1 概述
熔體泵在塑料加工中通常與單螺桿或雙螺桿擠出機(jī)一起使用，它可以使熔體進(jìn)一步均化，壓力穩(wěn)定，物料輸出無脈動(dòng)，可提高制品的質(zhì)量。這種設(shè)備不僅用于塑料熔體造粒、混料，也可用于擠出片材、管材、薄膜和型材等。熔體泵的工作原理及主要結(jié)構(gòu)與液壓系統(tǒng)中的齒輪泵相近。但由于塑料加工工藝的特殊性，其選材及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都有獨(dú)特性。在塑料加工中，熔體泵被安裝在擠出機(jī)與機(jī)頭之間。這樣就可以把擠出方向產(chǎn)生的波動(dòng)與機(jī)頭及下游設(shè)備隔離開來，不論泵入口處的壓力是否發(fā)生波動(dòng)，只要進(jìn)入泵的熔體能充分地充滿齒槽，它就能以穩(wěn)定的壓力和流量向機(jī)頭輸送物料，并保證機(jī)頭無波動(dòng)擠出，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和制品精度。同時(shí)，由于熔體泵是一種增壓設(shè)備，它能把擠出機(jī)計(jì)量段的穩(wěn)壓、增壓功能移到熔體泵上來完成，從而避免了擠出機(jī)在高的機(jī)頭壓力下工作時(shí)存在的功率消耗大、剪切力大、摩擦劇烈、物料停留時(shí)間長(zhǎng)，以及容易降解等缺點(diǎn)，使擠出生產(chǎn)率提高，擠出機(jī)磨損降低。另外，使用熔體泵還能增加系統(tǒng)的可控制性，降低熔體溫度，降低能耗，實(shí)現(xiàn)線性輸出。在整個(gè)擠出系統(tǒng)中由微機(jī)控制著各個(gè)工藝參數(shù)，可將塑料擠出成型技術(shù)提高到一個(gè)新水平。
2 熔體泵的工作原理及結(jié)構(gòu)要求
熔體泵是一種容積泵，它依靠齒輪相互嚙合過程中所引起的工作容積變化來輸送液體。以外嚙合熔體泵為例，其工作容積由泵體、側(cè)蓋及齒輪的各齒間槽構(gòu)成。當(dāng)一對(duì)齒輪相互嚙合時(shí)，由于齒輪的輪齒與殼體內(nèi)孔表面間隙很小，齒輪端面與蓋板間隙也很小，因而把吸入腔和壓出腔隔開，當(dāng)齒輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，嚙合點(diǎn)左側(cè)嚙合著的齒逐漸退出嚙合，空間增大，形成局部真空，把液體不斷吸進(jìn)吸入腔;嚙合點(diǎn)右側(cè)的齒逐漸進(jìn)入嚙合，把齒間的液體擠壓出來。其過程是當(dāng)主動(dòng)輪帶動(dòng)從動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，在吸入口塑料熔體充滿齒間，輪齒的頂圓半徑掃過一定的容積，塑料熔體沿泵體內(nèi)表面被帶往排出腔。從兩個(gè)齒輪流出的塑料熔體在排出腔相互匯合，其中絕大部分被擠入泵的出口，只有小部分返回到吸入腔。隨著齒輪不斷的吸入和排出，達(dá)到輸送塑料熔體的目的。
在塑料擠出系統(tǒng)中所應(yīng)用的熔體泵通常為三件組合式結(jié)構(gòu)，它是由兩個(gè)相互嚙合的主動(dòng)齒輪和被動(dòng)齒輪、中間泵體、兩側(cè)泵蓋及泵體外部加熱冷卻裝置組成的。熔體泵內(nèi)的主動(dòng)齒輪由長(zhǎng)軸直接與驅(qū)動(dòng)裝置連接，被動(dòng)齒輪在主動(dòng)齒輪的帶動(dòng)下共同朝輸送方向旋轉(zhuǎn)，將粘度較高、流動(dòng)性較差的塑料熔體通過流道輸送到機(jī)頭。
熔體泵作為一種較高壓力的容器盛裝著各種不同的熔體，有的熔體腐蝕性較強(qiáng)。因此要求泵體用合金鋼或不銹鋼來制造。但是，不銹鋼的泵體成本高，力學(xué)強(qiáng)度低。一般對(duì)泵體的要求是輕量化、強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好。輪齒結(jié)構(gòu)按直齒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較多。齒輪常和軸制成一體，這樣在高扭矩條件下更為可靠。通常兩齒輪之間中心距近似等于齒面寬度。當(dāng)泵內(nèi)壓力差特別高時(shí)，可采用非直齒型輪齒結(jié)構(gòu)。齒面寬度小于兩齒間的中心距，齒面寬度減小，受壓面積小，可以降低軸承和輪齒的負(fù)荷。此外，齒面寬度減小，可以縮短兩軸之間的距離，減少撓度。對(duì)于容積較大的熔體泵，可通過動(dòng)力分配器使兩個(gè)齒輪軸同為主動(dòng)軸，以減小嚙合受力，減少變形。
熔體泵工作時(shí)兩側(cè)的壓力差較高，有時(shí)可高達(dá)31MPa，易引起機(jī)械彎曲變形，因此需要增大齒輪直徑。通常齒輪直徑與齒面寬度構(gòu)成下式：
D=(0.5-2)b
式中：D--齒輪直徑;
b--齒輪寬度。
熔體泵輸送熔體的過程中，輪齒是一對(duì)一對(duì)相互嚙合的。因此其瞬時(shí)流量是脈動(dòng)的。熔體的脈動(dòng)程度取決于輪齒的彈性模量和輪齒的多少，齒數(shù)越少，齒間越深，脈動(dòng)越大。為了減少脈動(dòng)，可增加齒數(shù)，通常輪齒都多于16個(gè)。這也符合輪齒避免根切的原則。
熔體泵的容積效率、能量效率、熔體壓力、熔體溫度及機(jī)械磨損都與機(jī)械間隙的大小有直接關(guān)系，確定機(jī)械間隙時(shí)，既要考慮建立所需要的壓力，防止過多熔體的反向流動(dòng)，又要考慮熔體受高剪切易引起過熱降解等工藝要求，通常采用的機(jī)械間隙為0.035-0.15mm，當(dāng)然這個(gè)間隙與熔體粘度、壓力、溫度，以及齒輪轉(zhuǎn)速、容積效率密切相關(guān)。沉浸在熔體之中的兩個(gè)相互嚙合的齒輪在壓力作用下，熔料沿著各種間隙向壓力低的方向流動(dòng)，形成一定漏流量。漏流量的多少取決于熔體粘度的高低、工藝操作條件及泵的幾何結(jié)構(gòu)。
在泵體的外部設(shè)有加熱冷卻裝置，目的是把泵的溫度控制在一定的范圍內(nèi)，使泵保持較優(yōu)的工藝條件。加熱常采用電加熱和液體加熱兩種方式，電加熱(如帶狀和鑄鋁加熱器)升溫迅速，比較經(jīng)濟(jì);液體加熱溫度較均勻，也容易控制。對(duì)于容量超過1500cm3的熔體泵，推薦采用液(氣)體加熱。
3 熔體泵的控制和應(yīng)用
在擠出機(jī)-熔體泵擠出系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)占有重要地位。擠出機(jī)、熔體泵、機(jī)頭的組合系統(tǒng)中，各個(gè)部分相匹配的各工藝參數(shù)由微機(jī)以極快的速度控制，以充分發(fā)揮熔體泵的獨(dú)特功能，達(dá)到系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)平衡。熔體泵輸出量的穩(wěn)定性與泵速度有直接關(guān)系，泵的速度由數(shù)字自控器來控制，數(shù)字自控器安裝在電機(jī)、變速機(jī)構(gòu)所組成的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，它準(zhǔn)確地控制著泵的速度，準(zhǔn)確度可達(dá)0.1%以上。此外，泵體溫度的變化也影響泵的輸出量，由P-V-T的關(guān)系可知，當(dāng)泵的溫度發(fā)生變化時(shí)，熔體粘度和比熱容也相應(yīng)地發(fā)生變化。例如在加工LDPE溫差為16%時(shí)，引起擠出率的變化為1%。
在擠出系統(tǒng)中安裝熔體泵后，螺桿擠出機(jī)內(nèi)就不必再有太高的壓力了，逆流量和泄漏量的減少，螺桿轉(zhuǎn)速的提高，既改善了制品的質(zhì)量，又節(jié)省了能源。例如，將電機(jī)功率為65kW，擠出量為150kg/h的直徑90mm單螺桿擠出機(jī)與熔體泵連接后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果表明，擠出量約增加了30%，總動(dòng)力消耗約減少了25%。此外，對(duì)摻有較高比例回收料的材料也能適應(yīng)。
在熔體泵輸送物料過程中無物料滑動(dòng)現(xiàn)象，不論螺桿擠出機(jī)內(nèi)的壓力如何變化、流量如何波動(dòng)，熔體泵始終供給機(jī)頭一定的物料，能減少機(jī)頭的波動(dòng)。其壓力輸出波動(dòng)僅為±0.1%，從而提高了制品的質(zhì)量。例如，在PET薄膜生產(chǎn)系統(tǒng)中使用熔體泵后，改善了薄膜厚度精度，厚度變動(dòng)從±3%降至±0.5%;在生產(chǎn)壁厚為2mm的醫(yī)用PVC管時(shí)，其厚度公差精度可達(dá)±0.37%。
另外，使用附設(shè)熔體泵的擠出系統(tǒng)還能解決下列重要的工藝問題：
(1)共擠出多層薄膜、板材或片材時(shí)，能保證各層厚度的精確比例。
(2)通過降低廢品數(shù)量，保證異型長(zhǎng)條制品的尺寸精度，從而節(jié)省原料。
(3)使用熔體泵"閉塞"擠出機(jī)不僅能減少逆流，而且能降低加工溫度。
4 結(jié)語
在擠出薄膜和薄壁異型材時(shí)，使用熔體泵效果較佳。因?yàn)槭褂萌垠w泵可使塑料熔體均化且降低擠出機(jī)輸送的熔體壓力和流量的波動(dòng)幅度，這對(duì)獲得高質(zhì)量制品尤其是厚度均勻的制品起著決定性的作用。特別是生產(chǎn)薄膜或超薄薄膜如PET、PS、PP和PA等高定向薄膜時(shí)對(duì)熔體壓力和流量的不穩(wěn)定性特別敏感，如果存在過大的脈動(dòng)幅度或原料被雜質(zhì)污染或形成凝膠顆粒，則易使熔體混煉和均化質(zhì)量降低，實(shí)際上就不可能在穩(wěn)定的工藝狀態(tài)下生產(chǎn)出高質(zhì)量的定向薄膜，而熔體泵則可解決這一問題。
盡管熔體泵在塑料擠出系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用，但在加工含有填充劑或特殊改性劑的塑料中應(yīng)用仍受到限制，它對(duì)各組分的分散度、與塑料的相容性和磨蝕性都有嚴(yán)格的要求。含有大顆粒、磨蝕性填充劑或增強(qiáng)劑的物料不能用裝有熔體泵的擠出機(jī)加工，因?yàn)閮?nèi)含的增充劑顆粒易形成料栓，而料栓不能通過熔體泵嚙合齒輪的齒間間隙，且料栓的堵塞和齒的磨蝕性磨損會(huì)使熔體泵很快損壞。另外，細(xì)散的礦物填充劑也能引起上述結(jié)果，因?yàn)檫@種填充劑與塑料的相容性不好時(shí)，在高速剪切區(qū)內(nèi)得不到剪切而逐漸形成能損壞熔體泵的料栓。
綜上所述，在國(guó)外，熔體泵在塑料擠出中的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)廣泛。但由于種種原因，國(guó)內(nèi)使用熔體泵的還較少。伴隨著塑料工業(yè)的迅速發(fā)展，特別是共混材料所占比例的增加，以及擠出系統(tǒng)中使用熔體泵技術(shù)的不斷完善，熔體泵在我國(guó)的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?huì)不斷拓寬和發(fā)展。
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