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发泡技术

发布人:电缆宝dianlanbao.com 发布日期:2020-05-22来源:电缆宝阅读数:10分享到:

一. 發泡分為兩種方式:物理髮泡&化學發泡 

1. 物理發泡是選擇合適分子量的HDPE,在使用過程中用專用N2壓縮設備N2混入螺缸中融熔 
在料裡.經螺桿攪拌均勻,並產生較大壓力在擠出後瞬間膨脹,形成質輕多孔的發泡PE. 
2. 化學發泡是在HDPE中添加了發泡劑,其主成份一般為氨類化合物,其在高溫時會分解並產生N2,利用較小的外模,使其機頭內獲得較大壓力.當擠出後,因壓 力釋放,而使其內部N2膨脹成氣孔,成為發泡PE.因在其中添加了發泡劑,利用化學反應來達到發泡效果,故稱為化學發泡.
二. 發泡的目的及優點 
1.使制品輕量化,同時可以降低材料成本,但降低材料的介電系數才是主要目的. 
2.介電常數小、介質損耗低、高頻衰減低、性能穩定、防水防潮和彎曲性好、電纜外徑小、使用壽命長等優點. 
3.機械性能和電性性能良好.
三. 發泡的缺點. 
機械強度小、易損傷;不耐磨,耐熱性能差,對導體附著力小、易燃.
四. 發泡的原理 
1. 物理發泡是利用塑料擠出過程中直接注入氣體或液態氣體來實現發泡絕緣,物理發泡的制造 
方法是采用不產生損耗的氣體用發泡齊,所以消除了化學發泡劑的弊端,即絕緣內不存在化學發泡方法產生的殘余物或水份,使絕緣的介質損耗大幅度下 降,物理發泡可消除化學發泡的許多工藝加工*,易於制得泡孔微小、發泡均勻的優質絕緣,特別是可制得發泡高達80%的絕緣,而化學發泡絕緣的發泡度僅 40%左右. 
2. 物理發泡絕緣材料是由於基本樹脂(絕緣塑料)、發泡劑和成核劑構成,物理發泡法主要應用於聚乙烯,也同樣應用於氟塑料.進行物理發泡時,聚合物(即PE絕 緣料)應同成核劑混合,同時把氣態或液態的發泡劑注入熔融的聚合物中,並令其從熔解狀態析出,使之在擠出過程中不斷產生凝聚中心與氣泡,成核劑能使氣泡的 大小及分布變得均勻. 
3. 氮氣發泡是通過壓縮空氣啟動注入泵,在一定的壓力下使氮氣高壓泵升壓,並通過穩流閥行控制,然後從噴頭把氮氣注入擠出機中,當氮氣在高壓作用下,像霧狀一 樣噴入擠出機內熔融的聚乙烯之中,同時與聚乙烯中的成核劑發生核化,擠出後在空氣中形成發泡絕緣.氮氣物理發泡的主要過程就是將氮氣溶解於熔融的聚乙烯 (PE)之中,形成微細的泡孔結構,在擠出機螺缸內,含有少量成核劑的PE料經加熱攪拌充分塑化後,將氮氣注入. 
4. 物理發泡過程中為了易於泡孔生成,還在PE材料中添加一定量的成核劑,常用的主要成份為偶氮二洗胺.
五. 工藝設備及工藝設計 
1. 高壓氮氣注射系統,范圍50~700bar,其穩定性、密封性要好. 
2. 內導體預熱設備要有足夠的功率,能實現導體溫度調節范圍在常溫50℃. 
3. 芯線的牽引要穩定而有力,冷卻水槽要有足夠的長度. 
4. 由於成核劑分解誘導期較長且具有突發性,擠出後仍有殘余,故模口溫度要低,否則在高溫環境中,絕緣層的內部會出現泡孔過度生長,導致泡孔破裂、並泡,大小不均,甚至產生開孔狀態破壞絕緣結構. 
5. 工藝實踐中發現成核劑含量0.5%左右即能滿足要求,且單對發泡度而言,PE發泡料產品在恰當工藝條件下均右達到80%以上. 
6. PE發泡料的熔體溫度一般為180℃,實際上由於注氣段之前塑化段較短,溫度應設置得高一些,以實現熔體較充分的塑化.機頭區域溫度要降低,整個溫度設置由前到後逐步收斂,呈類似正弦波分布曲線,效果較好. 
7. 氮氣的注入位置在機身的中段,其工藝參數的設置對能否實現高發泡度至關重要,由分子熱力學原理可知分子熱動力越快(溫度高),密度越大,其表現出來的壓力越大.隨著熵的增加,分子熱運動不一樣的兩個系統發生交流後,將趨於均衡. 
8. 由於物理發泡絕緣層厚度為泡沫結構,冷卻時由外向內逐步固化,過程很慢,故應采用壓力式或半壓力式模具.
六. 物理發泡絕緣的隔層擠出技術 
1. 三層絕緣與傳統的線纜發泡絕緣技術不同的是,隔層擠出工藝可使絕緣獲得內層、發泡層和外層的三層結構.各層均有特別的作用,其中: 
1).內層擠包在導體上,這是一層很薄的實心層,標稱厚度為10um,它使得導體和絕緣層間有良好的附著性,因厚度很薄,故對絕緣整體的性能影響很小,內層應盡可能薄,導體上的內層厚度越薄,則要求擠出機的擠出量越穩定. 
2).發泡層作為絕緣介質,要求其發泡度盡可能高,對於線纜而言,計算和實際生產均傾向要求有60%的發泡度;對於較厚的絕緣層(如小同軸電纜),發泡度高達70%,聚乙烯通常用作發泡層的材料. 
3).外層則可保證機械強度和良好的表面質量,提高整個絕緣層的耐磨性,目前線纜絕緣用的聚乙烯也適用於表層材料,外層的厚度約為50um,它取決於電纜的結構和要求.
七. 模具的選擇 
1. 絞合外徑:d=√N×1.155×d
2. 外模:DX=√D2×0.5+d2×0.5 (經驗得出)
发泡芯线內模: D=d+k(k=0.6~1.5)     
D—內模孔徑   d—导体外徑  
k—內模放大值,单支导体放大值较小,多支导体放大值较大 
发泡模套计算方法:Dx=[(1-F)*(D2-d2)+d2]1/2*k 
Dx—模套尺寸 mm   F—发泡度   D—芯线外徑 mm   
d—导体外徑(或内芯外徑)mm  k—系数 0.95~1.0 內模、模套间距 L=1.5~2.5D  
L —间距  D—模套孔徑
 

八. 發泡的控制方法及成品電性關係 
控制方法:1).溫度 2).模具 3).氮氣流量 4).導體預熱 5).絕緣內層
電性關係:
C= (單芯同軸線) C=24.13εlg (復合線)

Zo=
C→電容 d→導體直徑 ε→絕緣的介電常數 D→絕緣外徑 
K→導體系數 dW→編織導體OD Zo→阻抗
 
 
導體條數 導體系數 絕緣物料 介電系數 
1 1.000 發泡LDPE 1.8 
7 0.939 發泡HDPE 2.2 
19 0.970 發泡PVC 5.0 
37 0.980 發泡PP 1.8 
61 0.985 化學發泡PE 1.8 
91 0.988 物理髮泡PE 1.5

九. 發泡注意事項 
1. 前水槽根據室溫盡量使水槽水溫不超過50℃,線材由於水溫過高而繼續發泡. 
2. 機器開正常以後,盡可能不要調節引取速度和主機轉速,這樣使芯線OD不穩及發泡度也不穩,導致水中電容有變異. 
3. 如斷線後,應去擠料,因螺缸裡的料通過氮氣的分解使發泡料過度,導致外觀粗糙,並有斷膠現象. 
4. 導體需過預熱,預熱時溫度不可太高,會導致外徑不圓並有發黃現象. 
5. 需過內層PE,增加附著力. 
6. 發泡印環機要盡量靠近機頭,以免水中電容的差距才不會太大. 
7. OD控制或電容控制可移動前水槽跟眼模的距離.
十. 物理发泡线生产常见问题解决 
1. 表面粗糙、破裂 
原因分析: 
1.1材料熔体流动速率较小(LDPE≤0.5g/10min,HDPE 0.2~1.0g/min),开机速度较快易引起熔体破裂。 
1.2 LDPE与HDPE相混合,熔体流动速率不均匀,从而产生不均匀的内应力,出模口时应力恢复引起熔体破裂。 
1.3温度过低,压力增大,剪切应力增加,开机速度超过塑料的临界剪切速率(LDPE一般为50~6001/s) 
1.4 出模口压力太小或太大。 
1.5模套入口角太大,临界剪切速率变小。 
1.6 氮气压力太大,进一步增大塑料挤出压力,剪切应力增加,临界剪切速率降低。 
1.7 模套太小,导致内应力增大。 
1.8 內模、外模不光滑,高速时摩擦力较大,易于引起熔体破裂。 
1.9 螺杆*徑比太小,螺槽深度太浅。 
1.10 加速太快,已引起熔体破裂。 
解决方法: 
1.1 改用熔体流动速率较大的材料(不同的LDPE料,熔体流动速度可相差几倍)。 
1.2 适当增大HDPE的混合量,HDPE的熔体流动速率较大,但此方法易使线芯抗拉性能减弱,易折断,一般不适于实芯挤出;如HDPE混合量太大,螺杆内部压力较低,氮气进气量增大且进气不稳定,易造成发泡度过大而扁线、表面发毛或外徑不稳定。 
1.3 提高熔体温度。 
1.4调节內模与模套间距 模套间距:L=1.5~2.5D(D 模套孔徑)。L偏小时压力较小,L偏大时压力较大。压力调节以观察到出模口芯线刚好离模发泡时为准(出模口时较透明),压力较小时模内发泡表面易粗糙,压力较大易发生扁线及机身温度自动升高。 
1.5 减小模套入口角,內模斜度与模套壁应一致,尽量保持塑料层流。 
1.6 适当降低氮气压力。一般较小外徑芯线氮气压力可减小,较大时适当增大,并非所有线都采用同一压力。 
1.7 适当放大模套,减小出模口前内应力。 
1.8 用砂纸砂光內模、模套壁,提高挤出的临界剪切速率。 
1.9 增大螺杆*徑比,加深螺槽深度。 
1.10 适当降低开机速度,螺杆内的料排完后再慢慢加速。(熔体表面张力有一个临界范围,如超过临界上限值,要恢复到不破裂时需降低速度到临界下限值以下,因此临 界剪切速率为表面张力的下限值时的速率。如果从临界表面张力下限值上升,需达到上限值时才会引起熔体破裂,因此只要在达到一定的开机速度,其表面由应力而 产生的破坏力比其临界表面张力小都不会发生熔体破裂。)
2. 线徑大小不一 
原因分析: 
2.1 塑料在滤板处旋转挤出时,带动杂质旋转,因此杂质堵住滤网的目数在随机变化,导致塑料流量大小变化。 
2.2 氮气压力太大,挤出时充入的氮气不均匀,发泡度变化。 
2.3 ONLINE测控公差设置太小,导致牵引电机速度变化较快,变化过程中产生惯性导致速度不稳. 
2.4 牵引电机反馈动作延迟。 
2.5 主电机转速不稳,塑料挤出时流量变化。 
2.6 模套太小,挤出发泡时的变化量与压力的关系较大。 
2.7 放线张力不均匀,导致线速度变化。 
2.8 温度调节不当,氮气与塑料混合不均匀。 
解决方法: 
2.1 经常更换滤网,增加滤网层数。 
2.2 适当减小氮气压力。 
2.3 适当增大ONLINE的测控公差设置。 
2.4 调节变频器参数。 
2.5 适当增大模套。 
2.6 调节放线张力。 
2.7 调节加热温度。 
(如下图例所示)φ45机为七段加热区,第3、4区之间为进气孔,氮气冲入时,将向压力较低(即温度较高的区域)的区域流动,φ45机螺杆较短, 可能氮气与熔体未充分混合就挤出,从而引起外徑大小不均匀,因此需降低第三区温度,升高第四区温度,使氮气回渗混合后再挤出,即从*作上增大混合段*度, 让氮气与塑料能充分混合,从而均匀发泡,使外徑相对稳定。
 
3. 如确认氮气进气气路畅通,氮气气量充足后,氮气进气仍较困难 
原因分析: 
料铜内压力太大,与氮气压力基本相当,氮气无法进入料筒。 
解决方法: 
3.1 清除滤网上的杂质,使塑料畅通挤出。 
3.2 检查模套是否太小,或內模、模套间距是否太小,从而增大了螺杆压力。 
3.3 适当升高进气孔旁进料端加热器温度(升高20~30度为宜)。
4. 氮气进气孔堵塞 
原因分析: 
料筒内压力较大时释放氮气,气管内压力大大降低,如进气阀的逆向阻碍不良,塑料易回渗至气管内,从而堵塞气体进入。 
解决方法: 
4.1 更换氮气时,让料筒内残留气体冲出,料筒内压力降低后方可更换。 
4.2 停机或发泡度超大时,不允许释放氮气,以防熔体回渗。
5. 芯线扁线 
原因分析: 
5.1 模套太小,塑料出模时发泡膨胀的应力过大且不均匀,导致扁线。 
5.2 温度偏高,定型速度较慢发生自变形。 
5.3 氮气量太大,发泡度过高。
解决方法: 
5.1 适当增大模套 
5.2 降低温度 
5.3 适当减小氮气

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