图 1：挤压机。

表的内容

1. 介绍
2. 挤出成型工艺
3. 聚合物挤出和工艺控制中的挑战
4. Rheonics SRV 在线过程粘度计
   • 数据集成
   • 安装选项
     • 垂直安装
     • 平行安装插入弯头
     • 平行插入式在线 – 晶圆电池工艺适配 – SRV Stargate

• • 安装的主要注意事项
    • • 与流体接触的传感区域
      • 高温
      • 高压力
      • 探头过程连接和密封
      • 垂直安装的探头限制

介绍

挤出成型是一种高效且用途广泛的制造工艺，适用于各种行业，用于生产连续型材，例如管材、板材、薄膜等。它具有高生产速度、材料效率，并且能够以一致的质量制造复杂的横截面形状。挤出制造在全球聚合物和塑料生产中发挥着重要作用。近年来，自动化、实时过程监控和制造工艺的进步oring、可持续材料以及回收过程的相关性，通过减少浪费提高了精度并减少了对环境的影响。

实时进程监控oring 是确保产品质量的关键。温度和压力监测技术取得了巨大进步oring 挤出工艺。然而，在线粘度监测oring尽管粘度是影响熔体流动和模具填充的关键因素之一，甚至比温度和压力更重要，但粘度测量仍面临多重挑战。人们已经测试了不同的粘度测量方法，结果好坏与成本、校准、重复性等有关，这些都会影响操作员的信心。在这种情况下， Rheonics SRV 在线粘度计能够在挤出机的恶劣条件下重复测量粘度，从而填补了完整聚合物挤出过程控制的空白。

挤出成型工艺

挤压可以定义为一种连续制造工艺，用于制造具有 一致的横截面 通过强制熔融材料通过模具或孔口形成形状。挤出机也可以用作其他制造工艺（热成型、注塑、吹塑等）的一部分。挤出广泛应用于 塑料、金属和橡胶 生产以下产品的行业 管道、管材、板材、薄膜和型材.

本案例研究的重点是聚合物挤压。与金属挤压相比，只要将材料送入挤压机，聚合物挤压就可以连续进行。挤压主要用于热塑性塑料，但也可以加工弹性体和热固性塑料。

挤出机一般由以下部件组成。 料斗，聚合物材料被送入其中。 进料螺杆 沿着 桶. 螺杆由 马达驱动 单元和变速箱，并迫使材料流过 该. 加热元件位于料筒上方的受控温度下的喷嘴软化并熔化聚合物材料。在模具之后，可以使用具有一个或多个腔体的模具，其中熔融材料被冷却以形成所需物体的形状。一些机器使用 齿轮泵 料筒末端和模具之间保持流出材料中明确规定的恒定压力。

螺杆和机筒组件挤出给定材料的能力取决于塑料材料的特性、螺杆和机筒的特性或结构、以及系统运行的条件。

图 2：聚合物挤出机主要部件。

聚合物挤出和工艺控制中的挑战

聚合物挤出是一个复杂的过程，需要精确控制多个参数以确保高质量的输出。尽管技术不断进步，但挤出过程及其控制系统仍然存在一些挑战。这些挑战会影响产品的一致性、效率和总体制造成本。

关键工艺参数包括螺杆转速、模具和机筒温度、熔体粘度、熔体温度、质量流速、熔体压力、冷却速率等。[1]。由于有多种技术可用，温度和压力被认为是挤出工艺中最常见的在线监测参数。然而，熔体粘度（描述为流体流动的阻力）虽然是该工艺中最重要的参数之一，但却不易在线测量或监测。熔体的粘度与多种特性有关，例如：

• 厚度
• 强度
• 恒定截面
• 流体成分的一致性——填料、纤维、着色剂等的均匀混合。
• 能源消耗
• 热降解

熔融流体的粘度过高会导致流动性差、压力过大和模具堵塞，从而导致表面粗糙和翘曲等缺陷。相反，粘度过低会导致下垂、过度收缩或机械性能较弱。因此，目标是在挤出过程中尽可能保持粘度恒定。

在大多数情况下，塑料是假塑性材料，这意味着当它们移动（剪切）得更快时，它们的粘度会降低（更容易流动）。因此，压力和流量之间不存在线性关系，剪切应力（单位面积的力，通常以 Pa 为单位）和剪切速率（流体平行层的运动速率，以 s-1 为单位）之间也不存在线性关系。

目前，没有适合监测的在线传感器oring 实时测量挤出熔体的粘度。毛细管流变仪是研究聚合物流变性质的著名实验室仪器。它使用活塞将熔体强制通过毛细管（非常细）模具，试图模拟挤出机中发生的过程。尽管这是一种广为接受的粘度测试仪器，但它无法提供熔体流体的实时在线数据。该方法的主要问题是：

• 需要取样
• 不具有真正的代表性
• 不连续监测oring
• 需要大量维护和保养

Rheonics SRV 在线过程粘度计

SRV 是 Rheonics 在线粘度计适用于各种粘度、温度和压力。 Rheonics SRV 使用非常紧凑的探头，安装说明简单，无需维护或重新校准。由于 SRV 紧凑的设计，用户可以采用多种安装类型。

图3： Rheonics 带螺纹连接的细线型 SRV 粘度计。

数据集成

Rheonics SRV 可实时在线显示挤出机中的动态粘度和温度等关键参数。该传感器可轻松集成到本地监控器oring 通过运行多种工业协议的强大电子设备，实现自动化和控制系统。更多信息请参见 电子行业 Rheonics 页.

Rheonics 传感器还将测量数据和传感器状态数据存储在板载历史记录器中。此自动记录器可通过 Rheonics RCP 软件可用于查看监控参数的历史信息。

安装选项

垂直安装

Rheonics SRV 垂直于熔体流放置，并具有足够的浸入深度，以使探头的传感元件与流体接触。

这种安装方式的主要优点是，它可能是所有安装方式中最简单的。SRV 可以安装在温度或压力传感器使用的现有端口中，主要区别在于 SRV 探头需要在管线中伸出，这是一种侵入式探头。

然而，这种垂直安装的主要缺点是，由于流体的高粘度和高速度，探头会承受很大的弯曲力。粘性负载对于垂直安装的标准 SRV 探头来说可能是一个问题，因为它会增加过多的噪音或损坏探头。有关管线尺寸与质量或体积速率限制之间的关系，请参阅“垂直安装中的探头限制”部分或文章 适用于高粘度流体和高流速的 SR 探头.

此安装的主要考虑因素是管线尺寸、流体速度或流速和粘度范围。管线尺寸应大于 50 – 55 毫米 (2”)，以便 SRV 探头传感元件能够正确暴露于流体。将流体速度和粘度范围与“垂直安装中的探头限制”部分中的表格进行比较，以验证探头将承受的力。 Rheonics 为高压和高弯曲力的情况提供 SRV-HP。

图4： Rheonics SRV垂直安装在挤出生产线上。

平行安装插入弯头

有些挤出机在模具前有一个弯头，用于容纳与流动方向轴向的测量仪器，如温度传感器。这也可以用于 Rheonics 用于并行安装的在线粘度计 SRV。

与垂直安装相比，这种安装的主要优点是减少了流体对探头施加的力。平行安装还可以使传感元件保持在管线的中心位置，避免可能影响读数的沉积物。 SRV-X6 细长探头 可用于最小压降，并与小于 50-55 毫米 (2”) 的管线兼容。

这种安装的主要限制是需要在模具前使用弯头。这需要对机器进行大量干预，并改变挤出材料的方向，因此这种安装选项仅适用于生产线上已有弯头的挤出机。此外，这种安装可能会在弯头壁上的传感器底座周围产生污垢或流体停滞。这不会影响读数，但在任何生产线上都不是理想的情况。

图5： Rheonics SRV 平行安装在挤压生产线的弯头内。

平行插入式在线 – 晶圆电池工艺适配 – SRV Stargate

Rheonics Stargate-SRV-EM，也称为 Stargate Variant，旨在将 SRV 探头悬挂在工艺管道内安装的管线中心，就像晶圆单元适配器一样。该解决方案的优点是它能够抵抗高粘度和高速流体，并减少沉积的可能性。

对于这种安装，通常需要在生产线中增加延伸部分，但由于成本、返工或热管理问题，某些客户可能无法进行这种干预。

请注意，探头的背面朝向流体，这是承受高力所必需的。此外，除非可以在线使用缩径和扩径适配器，否则 SRV Stargate 变体需要订购与挤出线相同尺寸的型号。

图6： Rheonics 挤压生产线中SRV平行“晶圆单元”的安装。

安装的主要注意事项

与流体接触的传感区域

Rheonics 在线粘度计 SRV 的主要安装要求是将传感区域浸入流体中，且无沉积物或液体积聚，因为这些会影响读数。 SRV感应区域如图7所示。

图 7：SRV 感应区域。

高温

挤出工艺通常要求流体温度在 180 至 220˚C (360 至 430˚F) 范围内。这可能因材料、速度和螺杆设计而异。 Rheonics SRV 在线粘度计可配置为最高 285°C (545 °F) 的温度。用户应在订购时选择正确的温度额定值。下表显示了 SRV 探头的温度额定值。 有些挤压工艺可以达到非常高的温度，高达 350/370 °C (670/700 °F)，在这种情况下，我们建议您联系 Rheonics 支持团队 了解更多信息。

表 1：SRV 在线粘度计温度额定值

请注意： 感应线 和 传感器电子元件 有不同的温度限制，不应超过这些限制。

高压力

挤压工艺可以达到非常高的压力，高达 10,000 psi、670 bar 或 70 MPa。再次强调， Rheonics SRV 应进行相应配置。

表 2：SRV 在线粘度计挤出压力额定值

探头过程连接和密封

对于高压应用，探头和工艺连接都必须符合预期的压力范围。 垂直安装 Rheonics 通常提供 G1/2” 螺纹接口。而对于平行弯头，可以使用法兰或螺纹连接。晶片电池安装变体可以通过客户法兰接口使用 O-Ring 或金属密封。 机器上现有的安装端口可以重复使用来安装 Rheonics 傳感器探頭。

联系我们 Rheonics 支持团队 讨论适合您的挤压机的安装选项。

垂直安装的探头限制

在某些情况下，当使用垂直安装时，高粘度流体可能会影响 SRV 探头。流体流动引起的弯曲力可能会损坏探头（图 8）。力通常取决于流体的粘度和速度。下图显示了流体速度（m/s）与动态粘度（Pa.s）之间的关系。客户可以使用该图来确定工艺条件是否会损坏标准 SRV 探头。

图 8：由于流体的粘度和速度而对探头产生的弯曲力。

图 9：X 轴表示流体速度，Y 轴表示 SRV 的最大允许动态粘度。

通常，建议在垂直安装中使用 SRV 时将速度限制为 12m/s。超过此速度限制可能会导致读数噪音过大或探头损坏。下表显示了此速度对不同管线尺寸的体积和质量流量的影响。

了解有关 Type- 的更多信息SR 探头用于测量高粘度流体和高流体速度.

案例

1. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2665917422000150

2. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0141391013004497

3. https://www.dynisco.com/userfiles/files/27429_Legacy_Txt.pdf

4. HK Bruss – 用于自动控制和监控的粘度测量oring 挤压过程的均匀性

5. Rheonics – 适用于高粘度流体和高流速的 SR 探头.