摘要：本文針對目前PVC結(jié)皮發(fā)泡板的市場運(yùn)用，對PVC結(jié)皮發(fā)泡板制品產(chǎn)生的缺陷進(jìn)行分析，運(yùn)用國際同步的原料分析技術(shù)和流道模擬分析軟件，從模頭設(shè)計(jì)的角度，分析和討論了如何通過改進(jìn)模頭結(jié)構(gòu)，優(yōu)化流道設(shè)計(jì)解決PVC發(fā)泡板制品表面水波紋、機(jī)械紋，表面硬度不良等問題，以及如何選擇合適的模體材料和表面處理有效延長模頭的使用壽命。
關(guān)鍵詞：PVC 結(jié)皮發(fā)泡 模頭設(shè)計(jì) 水波紋 機(jī)械紋流道仿真模擬分析
項(xiàng)目研究背景
PVC發(fā)泡板又稱為雪弗板和安迪板，以聚氯乙烯（PVC）為主要原料，添加各種助劑生產(chǎn)而成，應(yīng)用于室內(nèi)外裝飾、建材、化工等領(lǐng)域，是木材、鋁材、復(fù)合板材的理想替代品，對節(jié)約能源、保護(hù)生態(tài)環(huán)境具有深遠(yuǎn)意義。市面上的PVC發(fā)泡制品主要有硬質(zhì)PVC自由發(fā)泡板和結(jié)皮發(fā)泡板、硬質(zhì)PVC發(fā)泡裝飾型材、管材、硬質(zhì)PVC發(fā)泡木塑制品等。
目前PVC發(fā)泡板按制作工藝可分為PVC結(jié)皮發(fā)泡板和PVC自由發(fā)泡板，結(jié)皮發(fā)泡板表面硬度高,很難產(chǎn)生劃痕，廣泛應(yīng)用于櫥柜,裝飾,建筑等，尤其在交通運(yùn)輸方面如輪船、飛機(jī)、火車車廂的頂棚，廂體芯層，內(nèi)部裝潢用板等有卓越的表現(xiàn)，PVC自由發(fā)泡板表面硬度一般，廣泛應(yīng)用于廣告展板,裱畫板,絲印,雕刻等。
PVC結(jié)皮發(fā)泡板按生產(chǎn)工藝以及所用的模頭不同又分為：模內(nèi)雙流道模頭生產(chǎn)的塞盧卡結(jié)皮發(fā)泡板（向內(nèi)發(fā)泡）和單流道模頭生產(chǎn)的結(jié)皮發(fā)泡板（向外發(fā)泡），用單流道模頭生產(chǎn)結(jié)皮發(fā)泡板相對與用模內(nèi)雙流道模頭生產(chǎn)而言，由于其生產(chǎn)工藝簡單，板面質(zhì)量優(yōu)良，設(shè)備成本相對低廉，近幾年有了非常快速的發(fā)展。
PVC發(fā)泡板制品判斷的標(biāo)準(zhǔn)主要有：手感是否光滑平整，機(jī)械紋理是否明顯，表面顏色是否有色差或污點(diǎn)，表面有無凹坑，針眼，裂紋以及板邊切口是否平整，孔隙是否細(xì)密(無粗大孔眼，無峰孔，不崩口)，整個(gè)板面厚薄均勻性好，以及密度均勻。
當(dāng)然產(chǎn)生制品缺陷的因素是多方面的，首先影響最關(guān)鍵的是生產(chǎn)工藝，由于擠出機(jī)螺桿參數(shù)不同，溫度設(shè)定不同模頭流道設(shè)計(jì)不同產(chǎn)生的壓力建立差別等塑化條件不同時(shí)，對于各種加工助劑的添加的量不會(huì)是一個(gè)恒定的數(shù)據(jù)，發(fā)泡板的密度、強(qiáng)度等與發(fā)泡調(diào)節(jié)劑存在一個(gè)平衡點(diǎn)。因此在實(shí)際生產(chǎn)時(shí)有經(jīng)驗(yàn)的工藝師會(huì)根據(jù)實(shí)際的生產(chǎn)環(huán)境找到這個(gè)平衡點(diǎn)，使得生產(chǎn)的發(fā)泡板材具有良好的品質(zhì)。
產(chǎn)生制品缺陷的另一個(gè)重要因素就是擠出的模頭。模頭結(jié)構(gòu)、流道設(shè)計(jì)參數(shù)的合理性會(huì)是能否生產(chǎn)出優(yōu)良制品的又一個(gè)關(guān)鍵因素。早幾年由于技術(shù)上的局限，用單流道模頭生產(chǎn)的結(jié)皮發(fā)泡板其性能介于自由發(fā)泡板和結(jié)皮發(fā)泡板之間，表面硬度略高于自由發(fā)泡板，但又達(dá)不到結(jié)皮發(fā)泡板的硬度，另外由于設(shè)計(jì)上的局限性容易產(chǎn)生機(jī)械紋、劃痕、水波紋等不良現(xiàn)象。
模頭設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)
早幾年的單流道結(jié)皮發(fā)泡板模頭結(jié)構(gòu)跟自由發(fā)泡的是一樣的（如圖一）通常由上模體、下模體、節(jié)流棒結(jié)構(gòu)、上模唇、下模唇這幾部分組成，由于節(jié)流棒以及模唇都是以緊固螺釘拼接緊固在模體上，這些流道上的拼接縫很容易導(dǎo)致掛料、積料造成板面刮花產(chǎn)生機(jī)械紋、劃痕等，另由于早期的模頭流道基本上都是經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，對于生產(chǎn)不同配方的原料很可能造成流動(dòng)不均勻，產(chǎn)品產(chǎn)生水波紋等不良現(xiàn)象。
針對上述PVC結(jié)皮發(fā)泡板生產(chǎn)的幾個(gè)問題，精誠時(shí)代集團(tuán)技術(shù)研發(fā)部對生產(chǎn)此類產(chǎn)品的模頭進(jìn)行了深入的研究。首先針對模頭流道進(jìn)行流道仿真模擬分析優(yōu)化設(shè)計(jì)。
1.原料流變分析
原料：由國內(nèi)某一知名發(fā)泡板制品公司提供的PVC結(jié)皮發(fā)泡板物料,測試溫度180℃，儀器：馬爾文毛細(xì)管流變儀RH2000
剪切速率和剪切粘度的關(guān)系曲線圖如下圖：
PVC結(jié)皮發(fā)泡板180℃時(shí)剪切速率與剪切粘度的關(guān)系圖
曲線為一種PVC自由發(fā)泡物料與一種PVC木塑發(fā)泡物料的曲線圖
2.流道仿真模擬分析
模頭參數(shù)：幅寬1350mm
計(jì)算條件
原料：上面檢測的PVC結(jié)皮發(fā)泡板物料
產(chǎn)量:350kg/小時(shí)
模頭設(shè)定溫度：180℃
下圖為流道優(yōu)化設(shè)計(jì)前/后壓力對比圖
下圖為流道優(yōu)化設(shè)計(jì)前/后滯留時(shí)間對比圖
下圖為流道優(yōu)化設(shè)計(jì)前/后模唇出口流速對比圖表
由計(jì)算分析的圖表可以看出，流道優(yōu)化設(shè)計(jì)后，流速更均勻，模腔內(nèi)的壓力更均勻合理，并且優(yōu)化了模頭衣架流道端部的流道設(shè)計(jì)，縮短物料的滯留時(shí)間，有效解決端部積料問題。
3.模頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)
在流道優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，我們對模頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大幅調(diào)整改進(jìn)設(shè)計(jì)。
解決結(jié)皮表面不硬的問題
為解決結(jié)皮表面不硬的問題，設(shè)計(jì)師根據(jù)塞盧卡發(fā)泡模頭的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)在單腔流道的模頭上引入了模唇口加上水冷板即通常所說的“水套”的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的機(jī)理是料流通過模頭擠出后，在模唇口遇到水套水冷，表面急速冷卻結(jié)皮，但芯部仍然繼續(xù)發(fā)泡，短暫的表面結(jié)皮后進(jìn)入定型模繼續(xù)冷卻成型。
這是目前單腔流道生產(chǎn)結(jié)皮發(fā)泡板模頭的重大改進(jìn)之一，經(jīng)過這個(gè)結(jié)構(gòu)改進(jìn)，現(xiàn)行的單腔流道發(fā)泡板模頭生產(chǎn)的制品，其表面硬度已經(jīng)與雙腔流道生產(chǎn)的塞盧卡結(jié)皮發(fā)泡板相差無幾，有的經(jīng)過配方等工藝調(diào)整，其產(chǎn)品質(zhì)量甚至優(yōu)于塞盧卡結(jié)皮發(fā)泡板。
模唇、模體一體式設(shè)計(jì)
在前期的模頭流道優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，模具結(jié)構(gòu)就有了可以大幅改進(jìn)的可能，原有為調(diào)節(jié)料流均勻的節(jié)流棒結(jié)構(gòu)就可以去掉了，并且模唇拼接式改進(jìn)為模唇、模體一體式設(shè)計(jì)（如圖二）
在模唇上設(shè)計(jì)此類模頭專用的彈性調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，滿足一套模頭大范圍制品厚度的生產(chǎn)的需求，模唇開口間隙從0-5mm無級可調(diào)。一般可滿足生產(chǎn)3-25mm的制品。另，其中的一件模體（通常在下模）可以選配快速開口調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，模唇開口間隙可以在正負(fù)1.5mm范圍內(nèi)快速調(diào)節(jié)，極大提高制品厚度規(guī)格變換生產(chǎn)的效率。
改進(jìn)的模頭結(jié)構(gòu)，全流道實(shí)現(xiàn)了無拼接無縫光滑設(shè)計(jì)，消除了物料在模腔中掛料、積料的可能，生產(chǎn)的制品表面光滑無劃痕、無機(jī)械紋、水波紋等缺陷。
技術(shù)難點(diǎn)突破
改進(jìn)后的模頭由于其模唇開口間隙是通過彈性調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)的，又由于PVC發(fā)泡制品的生產(chǎn)是一種超高壓擠出生產(chǎn)工藝，其生產(chǎn)的模腔壓力通常會(huì)達(dá)到20-30Mpa，因此模體材質(zhì)的選擇以及熱處理就顯得尤為重要，并且熱處理工藝要比之前要復(fù)雜許多，必須經(jīng)過嚴(yán)格的應(yīng)力消除，另外由于是超高壓生產(chǎn)，密封問題始終是擠出模頭的一個(gè)難點(diǎn)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性以及密封面的加工質(zhì)量都會(huì)影響密封效果，不合理的設(shè)計(jì)或者加工質(zhì)量有問題都可能引起結(jié)合面的泄漏。
1.提高模頭耐腐蝕性延長工作壽命
PVC類制品生產(chǎn)的另一難題是如何提高模頭的耐腐蝕性延長模頭的使用壽命問題，PVC類制品生產(chǎn)的連續(xù)生產(chǎn)周期都是比較短暫的（相對毫無腐蝕性的多數(shù)聚烯烴類等產(chǎn)品的生產(chǎn)來說），一般普遍的3-4天，好一些的7-10天左右模頭中就會(huì)集聚不同程度的碳化焦料，特別是邊部，嚴(yán)重影響制品質(zhì)量，這時(shí)就需要打開清理模頭后才能繼續(xù)投入生產(chǎn)，如果模頭已經(jīng)腐蝕嚴(yán)重就不得不對模頭進(jìn)行重新拋光電鍍才能進(jìn)一步使用。
如果模頭流道已經(jīng)發(fā)生腐蝕的模頭強(qiáng)行繼續(xù)使用的話，會(huì)導(dǎo)致更嚴(yán)重的后果，生產(chǎn)周期進(jìn)一步縮短，很快就會(huì)在腐蝕的地方積料碳化，并且腐蝕會(huì)越來越嚴(yán)重，有些嚴(yán)重的腐蝕導(dǎo)致模頭流道需要進(jìn)行二次機(jī)械加工才能修復(fù)，不能簡單的通過拋光電鍍來解決。
目前主流的模頭都容易出現(xiàn)這樣的問題，原因是多方面的，流道設(shè)計(jì)缺陷、模體材質(zhì)選擇、流道表面處理等都會(huì)影響模頭的使用壽命。流道優(yōu)化設(shè)計(jì)可以有效縮短原料在模腔中的停留，減少滯留腐蝕的機(jī)會(huì)，模體的材質(zhì)以及表面處理目前最普遍的是采用優(yōu)質(zhì)的合金鋼模具鋼材加表面鍍硬鉻，表面鍍鉻能在一定程度上抗腐蝕，但對PVC高溫高壓生產(chǎn)的環(huán)境下，其耐腐蝕性表現(xiàn)一般。
如果模體材質(zhì)選用高抗腐蝕性的不銹鋼材料如4Cr13、SUS630、2316等，表面鍍鉻或者鍍鎳合金處理其耐腐蝕性會(huì)提高很多，有效延長連續(xù)生產(chǎn)周期，提高模頭的使用壽命。
2.針對厚/薄板使用專門設(shè)計(jì)的模頭
另有一點(diǎn)不得不說的是雖然目前的模頭設(shè)計(jì)能滿足3-25mm板材生產(chǎn)的要求，但需要較完善的工藝配合才能實(shí)現(xiàn)，因此我們還是建議厚板與薄板應(yīng)采用專門設(shè)計(jì)的不同的模頭來生產(chǎn)為宜，從工藝、配方上來說，這樣更有利于生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品，并且更容易找到合適的生產(chǎn)工藝以及配方，更不容易產(chǎn)生破泡、串泡等缺陷。
因?yàn)樯a(chǎn)厚板的模頭通常模唇口的平直段會(huì)長一點(diǎn)，并且壓縮比大，以便提高熔體壓力和發(fā)泡倍率，而做薄板因發(fā)泡層較薄，彈性空間小，剛性大，模頭設(shè)計(jì)時(shí)模唇口的平直段需要短，壓縮比小，以防止模唇口熔體壓力過大，造成出料不均勻，表面不平整，熔體強(qiáng)度低，甚至板材拉斷，生產(chǎn)的產(chǎn)量也受到一定程度的限制，生產(chǎn)周期縮短等。
精誠時(shí)代集團(tuán)一直專注于擠出模頭的技術(shù)創(chuàng)新，志在于中國擠出事業(yè)的共同進(jìn)步和技術(shù)分享，本文由精誠工程技術(shù)研發(fā)中心戴惠斌工程師提供，如有不足之處敬請您指正和批評，如您需要進(jìn)一步的技術(shù)探討可以關(guān)注我們的“模頭世界”官方，文章版權(quán)歸精誠技術(shù)部所有，如需轉(zhuǎn)載請注明出處。
