擠出工藝對長碳鏈尼龍管斷裂伸長率的影響

張寧寧，王瑾，薛長鳴，吳寧

(上海亞大汽車塑料制品有限公司，上海 201708)

自20世紀(jì)90年代，隨著世界各大汽車制造廠遷入我國，汽車制造業(yè)成為我國經(jīng)濟發(fā)展的主動力之一，從而使鋼鐵材料的需求大大增加。但隨著環(huán)保要求的日益嚴(yán)格，汽車輕量化成了當(dāng)今汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要方向。各大汽車生產(chǎn)制造商競相在汽車上采用塑料及輕金屬材料，從而減輕整車質(zhì)量達到節(jié)能減排的目的[1-2]。采用高性能塑料生產(chǎn)的汽車部件不僅大大減輕了整車質(zhì)量，而且簡化了汽車裝配工藝，節(jié)省勞動力，降低制造成本[3-4]。在汽車工業(yè)中，長碳鏈尼龍(PA)，如PA11，PA12及PA1010或PA1012等具有優(yōu)良的耐化學(xué)藥品性、優(yōu)異的低溫抗沖擊性、較小的流體流動阻力等許多優(yōu)點，常用于汽車輸油管、回油管和離合器軟管等[5-7]。長碳鏈PA管，具有成本低、質(zhì)量輕、易裝配、抗紫外老化、耐腐蝕等優(yōu)越的性能，在商用車氣制動管上得到廣泛應(yīng)用[8-9]，但長碳鏈PA在重型卡車上使用具有一定的局限性。例如，當(dāng)重卡在轉(zhuǎn)彎時，制動管路處于被拉伸狀態(tài)，此時管路受到沿軸向方向的拉伸力，管路產(chǎn)生拉伸應(yīng)變，當(dāng)管路的軸向斷裂伸長率性能不足時，管路易產(chǎn)生斷裂，給重卡的制動性能帶來很大的安全隱患。李智等[10]研究了PA11管路處于拉伸狀態(tài)時管路安全性存在的潛在風(fēng)險，認(rèn)為在管路選材和設(shè)計中需要重點避免管路斷裂等風(fēng)險。解決重卡在轉(zhuǎn)彎制動時PA管路易斷裂問題，提升PA管路的斷裂伸長率，已成為提升整個制動系統(tǒng)可靠性的一項重要課題。

長碳鏈PA管主要通過擠出工藝成型，筆者以PA11為原料通過擠出成型制備PA11管，在擠出成型后對PA11管進行了火焰熱處理，主要從擠出模具溫度(模溫)、擠出速度、冷卻水溫及火焰熱處理強度等方面分析這些工藝參數(shù)對PA11管拉伸時軸向斷裂伸長率(簡稱斷裂伸長率)的影響，從而通過優(yōu)化加工工藝參數(shù)以提高長碳鏈PA11管的斷裂伸長率。

1 實驗部分

1.1 主要原料

PA11：Rilsan@BESN P40TL Black，彎曲彈性模量為350 MPa，拉伸屈服強度為25 MPa，斷裂伸長率≥50%，阿科瑪中國投資有限公司。

1.2 主要設(shè)備和儀器

螺桿擠出機：PAL32 60-24D型，瑞士Maillefer公司；

火焰熱處理裝置：FTS 404DR型，Arcogas公司；

電子萬能試驗機：CMT4503型，深圳新三思材料檢測有限公司。

1.3 加工工藝

根據(jù)螺桿的不同區(qū)域預(yù)先設(shè)定好擠出機不同的加熱溫度(輸送區(qū)190℃，塑化區(qū)215℃，均化區(qū)220℃，計量區(qū)220℃)，將PA11粒子加入到擠出機中，熔融塑化后的原料不斷進入擠出模具后成為具有一定形狀的熔融料胚，熔融的料胚在螺桿的推動下穩(wěn)定地進入真空定徑罐中進行冷卻結(jié)晶與定徑，定型后的PA11管進入冷卻水槽再次進行冷卻達到充分結(jié)晶。為了去除PA11管在真空定徑罐中的內(nèi)應(yīng)力，提升PA11管的拉伸性能，即在冷卻后對PA11管進行火焰熱處理，處理后的PA11管因為管體溫度高，還需進入冷卻水槽進一步冷卻，火焰熱處理前后的冷卻水溫保持一致。充分冷卻結(jié)晶后的PA11管通過牽引機穩(wěn)定地遷出冷卻水罐(擠出速度通過調(diào)整牽引機的速度實現(xiàn))，最后PA11管通過裁切器后裁切為特定長度的管段，即完成整個PA11管的生產(chǎn)。加工工藝流程簡圖如1所示。

圖1 長碳鏈PA11管擠出加工工藝流程簡圖

1.4 斷裂伸長率測試

截取長度約150 mm的PA11管，向PA11管兩端內(nèi)插入較管內(nèi)徑大0.5 mm、長度約30 mm的鋼制忒軸。將插好忒軸的PA11管加持到電子萬能試驗機的夾具上，夾具的形狀為V型槽。將PA11管在試驗機上固定好后，以100 mm／min的速度對PA11管進行拉伸測試，具體方法參照GB／T 1040.2-2006。考察斷裂伸長率的每組樣品數(shù)量為5個，結(jié)果取平均值。

2 結(jié)果與討論

首先對拉伸后的PA11管表面進行觀測，發(fā)現(xiàn)由于試驗機施加與管子擠出方向(即軸向)相同的拉力，使PA11管表面產(chǎn)生許多“橘皮”狀缺陷，由于缺陷的產(chǎn)生和擴張，造成其斷裂。拉伸后試樣的缺陷見圖2。

圖2 拉伸后PA11管的表面狀態(tài)

PA11管擠出加工過程中影響斷裂伸長率的主要因素有模溫、擠出速度、冷卻水溫及火焰熱處理強度。后續(xù)試驗與分析均基于所生產(chǎn)的外徑為8 mm，壁厚為1 mm的長碳鏈PA11管。

2.1 模溫對PA11管斷裂伸長率的影響

擠出時模溫太低會導(dǎo)致熔體流動效果較差，而模溫太高塑料可能部分降解，進而影響力學(xué)性能，PA11材料的正常加工溫度為210～245℃，所以在擠出速度為25 m／min、冷卻水溫為20℃和火焰熱處理強度為0的條件下分別考查了模溫為210，220，225，230，235，245℃時 PA11 管的斷裂伸長率，結(jié)果見表1。

表1 不同模溫下PA11管的斷裂伸長率

由表1可以看出，隨著模溫的上升，PA11管斷裂伸長率增加，但當(dāng)溫度過高時其斷裂伸長率有明顯下降，且標(biāo)準(zhǔn)偏差較大。隨著模溫的升高，PA11的熔體流動性能提高，進而使高分子無序線團的移動能力提高，當(dāng)遇冷結(jié)晶時，PA11的結(jié)晶度降低，晶型更小[11]，從而提升了制品的拉伸韌性，表現(xiàn)為PA管的斷裂伸長率升高。但模溫過高，部分聚合物發(fā)生降解，致使其斷裂伸長率降低且不穩(wěn)定，故最佳的模溫為235℃。

2.2 擠出速度對PA11管斷裂伸長率的影響

基于上述最佳的模溫235℃下，固定冷卻水溫為20℃和火焰熱處理強度為0，對不同擠出速度下生產(chǎn)的PA11管的斷裂伸長率進行考察，其結(jié)果見表2。

表2 不同擠出速度下PA11管的斷裂伸長率

由表2可以看出，隨著擠出速度的降低，擠出的PA11管的斷裂伸長率上升明顯。當(dāng)擠出速度降低時，PA11管的拉伸取向減弱，內(nèi)應(yīng)力降低[12]，從而使斷裂伸長率提高?？紤]到工廠加工效率的問題及氣制動管的斷裂伸長率要求值≥170%，建議PA11管的擠出速度為25 m／min。

2.3 冷卻水溫對PA11管斷裂伸長率的影響

在工業(yè)生產(chǎn)中，需要對關(guān)鍵的工藝參數(shù)之一的冷卻水溫實現(xiàn)可控，以達到擠出PA管的快速冷卻效果。工廠中通常采用壓縮機對冷卻水進行降溫，并實現(xiàn)溫度可控。基于上述最佳的模溫235℃、推薦的擠出速度25 m／min，在火焰熱處理強度為0時，采用不同的冷卻水溫，對生產(chǎn)的PA11管的斷裂伸長率進行考察，其結(jié)果見表3。

表3 不同冷卻水溫下PA11管的斷裂伸長率

由表3可以看出，隨著冷卻水溫的降低，其生產(chǎn)的PA11管的斷裂生產(chǎn)率提高。隨著水溫的降低，熔體冷卻速度快，熔體的過冷程度大，驟冷甚至使聚合物來不及結(jié)晶，聚合物結(jié)晶度低且球晶小[13]，從而提高了PA11管的斷裂伸長率，但是考慮到壓縮機的制冷量及功耗等因素，建議冷卻水溫為20℃。

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2.4 熱處理對PA11管斷裂伸長率的影響

由于塑料在擠出時分子鏈被迫取向，被取向的分子鏈有恢復(fù)自然狀態(tài)的趨勢，如果擠出的冷卻速率太快，來不及恢復(fù)或恢復(fù)得過少，會造成制品內(nèi)應(yīng)力過度集中。為了消除內(nèi)應(yīng)力，對擠出的PA11管進行火焰熱處理?；谏鲜鲎罴训哪?35℃、推薦的擠出速度25 m／min及冷卻水溫為20℃條件下，對不同的火焰熱處理強度下生產(chǎn)的PA11管的斷裂伸長率進行考察，其結(jié)果見表4。由表4可以看出，在未對PA11管進行火焰熱處理時，PA11管的斷裂伸長率較低，隨著火焰熱處理強度的提高其斷裂伸長率增加，而當(dāng)火焰熱處理強度過大時又會使PA11管的斷裂伸長率下降。PA11管在真空定徑罐中進行冷卻定型時，由于真空的作用，對融化的料胚施加了應(yīng)力，而在料胚冷卻結(jié)晶過程中這種施加的應(yīng)力轉(zhuǎn)為PA11管的內(nèi)應(yīng)力。在適當(dāng)?shù)幕鹧鏌崽幚韽姸认翽A11管的內(nèi)應(yīng)力逐漸被釋放[14-15]，所以斷裂伸長率隨著火焰熱處理強度的升高而增加；但高火焰熱處理強度會使PA11管表面材料炭化，從而使其斷裂伸長率降低。為了達到PA11管最佳的斷裂伸長率，其火焰熱處理強度為40%。

表4 不同火焰熱處理強度下PA11管的斷裂伸長率

2.5 最佳工藝條件下PA11管的表面形貌

經(jīng)上述分析，得到最佳的擠出加工工藝條件為模溫235℃、擠出速度25 m／min、冷卻水溫20℃、火焰熱處理強度40%，在最佳工藝條件下對生產(chǎn)的PA11管拉伸測試后樣件的表面進行觀察，發(fā)現(xiàn)管表面的“橘皮”缺陷基本消除，具體見圖3。

圖3 最佳工藝條件下PA11管拉伸試樣表面狀態(tài)

由圖2和圖3對比可以看出，未經(jīng)火焰處理的PA11管在拉伸過程中其表面產(chǎn)生缺陷，隨著拉伸變形越來越大，其缺陷被不斷擴張，直到斷裂。而經(jīng)過火焰熱處理后，分子鏈進行重排、再結(jié)晶，PA11管的微觀缺陷減少，大分子鏈趨于擠出方向的有序排列性降低[16]，從而使拉伸時造成斷裂的缺陷減少，進而提高PA11管的斷裂伸長率。

3 結(jié)論

(1)模溫對生產(chǎn)的長碳鏈PA11管斷裂伸長率有一定程度的影響，隨著模溫的升高其斷裂伸長率呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，最佳的模溫為235℃。

(2)擠出速度對生產(chǎn)的長碳鏈PA11管斷裂伸長率的影響非常明顯，隨著擠出速度的降低，其斷裂伸長率升高，但是考慮生產(chǎn)效率，推薦擠出速度為25 m／min。

(3)冷卻水溫對生產(chǎn)的長碳鏈PA11管斷裂伸長率有較小程度的影響，隨著冷卻水溫的降低，其斷裂生產(chǎn)率有所增加，但是考慮到壓縮機的制冷能力，推薦冷卻水溫為20℃。

(5)通過優(yōu)化擠出工藝參數(shù)，如模溫、擠出速度、冷卻水溫及火焰熱處理強度可以大幅提升長碳鏈PA11管的斷裂伸長率，使其斷裂伸長率能達到219%，遠遠高于氣制動管斷裂伸長率最低指標(biāo)(170%)的要求。