淺析聚四氟乙烯柱塞擠出工藝

摘要：

聚四氟乙烯（PTFE）以其自身諸多的優點正在不斷滿足各個應用領域的發展，已在航空航天、石油化工、機械、電子、醫藥等方面獲得廣泛應用。擠出機是PTFE制品成型中不可或缺的加工設備之一，在早期的塑料加工過程中，柱塞擠出機一直都是主要設備，而單、雙螺桿擠出機的出現，使柱塞擠出機逐步被取代。但對于聚四氟乙烯而言，因其高粘彈性，若是采用螺桿擠出機進行加工，制品的使用性能會受到影響，所以柱塞擠出機仍不失為一種明智的選擇。基于此點，本文就聚四氟乙烯柱塞擠出工藝進行淺談。

關鍵詞：聚四氟乙烯；加工工藝；質量

一、聚四氟乙烯的特點及傳統加工工藝的不足

（一）聚四氟乙烯的特點

聚四氟乙烯英文縮寫為PTFE，是由四氟乙烯聚合而成，屬于人工合成的高分子材料，其最為典型的特點是抗酸堿、抗有機溶劑、耐高溫、高耐候性、高潤滑性、不粘附等等，正是因為這些特點，PTFE又被人們稱為“塑料之王”。目前，PTFE制品已經在多個重要領域內獲得廣泛應用，如化工、機械、電子、航天、橋梁、環保等等，其在國民經濟發展中起到了非常重要的作用。

（二）PTFE傳統加工工藝的不足之處

根據相關文獻記載及大量試驗表明，液壓成型無法實現連續生產，生產效率低，適用于PTFE棒、板、套管等形狀簡單、批量小的制品生產；模塑成型隨談成型精度高，但其原料消耗大，也只適合生產批量小的大型閥門、泵等制品；雖然采用推壓成型和螺桿擠出成型可以實現連續擠出生產，但是在擠出的過程中需要對PTFE進行改性處理或是加入適量的填充劑。經研究發現，對PTFE進行均聚改性處理會損傷其優異的性能，，而加入填充劑則會使PTFE某些方面的性能降低，這主要是因為樹脂與填充劑之間為機械混合，經測試不論加入何種填充劑，都會導致PTFE的拉伸強度下降，從而嚴重影響其使用性能。

傳統的柱塞擠出機雖然能夠實現連續擠出生產，但在實際過程中，相鄰錠料銜接部分的機械強度會降低，從而影響擠出質量。不僅如此，由于傳統柱塞擠出工藝采用的都是大容量、低頻率的液壓式擠出機，該設備對于熔點較高的PTFE樹脂需要相當長的加熱時間，這樣一來制品的加工周期便會加長，生產效率不易提高，成本也會隨之增大。目前市面上有新興的柱塞沖壓式擠出機，該設備能夠在不添加任何填充劑的前提下，以較高的生產效率實現PTFE制品的連續擠出，下面就此新型聚四氟乙烯柱塞沖壓式擠出機擠出工藝展開進一步論述。

二、聚四氟乙烯沖壓式柱塞擠出工藝研究

（一）柱塞沖壓式擠出機的基本原理

柱塞沖壓式擠出機采用雙工位，以一根曲軸連接兩套連桿機構，分別帶動一個柱塞進行往復運動，這種設計方式極大程度地提高了生產效率，制品的生產成本也大幅度降低。該擠出機的設計主要利用了鍛造的工藝原理，借助柱塞的往復運動將物料充分壓入到機筒當中，并在剪切熱和外部熱源的共同作用下使物料在機筒內逐漸達到熔融狀態，同時在壓力的推動作用下使物料向口模處移動，最終物料經由口模被擠出成型。該擠出機的柱塞通常截面都比較小，而柱塞則以較高的頻率和運動速度使物料在機筒內保持連續不間斷地流動，這是該設備與傳統柱塞擠出機最為明顯的差別，各工作段的預成型品因樹脂間及樹脂與筒壁間的摩擦所產生出來的阻力，加之在口模燒結時由于體積不斷膨脹而產生出來的阻力，使得多段預成型品在口模出口位置上實現了連續的擠出成型，由此獲得的產品質量比較均勻，且表面基本無缺陷，最為重要的是提高了生產效率。

（二）柱塞沖壓式擠出機的工藝流程

1.固體加料段。在該段，物料的選擇是一個非常關鍵的因素，為了確保擠出質量，所用物料應符合以下條件：松密度較高、自由流動性較好，顆粒應具備足夠的穩定性和硬度、原料的清潔性等。由于固體加料段分為粉料壓實和固體塞流這兩個過程，所以在對該段的生產過程進行描述時也應從這兩個方面進行。①粉料壓實。在該段內，當柱塞回退時，松散的物料受到重力的作用會自行落入到沖壓室當中，而當柱塞逐步向前推進并開始對物料進行擠壓時，散粒體便會隨之被壓實為密實的固體塞，這一過程實質上就是機械式柱塞擠壓壓力的產生過程。②固體塞流。當物料隨著柱塞的持續向前推進，固體塞便會在沖頭的作用下推動整個料筒內的物料向前推移。并且在這一過程中，固體塞會受到來自于后端的推壓力和前端和阻力，從而儲備了大量的能量。當柱塞達到最遠的行程后開始迅速回退，此時物料便會將前面存儲的能量釋放出來，這樣便可以繼續向前推動物料移動。由于PTFE本身具有較大的蠕變性，當柱塞對其進行壓下時，會因為變形而儲存一定的能量，這部分能量會隨著柱塞的回退逐漸釋放出來，這一過程會循環往復。

2.熔融段。當固體塞前進時，會與筒壁形成摩擦進而產生出熱量，再加上機筒外部的加熱器，便會使固體塞的溫度不斷上升，從而使物料在這一過程中開始熔融并產生熔膜。物料的熔融一般都是由最接近筒壁的部分開始的，并由外向內逐漸熔融，隨著物料的持續推進，熔模的厚度也會隨之不斷增大，此時固體塞的半徑則會越來越小，直到熔體充滿整個料筒截面為止。

3.分流段。通常管材模具的起始部分都會有一個分流錐，它的作用是使流經該部分的熔體形成薄環狀，有助于加熱和塑化并形成預定的管道。物料在流經此段時，在分流錐等裝置的摩擦阻滯作用下，會使熔體建立壓力，從而有利于密實制品的形成，并且物料在該段還會受到強烈的剪切作用，這在一定程度上加速了殘留固態物料的熔融，物料在進入到下一段時便基本能夠完全變成熔融狀態。

4.熔體輸送段。當物料進入該段時已完全成為熔熔融態，但壓力存在一定的波動，PTFE熔體也仍舊存在一定的彈性，這是因為物料在前進的過程中始終處于儲能到放能的循環過程中，以此來確保運動能夠連續進行；隨著物料的不斷前進，壓力的波動會變得越來越小，此時運動也漸趨穩定。由于柱塞沖壓式擠出機采用了加長的口模設計，這樣一來便有效延長了物料停留在口模內的時間，從而進一步提高了制品的均勻性和密實度。因為PTFE自身的熔點較高，所以在擠出時需要對口模進行加熱，而加熱段的長度會對擠出壓力和速度造成一定影響，從而影響到擠出機的加工效率。按照有關試驗結果顯示，加熱段越長擠出壓力就越大，制品的物理性能就越好。然而，如果加熱段過長，有可能使制品出現裂紋。為了解決這一問題，可將機筒的加熱段分成三段，每一段均獨立控制溫度，并在機筒與電加熱圈之間加入一個鋁套，這樣便可以確保機筒表面溫度的均衡性。

5.冷卻段。該段促使物料冷卻定型，在這一過程中物料的溫度可以降低在250℃以下，并且要滿足物料擠出薄壁管時溫度>200℃的要求。而后，被擠出薄壁管的管材要在空氣中進行下一步冷卻，控制好冷卻的時間。必須注意的是，若冷卻段過短，那么制品會提前進入空氣冷卻階段，從而導致制品的尺寸過大、收縮率減小、內應力增大。為了提高制品的質量，芯棒應適當大于機筒長度，以確保制品在空氣冷卻階段，芯棒能夠起到良好的支持作用。

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