挤出工艺对长碳链尼龙管断裂伸长率的影响

张宁宁，王瑾，薛长鸣，吴宁

(上海亚大汽车塑料制品有限公司，上海 201708)

自20世纪90年代，随着世界各大汽车制造厂迁入我国，汽车制造业成为我国经济发展的主动力之一，从而使钢铁材料的需求大大增加。但随着环保要求的日益严格，汽车轻量化成了当今汽车产业发展的重要方向。各大汽车生产制造商竞相在汽车上采用塑料及轻金属材料，从而减轻整车质量达到节能减排的目的[1-2]。采用高性能塑料生产的汽车部件不仅大大减轻了整车质量，而且简化了汽车装配工艺，节省劳动力，降低制造成本[3-4]。在汽车工业中，长碳链尼龙(PA)，如PA11，PA12及PA1010或PA1012等具有优良的耐化学药品性、优异的低温抗冲击性、较小的流体流动阻力等许多优点，常用于汽车输油管、回油管和离合器软管等[5-7]。长碳链PA管，具有成本低、质量轻、易装配、抗紫外老化、耐腐蚀等优越的性能，在商用车气制动管上得到广泛应用[8-9]，但长碳链PA在重型卡车上使用具有一定的局限性。例如，当重卡在转弯时，制动管路处于被拉伸状态，此时管路受到沿轴向方向的拉伸力，管路产生拉伸应变，当管路的轴向断裂伸长率性能不足时，管路易产生断裂，给重卡的制动性能带来很大的安全隐患。李智等[10]研究了PA11管路处于拉伸状态时管路安全性存在的潜在风险，认为在管路选材和设计中需要重点避免管路断裂等风险。解决重卡在转弯制动时PA管路易断裂问题，提升PA管路的断裂伸长率，已成为提升整个制动系统可靠性的一项重要课题。

长碳链PA管主要通过挤出工艺成型，笔者以PA11为原料通过挤出成型制备PA11管，在挤出成型后对PA11管进行了火焰热处理，主要从挤出模具温度(模温)、挤出速度、冷却水温及火焰热处理强度等方面分析这些工艺参数对PA11管拉伸时轴向断裂伸长率(简称断裂伸长率)的影响，从而通过优化加工工艺参数以提高长碳链PA11管的断裂伸长率。

1 实验部分

1.1 主要原料

PA11：Rilsan@BESN P40TL Black，弯曲弹性模量为350 MPa，拉伸屈服强度为25 MPa，断裂伸长率≥50%，阿科玛中国投资有限公司。

1.2 主要设备和仪器

螺杆挤出机：PAL32 60-24D型，瑞士Maillefer公司；

火焰热处理装置：FTS 404DR型，Arcogas公司；

电子万能试验机：CMT4503型，深圳新三思材料检测有限公司。

1.3 加工工艺

根据螺杆的不同区域预先设定好挤出机不同的加热温度(输送区190℃，塑化区215℃，均化区220℃，计量区220℃)，将PA11粒子加入到挤出机中，熔融塑化后的原料不断进入挤出模具后成为具有一定形状的熔融料胚，熔融的料胚在螺杆的推动下稳定地进入真空定径罐中进行冷却结晶与定径，定型后的PA11管进入冷却水槽再次进行冷却达到充分结晶。为了去除PA11管在真空定径罐中的内应力，提升PA11管的拉伸性能，即在冷却后对PA11管进行火焰热处理，处理后的PA11管因为管体温度高，还需进入冷却水槽进一步冷却，火焰热处理前后的冷却水温保持一致。充分冷却结晶后的PA11管通过牵引机稳定地迁出冷却水罐(挤出速度通过调整牵引机的速度实现)，最后PA11管通过裁切器后裁切为特定长度的管段，即完成整个PA11管的生产。加工工艺流程简图如1所示。

图1 长碳链PA11管挤出加工工艺流程简图

1.4 断裂伸长率测试

截取长度约150 mm的PA11管，向PA11管两端内插入较管内径大0.5 mm、长度约30 mm的钢制忒轴。将插好忒轴的PA11管加持到电子万能试验机的夹具上，夹具的形状为V型槽。将PA11管在试验机上固定好后，以100 mm／min的速度对PA11管进行拉伸测试，具体方法参照GB／T 1040.2-2006。考察断裂伸长率的每组样品数量为5个，结果取平均值。

2 结果与讨论

首先对拉伸后的PA11管表面进行观测，发现由于试验机施加与管子挤出方向(即轴向)相同的拉力，使PA11管表面产生许多“橘皮”状缺陷，由于缺陷的产生和扩张，造成其断裂。拉伸后试样的缺陷见图2。

图2 拉伸后PA11管的表面状态

PA11管挤出加工过程中影响断裂伸长率的主要因素有模温、挤出速度、冷却水温及火焰热处理强度。后续试验与分析均基于所生产的外径为8 mm，壁厚为1 mm的长碳链PA11管。

2.1 模温对PA11管断裂伸长率的影响

挤出时模温太低会导致熔体流动效果较差，而模温太高塑料可能部分降解，进而影响力学性能，PA11材料的正常加工温度为210～245℃，所以在挤出速度为25 m／min、冷却水温为20℃和火焰热处理强度为0的条件下分别考查了模温为210，220，225，230，235，245℃时 PA11 管的断裂伸长率，结果见表1。

表1 不同模温下PA11管的断裂伸长率

由表1可以看出，随着模温的上升，PA11管断裂伸长率增加，但当温度过高时其断裂伸长率有明显下降，且标准偏差较大。随着模温的升高，PA11的熔体流动性能提高，进而使高分子无序线团的移动能力提高，当遇冷结晶时，PA11的结晶度降低，晶型更小[11]，从而提升了制品的拉伸韧性，表现为PA管的断裂伸长率升高。但模温过高，部分聚合物发生降解，致使其断裂伸长率降低且不稳定，故最佳的模温为235℃。

2.2 挤出速度对PA11管断裂伸长率的影响

基于上述最佳的模温235℃下，固定冷却水温为20℃和火焰热处理强度为0，对不同挤出速度下生产的PA11管的断裂伸长率进行考察，其结果见表2。

表2 不同挤出速度下PA11管的断裂伸长率

由表2可以看出，随着挤出速度的降低，挤出的PA11管的断裂伸长率上升明显。当挤出速度降低时，PA11管的拉伸取向减弱，内应力降低[12]，从而使断裂伸长率提高。考虑到工厂加工效率的问题及气制动管的断裂伸长率要求值≥170%，建议PA11管的挤出速度为25 m／min。

2.3 冷却水温对PA11管断裂伸长率的影响

在工业生产中，需要对关键的工艺参数之一的冷却水温实现可控，以达到挤出PA管的快速冷却效果。工厂中通常采用压缩机对冷却水进行降温，并实现温度可控。基于上述最佳的模温235℃、推荐的挤出速度25 m／min，在火焰热处理强度为0时，采用不同的冷却水温，对生产的PA11管的断裂伸长率进行考察，其结果见表3。

表3 不同冷却水温下PA11管的断裂伸长率

由表3可以看出，随着冷却水温的降低，其生产的PA11管的断裂生产率提高。随着水温的降低，熔体冷却速度快，熔体的过冷程度大，骤冷甚至使聚合物来不及结晶，聚合物结晶度低且球晶小[13]，从而提高了PA11管的断裂伸长率，但是考虑到压缩机的制冷量及功耗等因素，建议冷却水温为20℃。

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2.4 热处理对PA11管断裂伸长率的影响

由于塑料在挤出时分子链被迫取向，被取向的分子链有恢复自然状态的趋势，如果挤出的冷却速率太快，来不及恢复或恢复得过少，会造成制品内应力过度集中。为了消除内应力，对挤出的PA11管进行火焰热处理。基于上述最佳的模温235℃、推荐的挤出速度25 m／min及冷却水温为20℃条件下，对不同的火焰热处理强度下生产的PA11管的断裂伸长率进行考察，其结果见表4。由表4可以看出，在未对PA11管进行火焰热处理时，PA11管的断裂伸长率较低，随着火焰热处理强度的提高其断裂伸长率增加，而当火焰热处理强度过大时又会使PA11管的断裂伸长率下降。PA11管在真空定径罐中进行冷却定型时，由于真空的作用，对融化的料胚施加了应力，而在料胚冷却结晶过程中这种施加的应力转为PA11管的内应力。在适当的火焰热处理强度下PA11管的内应力逐渐被释放[14-15]，所以断裂伸长率随着火焰热处理强度的升高而增加；但高火焰热处理强度会使PA11管表面材料炭化，从而使其断裂伸长率降低。为了达到PA11管最佳的断裂伸长率，其火焰热处理强度为40%。

表4 不同火焰热处理强度下PA11管的断裂伸长率

2.5 最佳工艺条件下PA11管的表面形貌

经上述分析，得到最佳的挤出加工工艺条件为模温235℃、挤出速度25 m／min、冷却水温20℃、火焰热处理强度40%，在最佳工艺条件下对生产的PA11管拉伸测试后样件的表面进行观察，发现管表面的“橘皮”缺陷基本消除，具体见图3。

图3 最佳工艺条件下PA11管拉伸试样表面状态

由图2和图3对比可以看出，未经火焰处理的PA11管在拉伸过程中其表面产生缺陷，随着拉伸变形越来越大，其缺陷被不断扩张，直到断裂。而经过火焰热处理后，分子链进行重排、再结晶，PA11管的微观缺陷减少，大分子链趋于挤出方向的有序排列性降低[16]，从而使拉伸时造成断裂的缺陷减少，进而提高PA11管的断裂伸长率。

3 结论

(1)模温对生产的长碳链PA11管断裂伸长率有一定程度的影响，随着模温的升高其断裂伸长率呈现先升高后降低的趋势，最佳的模温为235℃。

(2)挤出速度对生产的长碳链PA11管断裂伸长率的影响非常明显，随着挤出速度的降低，其断裂伸长率升高，但是考虑生产效率，推荐挤出速度为25 m／min。

(3)冷却水温对生产的长碳链PA11管断裂伸长率有较小程度的影响，随着冷却水温的降低，其断裂生产率有所增加，但是考虑到压缩机的制冷能力，推荐冷却水温为20℃。

(5)通过优化挤出工艺参数，如模温、挤出速度、冷却水温及火焰热处理强度可以大幅提升长碳链PA11管的断裂伸长率，使其断裂伸长率能达到219%，远远高于气制动管断裂伸长率最低指标(170%)的要求。