皱以匹配中间部分的长度。

概要文件中存在类似情况。较薄的横截面会由于开孔较窄而在模头和回缩中看到更多的流致应力,从而导致该部分的定向更多。假设均匀的淬火冷却,较薄的横截面比取向较小的圆形横截面收缩更多。这会导致零件在寻找其松弛状态时变形。

对抗不平衡的方向

处理器有时无法识别不平衡定向的影响以及如何应对。结果,他们倾向于进行模具调整,但收效甚微。低于玻璃化转变温度(Tg)时不会发生松弛,但是许多最有用的半结晶聚合物的玻璃化转变温度都远低于室温(见表),因此它们会无限期地继续松弛(收缩),直到达到平衡为止结构体。对于高度定向的零件,不平衡收缩率可能高达50%,从而产生一些严重的变形甚至破裂以减轻应力。 

最大的问题是,如果零件快速淬火并在加工后保持凉爽,则这种变形可能会在几天,几周甚至几个月后才会出现。

改变零件的几何形状通常不是解决不平衡方向的选择,因此必须更改操作条件。在大多数情况下,简单地降低冷却速度和减少压降将减轻很多不平衡。对于更困难的情况,可能需要分区冷却,在高度定向的区域中进行额外加热,中断冷却阶段以实现热均质化,最后需要进行二次退火步骤。 

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