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在塑料加工业里，挤出工艺是由塑料原料生产实用半成品的最常见方法之一。此领域的创新源于同其它生产工艺、产品新概念和经济压力的竞争，所以挤出设备制造商面临着不断改进其自身技术的挑战。以模头出口形状为基础对挤出系统进行分类，由此相应可以区别和确定出四组： 圆形、缝口、环形和自由双维。
在所有的这些种类当中，塑料的成形发生于它处于熔融态之时。从流体动力学的角度出发，这种熔融条件是由大量流变现象所决定的。很多这些现象尚未被完全了解，只有几种特色被表现得还算令人满意。业内表现流动特性所应用的技术从单一测量，例如MFI值，到确定粘性与弹性之间的关系，再到利用超声波的在线测量技术。近年的理论与实际研究以描述挤出模头流动性能为目标，借助了材料数据和流动模式，已经增进了对挤出模头中所发生过程的了解。 （图片） 基本上，挤出模头被用于由挤出机提供的常见圆形熔体流来形成所需的产品剖面。所以当塑料处于熔融态时，半成品的基本形状已由模头决定了。工艺步骤与压力下降有关，所以挤出模头也影响着挤出机压力和产量的关系。两个部分应当尽可能紧密地相互配合，因为除了挤出料的质量以外，整个挤出生产线的经济性也与这种互依关系有关。
同样，有必要使模头配合下游设备，因为通过校正，必须纠正和补偿熔体的膨胀或温度差别，以稳定产品的尺寸。
圆形剖面模头
带圆形剖面的模头被用于生产纤维、胶粒、细丝、实心棒等。所谓喷丝头中有最小直径0.05mm，偏差为±1μm的出口剖面。在这个区域，具有几千个孔、用于非织造的单独模头和喷丝头找到了用场。每个喷丝细管之前有带入角的过渡区，而入口区也有倒角，如图1所示。入角α和β经常成喇叭状或杯状，为的是使带给熔体的变形尽可能的小。通过L/D比率和入角的特别变化，可以完成材料与产品的匹配。 （图片）
图1：左为带有经典几何参数的简易型抽丝模头的分段表示；
中间显示的是流速: 右为熔体从喷丝注嘴头中引出。 在造粒模头中，各个出口剖面或开口被排列成直线型或圆形。这些开口（直径常为2.4-3.5mm）的排列与是热造粒还是冷造粒以及熔体供应方式有关系。除了加宽的机械阻抗以外，向所有开口均匀地供应熔体对于这类的模头的作业是决定性的。在放料出口区域，模板承受着来自切刀和流体变化的极度磨损。通过利用特殊设计的模具，甚至更为有效的是通过使用3-5mm厚的陶瓷或硬质金属模板作为“护甲”，可以对付这种磨损。
而且，这些陶瓷/硬质金属模板的相对不良导热性提供了良好的隔热性，防止熔体在从模头出来之前过早地“冷却”。因为有时PP材料的吞吐量很高，达到了25kg/h，每个开口必须适应，所以除了剪切变形以外，必须特别考虑因延伸/拉长所引起的熔体变形。一方面，为了把熔体因分散所受载荷保持在特定材料可承受的限度之内；另外一方面控制由此产生的模头压力，入口角通常小于30度，L/D比率在4.5-7.5之间。
近年来，工业和研究机构已经加强了对毛细管内流动现象的研究，目的是提高现有的数学模式、从流体动力学来优化入口和出口区和促进形成新的表面涂层。
切口形剖面模头
带缝口或切口的挤出模头被用于生产片材、膜材，以及用于涂覆平卷材。这种所谓片材模头的功能是把熔体流从圆形剖面转变到狭窄的矩形截面，从而熔体在出口宽度上有着最为均一的粘度分布。为了沿整个模头宽度获得对称的熔体分布，流变优化的流道被利用，根据用途不同能形成各种形状。最常碰到的分布形状是衣架式模头，其分布流道截面是递减的（图2）。（图片）
图2：上为带衣架式分配器的片材模头剖面图；下为T型分配式模头 鱼尾状分布也是很常见的，它对于极宽的模头是首选的。在今天95%的应用当中，模头表面镀有硬质铬，或被抛光，只有极少数的进行专门的表面涂装。片材模头中分配道的式样通常是针对狭窄操作窗口的，跟材料和工艺参数有关。出现偏离操作点的情况时，导致厚度变化的不统一流动速度转到牵引方向。为了清除这样的厚度差异，在片材模头中应用了限位杆和活动模唇。为此目的，可调节模缝的调节螺丝被放置得沿模头宽度都有均一的空隙。流道高度的这种变化影响着局部的流动速度。许多高度自动化的膜材和包装物生产线现在利用了自动化模头。在这些模头中，模唇的调节自动发生，从而模缝和产品厚度分布被联系在一起了。热膨胀销、转化器或带电机的制动器可以当作制动部件。
模缝宽度及模头宽度和后续设备和产品有关。现在的模头宽度范围从100-8000mm，模缝为0.5-70mm。为了使产品宽度的变化在一定范围之内，定边杆被从侧边引入到流道中，或者调边带被安装在出孔的前面，能使模头的工作宽度降低。这些定边系统被成功应用于单层和多层产品的挤出中，且首先用于涂装中。通常，电气加热腔和加热板被用于加热模体。外表面的隔离和模头的整体封装正作为减少热损失的手段而变得越来越普通。
环形剖面模头
带环形剖面的模头被用于挤出管道、管材、吹塑膜、吹塑料泡和线缆的被覆。带无缝环形剖面的半成品生产主要用的是四种挤出模头类型，这些一般有为了熔体分配而采取的方法。这是通过针对类型而特制的流道结构而静态完成的，也就是说熔体被强制通过预分配器，然后被一个或更多的分配系统所展开。与这种静态熔体分配的经典方法相反，Paderborn大学正在测试和精制一种用于薄膜和管材的新型动态模头。
在图3用图表描述的模头类型中，借助旋转的分配器形状（代表着这种动态熔体分配器系统的核心），产生了熔体的分配，这是由进入的熔体所单独推动的。 （图片）
图3：带旋转分配器的模头，显示出分配器的流动 对于管材挤出来说，中央加入的模头被用于多数塑件。对于吹膜、增强管、吹塑料泡和线缆的被覆来说，模头通常由侧边以90度的角来被加料。当设计共挤出模头时，经常要用到不同模头类型和加料方向的组合。
不管式样，注嘴把它重组起来的热流道装配在一起，模头出口必须与模基本结合，要么直接要么通过可更换的适配器。这些流道区域的设计与产品和材料有着关联，表现出较少的标准化程度。例如，当通过蜘蛛状模头生产PVC管时，向较小出口截面的压缩对于保证产品质量是重要的。在多数情况下，管材挤出和吹塑料泡的生产涉及到直径的缩小。这里一般的缩小系数从2：1到6.5：1。与之相反，吹膜模头和大口径管材用的模头要会涉及到模头出口的增加。扩大的截面积可以多达1：2.5。在任何情况下，持续加速的流道应当总是在注嘴区域里。
很多情况中的平行区可以在注嘴区末端根据缝宽进行调节。所谓的曲环技术可以对模头缝隙乃至厚度偏差进行更准确的调整，只是近年来在管材和吹膜领域得到了认可。这种技术要在靠近放料口处在外部模环中更换一个弹性套管。均匀沿圆周放置的调节螺丝被放到外部模环中，目的是进行调节。这些螺丝可以使弹性套管进行可逆转的变形，从而可以对流经环形模缝的流体的局部抵抗进行非常精确的调节。
模头长度与模缝之比与被加工材料有关，管材模头是2：1到30：1。
异型剖面模头
通过挤出方式做出的塑料异型材可以被粗略分为实心杆状型材、敞开型材和空心型材。按照所加工的数量，型材生产最重要的树脂仍然为PVC。PVC型材被用于制造门窗框架、百叶窗、电缆槽和其它建筑业用到的半成品。其它材料，如ABS、PS、PP、PE和PMMA，在家具、汽车和电器电子行业派上了用场。
熔体开始时是在轮廓区里成形，而最终模样是在后面的校正区通过同步冷却来形成的。模头出口与校正段的配合比前面所讨论的用于稳定熔体成形过程的模头更为重要，也比型材的尺寸准确度和稳定性更重要。
最简单类型的型材模头由单独的流道所组成，其末端放有一个具有理想型材形状的孔。这种设计常被用于橡胶型材生产所用到的丁字模头中。
从流体动力学的观点出发，更为理想的是多级型材模头由几个依次排列的模板所组成。从加料端来看，每个模板保持一种形状，越来越近地组装型材的最终形状。模板间的转变逐渐减小，从而不会有死区产生。多级构造大大地避免了不必要的死区，但会使成本比有成型孔的简单模头要高出很多。多级模头不会结合鱼雷式模头。
空心型材用模头总是带有鱼雷式模头。这种型材模头由几个模板组成，其开口描述出挤出物的外部形状。内部装有鱼雷式模头，把进来的熔体展开，并形成空心样子。这些模板形成了模头的各个功能区，分为进料区、分布区、压缩区和平行区（图4）。 （图片）
图4：门窗框型材用空腔模头 碟包型材模头代表着空心型材生产的另一种概念。分段结构和流道设计与前面所述模头的是接近的。区别在于鱼雷式模头的设计，它也被分成几个段，每个段由腿支撑着。
因为有这样的流道结构，这种模头类别极为复杂，只能借助CFD程序从流体动力学的角度来进行描述。然而，模拟程度所提供的设计可能性因为从流变学上难于描述材料的特征而受到限制，例如PVC和橡胶系统。
总结：节省原材料的经济需求在一些场合正引发较高级别材料的使用或者增强型混合料的使用，目的是确保材料用量减少的情况下机械性能相同。另一种满足这种需求的方法是通过使用较为便宜的材料，例如回收或填充矿物的材料。物理与机械特性，以及和生产有关的需求和生产技巧正对模头概念产生着深远的影响。
如开始时所介绍的，挤出模头是挤出生产线概念中的一个组成，也必须满足和“操控”有关的要求。通过结合模头注嘴的快换机制、为快速材料更换提供专门装置、考虑和环境的可能相互作用、甚至规划快速模头更换，如此的设计和工艺技术可以应对这样的要求。
原载《国际塑料商情》
5/21/2006
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