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技術(shù)文章

紅外掃描測(cè)溫儀測(cè)量塑料聚合物熔體流延溫度分布
隨著對(duì)擠出塑料薄膜和片材塑料等塑料產(chǎn)品越來(lái)越多的市場(chǎng)需求，盡管生產(chǎn)所需的樹(shù)脂和勞動(dòng)力的成本越來(lái)越高，但用戶(hù)對(duì)產(chǎn)品的性能和質(zhì)量的一致性也提出了更高的要求。為了保持競(jìng)爭(zhēng)的優(yōu)勢(shì)，許多塑料薄膜、塑料片材以及擠出涂布/復(fù)合加工產(chǎn)品的生產(chǎn)廠(chǎng)商必須避免其產(chǎn)品出現(xiàn)任何瑕疵和不一致性，定型生產(chǎn)的產(chǎn)品要說(shuō)明質(zhì)量的一致性指標(biāo)或所能達(dá)到的規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)，甚至還要說(shuō)明如控制的加工溫度等所有的操作參數(shù)。

擠壓機(jī)的主要作用是從模頭按設(shè)定的恒定溫度擠出均勻一致的熔融塑料。為了控制溫度，擠壓機(jī)通常要安裝熱電偶（一般與其它的變頻器在一起）來(lái)管理和控制塑料薄膜在擠出加工過(guò)程中的質(zhì)量和*佳的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模式。生產(chǎn)設(shè)備要形成閉環(huán)控制來(lái)控制合適的溫度，但是用熱電偶測(cè)溫有局限性，這些局限性影響了對(duì)聚合物熔體溫度的**動(dòng)態(tài)測(cè)量。本文就來(lái)探討這些局限性，分析熔融流體流動(dòng)的變化特征、聚合物的物理特性和熱電偶本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)溫度測(cè)量產(chǎn)生的綜合影響，并分析和討論用紅外掃描測(cè)溫儀測(cè)量聚合物熔體流延溫度的優(yōu)點(diǎn)。


流體流動(dòng)的變化特征

從擠壓機(jī)中擠出流入到液流通道中的熔融聚合物是一種高黏性流體，熔體的流速在液流通道的中心部分速度*快而在液流通道的邊緣位置流動(dòng)速度接近為零。 從理論上講，與流動(dòng)的黏性流體接觸的界面層在流體的接觸表面附近是不流動(dòng)的，因此，插入到熔融流體中直接與塑料接觸的熱電偶的表面附近流體是不流動(dòng)的（或者是非常緩慢地流動(dòng)）。

除了要考慮擠壓機(jī)料桶的加熱器提供熱量外，剪邊機(jī)在切邊時(shí)對(duì)聚合物熔體產(chǎn)生的熱的影響也要考慮，不管怎樣，這部分能量對(duì)擠壓機(jī)熔體產(chǎn)生了額外的溫度而且是不均勻的。熔融流體的溫度分布與黏性分布有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，塑料的溫度越高（黏性低）則越靠近液流通道的中心部分則熔流越容易流動(dòng)，反之，塑料的溫度越低（黏性高）則越接近流動(dòng)通道的外壁則熔流越不容易流動(dòng)，結(jié)果沿著塑料流動(dòng)的區(qū)域有一個(gè)流速分布，中心部分流速*高，越向外壁流速越低。這樣就導(dǎo)致即使熔體的溫度是恒定的，但是根據(jù)已有的流速分布圖也可斷定熔流的溫度分布是不均勻的，圖1是**描述溫度分布狀態(tài)(中心位置溫度高，越向邊緣位置溫度越低)的熱像圖，這是一條薄膜擠出LDPE熔體流延的實(shí)時(shí)溫度分布熱像圖。

聚合物導(dǎo)熱性的影響

聚合物的導(dǎo)熱系數(shù)相對(duì)較低（比金屬的導(dǎo)熱系數(shù)要低50~100倍）。聚合物的低導(dǎo)熱性影響了熱電偶對(duì)溫度變化的響應(yīng)速度，聚合物的低導(dǎo)熱性和切邊機(jī)高速運(yùn)行的共同影響會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的局部過(guò)熱，切邊機(jī)高速運(yùn)行對(duì)應(yīng)的區(qū)域，機(jī)械能量快速轉(zhuǎn)換成熱能，但是由于聚合物的低熱導(dǎo)性的影響，熱量緩慢傳遞到聚合物熔體的周?chē)?、擠壓機(jī)內(nèi)壁*后傳遞到熱電偶。

熱電偶的影響

熱電偶本身和其外殼的質(zhì)量大小、熱電偶外殼的熱傳導(dǎo)性和熱電偶與外殼之間內(nèi)部接點(diǎn)的熱阻都限制了熱電偶的響應(yīng)時(shí)間，由于熱電偶的這些局限性，熱電偶顯示的測(cè)量值在很大程度上與實(shí)際變化的準(zhǔn)確數(shù)值不一致。實(shí)際上熱電偶測(cè)量到的熔體溫度值是一個(gè)平均溫度值，這個(gè)數(shù)值與熱電偶接觸的所有物質(zhì)包括聚合物熔體、熱電偶外殼和擠壓機(jī)桶壁以及安裝支架有關(guān)。

由于介質(zhì)邊界層的存在和熱偶接觸的聚合物的低熱導(dǎo)性以及熱電偶的熱容量等因素的影響，用非接觸紅外測(cè)量方法得到的讀數(shù)和熱電偶方法測(cè)量的讀數(shù)是不同的，熱電偶和紅外測(cè)溫儀測(cè)量結(jié)果*大可相差20℃。例如，一家企業(yè)測(cè)量一條PET生產(chǎn)線(xiàn)的熔體流延的溫度，用紅外掃描測(cè)溫儀測(cè)量的溫度是304～307℃，起初，生產(chǎn)線(xiàn)管理人員認(rèn)為溫度偏高，得到的讀數(shù)是錯(cuò)誤的，然而，隨后用其它的紅外測(cè)溫儀測(cè)量證明紅外掃描測(cè)溫儀的結(jié)果是正確的，相反，熱電偶所指示的溫度一直偏低，一般在280～285℃之間。

擠出涂布應(yīng)用舉例

現(xiàn)在已經(jīng)有許多擠出涂布加工的生產(chǎn)線(xiàn)安裝了紅外掃描儀，用紅外掃描測(cè)溫儀連續(xù)監(jiān)測(cè)熔體流延的溫度變化情況。如果測(cè)量厚度是1毫米以下的塑料熔體流延的溫度，要選擇光譜響應(yīng)波長(zhǎng)為3.43mm的紅外掃描測(cè)溫儀，其它響應(yīng)波長(zhǎng)的掃描測(cè)溫儀不能用來(lái)測(cè)量熔體流延的溫度，但是這些掃描測(cè)溫儀可以通過(guò)聚合物反映背景的溫度。

掃描測(cè)量的溫度線(xiàn)位于模唇下部和軋輥夾的上部之間，掃描測(cè)溫儀沿熔體流延的寬度方向每秒掃描48條線(xiàn)，每條線(xiàn)有256個(gè)溫度測(cè)量點(diǎn)。瞄準(zhǔn)激光用來(lái)指示測(cè)量溫度點(diǎn)在熔體流延上的準(zhǔn)確位置。開(kāi)發(fā)的專(zhuān)用軟件可支持多個(gè)掃描測(cè)溫頭，用在生產(chǎn)線(xiàn)上*多可同時(shí)監(jiān)測(cè)4臺(tái)擠壓機(jī)。

一般應(yīng)用

目前，專(zhuān)為塑料薄膜擠出加工設(shè)計(jì)的紅外掃描測(cè)溫系統(tǒng)已經(jīng)廣泛用于一些塑料薄膜加工企業(yè)，除了測(cè)量溫度外，在各種擠出涂布加工、混合擠壓成型和復(fù)合工藝中，這些系統(tǒng)還探測(cè)、測(cè)量以及實(shí)時(shí)對(duì)加工過(guò)程中出現(xiàn)的故障進(jìn)行分類(lèi)。

用紅外掃描測(cè)溫儀測(cè)量熔體流延的溫度來(lái)控制熔融的溫度，可以確保薄膜與基材的黏合強(qiáng)度。眾所周知，目前多用表面涂層或多層復(fù)合材料做飲料的軟包裝，如果在生產(chǎn)這些材料時(shí)擠出薄膜的溫度偏高就會(huì)使包裝有異味，使飲料失去原有的品質(zhì)，用紅外掃描測(cè)溫儀可以控制熔體流延的溫度，并將溫度控制在能避免出現(xiàn)類(lèi)似缺陷的范圍內(nèi)。

對(duì)塑化混煉的考慮

業(yè)內(nèi)**人士已經(jīng)用紅外掃描測(cè)溫儀來(lái)評(píng)估塑料加工的多種操作特征，包括塑化混煉的效率，熔體所受壓強(qiáng)和螺桿轉(zhuǎn)速的影響以及這些因素對(duì)熔體流溫度分布的影響。特別是描述測(cè)量溫度分布的重要性和用靜止混合器產(chǎn)生更均勻的溫度分布以消除質(zhì)量問(wèn)題，我們注意到如果是涂覆加工過(guò)程則在 “邊界線(xiàn)處，熔體黏著力的包絡(luò)將隨著溫度的包絡(luò)分布而變化”。

圖5顯示的是一條LDPE熔體流延的熱像圖，但是通過(guò)與圖2對(duì)比可以觀察到，在圖5中有周期性的溫度波動(dòng)，溫度的波動(dòng)沿整個(gè)加工面均勻地出現(xiàn)，從中間開(kāi)始擴(kuò)展到邊緣僅有幾秒鐘的時(shí)間，生產(chǎn)工程師注意到擠壓機(jī)螺桿當(dāng)前電流負(fù)載提示有周期性的毛刺，可是對(duì)螺桿的可靠性能測(cè)定以及熔體的溫度和熔體壓強(qiáng)的顯示參數(shù)都是恒定的。

由于相對(duì)熱電偶的響應(yīng)速度來(lái)講，所以用熱電偶無(wú)法探測(cè)到這種變化，但是如果用紅外掃描測(cè)溫儀能很容易地測(cè)量到這種變化，進(jìn)一步地調(diào)查結(jié)果發(fā)現(xiàn)原來(lái)是用來(lái)過(guò)濾聚合物熔流的篩網(wǎng)上的一個(gè)部位發(fā)生了阻塞，被污染的篩網(wǎng)對(duì)擠壓機(jī)產(chǎn)生了額外的負(fù)壓強(qiáng)，這個(gè)負(fù)壓強(qiáng)能通過(guò)螺桿的作用改變混煉和熔化的過(guò)程，并由此能觀察到溫度和負(fù)載電流的波動(dòng)。設(shè)備上安裝的熱電偶不能追蹤到用紅外掃描測(cè)溫儀觀察到的這種短時(shí)間溫度的波動(dòng)，更換了被阻塞的篩網(wǎng)部件后，得到了與 圖1所示相似的均勻一致的溫度分布熱像圖。

結(jié)論

紅外掃描測(cè)溫儀能夠**測(cè)量溫度分布情況和短時(shí)間周期內(nèi)溫度變化的軌跡，這是用熱電偶無(wú)法做到的。生產(chǎn)加工過(guò)程中需要在聚合物接觸到基材前及時(shí)測(cè)量熔體流延的溫度，提供有效的溫度測(cè)量和控制手段以改善擠出涂布加工的質(zhì)量。尤其是在擠出薄膜的過(guò)程中，當(dāng)通過(guò)擠壓機(jī)模頭的溫度和黏度在寬度方向發(fā)生變化時(shí)會(huì)導(dǎo)致薄膜邊緣“波邊”、破邊或撕邊。

紅外掃描測(cè)溫儀配備專(zhuān)用軟件組成一套功能完備的測(cè)溫系統(tǒng)，這種系統(tǒng)能自動(dòng)探測(cè)薄膜加工過(guò)程中出現(xiàn)的異常情況，并為保證產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性和提高工作效率及時(shí)提供正確的故障判斷。

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