浅析聚四氟乙烯柱塞挤出工艺

摘要：

聚四氟乙烯（PTFE）以其自身诸多的优点正在不断满足各个应用领域的发展，已在航空航天、石油化工、机械、电子、医药等方面获得广泛应用。挤出机是PTFE制品成型中不可或缺的加工设备之一，在早期的塑料加工过程中，柱塞挤出机一直都是主要设备，而单、双螺杆挤出机的出现，使柱塞挤出机逐步被取代。但对于聚四氟乙烯而言，因其高粘弹性，若是采用螺杆挤出机进行加工，制品的使用性能会受到影响，所以柱塞挤出机仍不失为一种明智的选择。基于此点，本文就聚四氟乙烯柱塞挤出工艺进行浅谈。

关键词：聚四氟乙烯；加工工艺；质量

一、聚四氟乙烯的特点及传统加工工艺的不足

（一）聚四氟乙烯的特点

聚四氟乙烯英文缩写为PTFE，是由四氟乙烯聚合而成，属于人工合成的高分子材料，其最为典型的特点是抗酸碱、抗有机溶剂、耐高温、高耐候性、高性、不粘附等等，正是因为这些特点，PTFE又被人们称为“塑料之王”。目前，PTFE制品已经在多个重要领域内获得广泛应用，如化工、机械、电子、航天、桥梁、环保等等，其在国民经济发展中起到了非常重要的作用。

（二）PTFE传统加工工艺的不足之处

根据相关文献记载及大量试验表明，液压成型无法实现连续生产，生产效率低，适用于PTFE棒、板、套管等形状简单、批量小的制品生产；模塑成型随谈成型精度高，但其原料消耗大，也只适合生产批量小的大型阀门、泵等制品；虽然采用推压成型和螺杆挤出成型可以实现连续挤出生产，但是在挤出的过程中需要对PTFE进行改性处理或是加入适量的填充剂。经研究发现，对PTFE进行均聚改性处理会损伤其优异的性能，，而加入填充剂则会使PTFE某些方面的性能降低，这主要是因为树脂与填充剂之间为机械混合，经测试不论加入何种填充剂，都会导致PTFE的拉伸强度下降，从而严重影响其使用性能。

传统的柱塞挤出机虽然能够实现连续挤出生产，但在实际过程中，相邻锭料衔接部分的机械强度会降低，从而影响挤出质量。不仅如此，由于传统柱塞挤出工艺采用的都是大容量、低频率的液压式挤出机，该设备对于熔点较高的PTFE树脂需要相当长的加热时间，这样一来制品的加工周期便会加长，生产效率不易提高，成本也会随之增大。目前市面上有新兴的柱塞冲压式挤出机，该设备能够在不添加任何填充剂的前提下，以较高的生产效率实现PTFE制品的连续挤出，下面就此新型聚四氟乙烯柱塞冲压式挤出机挤出工艺展开进一步论述。

二、聚四氟乙烯冲压式柱塞挤出工艺研究

（一）柱塞冲压式挤出机的基本原理

柱塞冲压式挤出机采用双工位，以一根曲轴连接两套连杆机构，分别带动一个柱塞进行往复运动，这种设计方式极大程度地提高了生产效率，制品的生产成本也大幅度降低。该挤出机的设计主要利用了锻造的工艺原理，借助柱塞的往复运动将物料充分压入到机筒当中，并在剪切热和外部热源的共同作用下使物料在机筒内逐渐达到熔融状态，同时在压力的推动作用下使物料向口模处移动，最终物料经由口模被挤出成型。该挤出机的柱塞通常截面都比较小，而柱塞则以较高的频率和运动速度使物料在机筒内保持连续不间断地流动，这是该设备与传统柱塞挤出机最为明显的差别，各工作段的预成型品因树脂间及树脂与筒壁间的摩擦所产生出来的阻力，加之在口模烧结时由于体积不断膨胀而产生出来的阻力，使得多段预成型品在口模出口位置上实现了连续的挤出成型，由此获得的产品质量比较均匀，且表面基本无缺陷，最为重要的是提高了生产效率。

（二）柱塞冲压式挤出机的工艺流程

1.固体加料段。在该段，物料的选择是一个非常关键的因素，为了确保挤出质量，所用物料应符合以下条件：松密度较高、自由流动性较好，颗粒应具备足够的稳定性和硬度、原料的清洁性等。由于固体加料段分为粉料压实和固体塞流这两个过程，所以在对该段的生产过程进行描述时也应从这两个方面进行。①粉料压实。在该段内，当柱塞回退时，松散的物料受到重力的作用会自行落入到冲压室当中，而当柱塞逐步向前推进并开始对物料进行挤压时，散粒体便会随之被压实为密实的固体塞，这一过程实质上就是机械式柱塞挤压压力的产生过程。②固体塞流。当物料随着柱塞的持续向前推进，固体塞便会在冲头的作用下推动整个料筒内的物料向前推移。并且在这一过程中，固体塞会受到来自于后端的推压力和前端和阻力，从而储备了大量的能量。当柱塞达到最远的行程后开始迅速回退，此时物料便会将前面存储的能量释放出来，这样便可以继续向前推动物料移动。由于PTFE本身具有较大的蠕变性，当柱塞对其进行压下时，会因为变形而储存一定的能量，这部分能量会随着柱塞的回退逐渐释放出来，这一过程会循环往复。

2.熔融段。当固体塞前进时，会与筒壁形成摩擦进而产生出热量，再加上机筒外部的加热器，便会使固体塞的温度不断上升，从而使物料在这一过程中开始熔融并产生熔膜。物料的熔融一般都是由最接近筒壁的部分开始的，并由外向内逐渐熔融，随着物料的持续推进，熔模的厚度也会随之不断增大，此时固体塞的半径则会越来越小，直到熔体充满整个料筒截面为止。

3.分流段。通常管材模具的起始部分都会有一个分流锥，它的作用是使流经该部分的熔体形成薄环状，有助于加热和塑化并形成预定的管道。物料在流经此段时，在分流锥等装置的摩擦阻滞作用下，会使熔体建立压力，从而有利于密实制品的形成，并且物料在该段还会受到强烈的剪切作用，这在一定程度上加速了残留固态物料的熔融，物料在进入到下一段时便基本能够完全变成熔融状态。

4.熔体输送段。当物料进入该段时已完全成为熔熔融态，但压力存在一定的波动，PTFE熔体也仍旧存在一定的弹性，这是因为物料在前进的过程中始终处于储能到放能的循环过程中，以此来确保运动能够连续进行；随着物料的不断前进，压力的波动会变得越来越小，此时运动也渐趋稳定。由于柱塞冲压式挤出机采用了加长的口模设计，这样一来便有效延长了物料停留在口模内的时间，从而进一步提高了制品的均匀性和密实度。因为PTFE自身的熔点较高，所以在挤出时需要对口模进行加热，而加热段的长度会对挤出压力和速度造成一定影响，从而影响到挤出机的加工效率。按照有关试验结果显示，加热段越长挤出压力就越大，制品的物理性能就越好。然而，如果加热段过长，有可能使制品出现裂纹。为了解决这一问题，可将机筒的加热段分成三段，每一段均独立控制温度，并在机筒与电加热圈之间加入一个铝套，这样便可以确保机筒表面温度的均衡性。

5.冷却段。该段促使物料冷却定型，在这一过程中物料的温度可以降低在250℃以下，并且要满足物料挤出薄壁管时温度>200℃的要求。而后，被挤出薄壁管的管材要在空气中进行下一步冷却，控制好冷却的时间。必须注意的是，若冷却段过短，那么制品会提前进入空气冷却阶段，从而导致制品的尺寸过大、收缩率减小、内应力增大。为了提高制品的质量，芯棒应适当大于机筒长度，以确保制品在空气冷却阶段，芯棒能够起到良好的支持作用。

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