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一起使用，它可以使熔體進一步均化，壓力穩(wěn)定，物料輸出無脈動，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)計都有獨特性。在塑料加工中，熔體泵被安裝在擠出機與機頭之間。這樣就可以把擠出方向產(chǎn)生的波動與機頭及下游設(shè)備隔離開來，不論泵入口處的壓力是否發(fā)生波動，只要進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頭輸送物料，并保證機頭無波動擠出，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和制品精度。同時，由于熔體泵是一種增壓設(shè)備，它能把擠出機計量段的穩(wěn)壓、增壓功能移到熔體泵上來完成，從而避免了擠出機在高的機頭壓力下工作時存在的功率消耗大、剪切力大、摩擦劇烈、物料停留時間長，以及容易降解等缺點，使擠出生產(chǎn)率提高，擠出機磨損降低。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，實現(xiàn)線性輸出。在整個擠出系統(tǒng)中由微機控制著各個工藝參數(shù)，可將塑料擠出成型技術(shù)提高到一個新水平。
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)一對齒輪相互嚙合時，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，嚙合點左側(cè)嚙合著的齒逐漸退出嚙合，空間增大，形成局部真空，把液體不斷吸進吸入腔;嚙合點右側(cè)的齒逐漸進入嚙合，把齒間的液體擠壓出來。其過程是當(dāng)主動輪帶動從動輪旋轉(zhuǎn)時，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)，它是由兩個相互嚙合的主動齒輪和被動齒輪、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)的主動齒輪由長軸直接與驅(qū)動裝置連接，被動齒輪在主動齒輪的帶動下共同朝輸送方向旋轉(zhuǎn)，將粘度較高、流動性較差的塑料熔體通過流道輸送到機頭。
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。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)強度低。一般對泵體的要求是輕量化、強度高、穩(wěn)定性好。輪齒結(jié)構(gòu)按直齒結(jié)構(gòu)設(shè)計較多。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，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。對于容積較大的熔體泵，可通過動力分配器使兩個齒輪軸同為主動軸，以減小嚙合受力，減少變形。
熔體泵工作時兩側(cè)的壓力差較高，有時可高達(dá)31MPa，易引起機械彎曲變形，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，輪齒是一對一對相互嚙合的。因此其瞬時流量是脈動的。熔體的脈動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，脈動越大。為了減少脈動，可增加齒數(shù)，通常輪齒都多于16個。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、熔體溫度及機械磨損都與機械間隙的大小有直接關(guān)系，確定機械間隙時，既要考慮建立所需要的壓力，防止過多熔體的反向流動，又要考慮熔體受高剪切易引起過熱降解等工藝要求，通常采用的機械間隙為0.035-0.15mm，當(dāng)然這個間隙與熔體粘度、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，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;液體加熱溫度較均勻，也容易控制。對于容量超過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-熔體泵擠出系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)占有重要地位。擠出機、熔體泵、機頭的組合系統(tǒng)中，各個部分相匹配的各工藝參數(shù)由微機以極快的速度控制，以充分發(fā)揮熔體泵的獨特功能，達(dá)到系統(tǒng)的動態(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、變速機構(gòu)所組成的驅(qū)動系統(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，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，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，將電機功率為65kW，擠出量為150kg/h的直徑90mm單螺桿擠出機與熔體泵連接后進行實驗，其結(jié)果表明，擠出量約增加了30%，總動力消耗約減少了25%。此外，對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現(xiàn)象，不論螺桿擠出機內(nèi)的壓力如何變化、流量如何波動，熔體泵始終供給機頭一定的物料，能減少機頭的波動。其壓力輸出波動僅為±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，厚度變動從±3%降至±0.5%;在生產(chǎn)壁厚為2mm的醫(yī)用PVC管時，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，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，使用熔體泵效果較佳。因為使用熔體泵可使塑料熔體均化且降低擠出機輸送的熔體壓力和流量的波動幅度，這對獲得高質(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等高定向薄膜時對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劑的物料不能用裝有熔體泵的擠出機加工，因為內(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，因為這種填充劑與塑料的相容性不好時，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，熔體泵在我國的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)粩嗤貙捄桶l(fā)展。
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