摘要：本文針對目前PVC結皮發泡板的市場運用，對PVC結皮發泡板制品產生的缺陷進行分析，運用國際同步的原料分析技術和流道模擬分析軟件，從模頭設計的角度，分析和討論了如何通過改進模頭結構，優化流道設計解決PVC發泡板制品表面水波紋、機械紋，表面硬度不良等問題，以及如何選擇合適的模體材料和表面處理有效延長模頭的使用壽命。
關鍵詞：PVC 結皮發泡 模頭設計 水波紋 機械紋流道仿真模擬分析
項目研究背景
PVC發泡板又稱為雪弗板和安迪板，以聚氯乙烯（PVC）為主要原料，添加各種助劑生產而成，應用于室內外裝飾、建材、化工等領域，是木材、鋁材、復合板材的理想替代品，對節約能源、保護生態環境具有深遠意義。市面上的PVC發泡制品主要有硬質PVC自由發泡板和結皮發泡板、硬質PVC發泡裝飾型材、管材、硬質PVC發泡木塑制品等。
目前PVC發泡板按制作工藝可分為PVC結皮發泡板和PVC自由發泡板，結皮發泡板表面硬度高,很難產生劃痕，廣泛應用于櫥柜,裝飾,建筑等，尤其在交通運輸方面如輪船、飛機、火車車廂的頂棚，廂體芯層，內部裝潢用板等有卓越的表現，PVC自由發泡板表面硬度一般，廣泛應用于廣告展板,裱畫板,絲印,雕刻等。
PVC結皮發泡板按生產工藝以及所用的模頭不同又分為：模內雙流道模頭生產的塞盧卡結皮發泡板（向內發泡）和單流道模頭生產的結皮發泡板（向外發泡），用單流道模頭生產結皮發泡板相對與用模內雙流道模頭生產而言，由于其生產工藝簡單，板面質量優良，設備成本相對低廉，近幾年有了非常快速的發展。
PVC發泡板制品判斷的標準主要有：手感是否光滑平整，機械紋理是否明顯，表面顏色是否有色差或污點，表面有無凹坑，針眼，裂紋以及板邊切口是否平整，孔隙是否細密(無粗大孔眼，無峰孔，不崩口)，整個板面厚薄均勻性好，以及密度均勻。
當然產生制品缺陷的因素是多方面的，首先影響最關鍵的是生產工藝，由于擠出機螺桿參數不同，溫度設定不同模頭流道設計不同產生的壓力建立差別等塑化條件不同時，對于各種加工助劑的添加的量不會是一個恒定的數據，發泡板的密度、強度等與發泡調節劑存在一個平衡點。因此在實際生產時有經驗的工藝師會根據實際的生產環境找到這個平衡點，使得生產的發泡板材具有良好的品質。
產生制品缺陷的另一個重要因素就是擠出的模頭。模頭結構、流道設計參數的合理性會是能否生產出優良制品的又一個關鍵因素。早幾年由于技術上的局限，用單流道模頭生產的結皮發泡板其性能介于自由發泡板和結皮發泡板之間，表面硬度略高于自由發泡板，但又達不到結皮發泡板的硬度，另外由于設計上的局限性容易產生機械紋、劃痕、水波紋等不良現象。
模頭設計結構的改進
早幾年的單流道結皮發泡板模頭結構跟自由發泡的是一樣的（如圖一）通常由上模體、下模體、節流棒結構、上模唇、下模唇這幾部分組成，由于節流棒以及模唇都是以緊固螺釘拼接緊固在模體上，這些流道上的拼接縫很容易導致掛料、積料造成板面刮花產生機械紋、劃痕等，另由于早期的模頭流道基本上都是經驗設計，對于生產不同配方的原料很可能造成流動不均勻，產品產生水波紋等不良現象。
針對上述PVC結皮發泡板生產的幾個問題，精誠時代集團技術研發部對生產此類產品的模頭進行了深入的研究。首先針對模頭流道進行流道仿真模擬分析優化設計。
1.原料流變分析
原料：由國內某一知名發泡板制品公司提供的PVC結皮發泡板物料,測試溫度180℃，儀器：馬爾文毛細管流變儀RH2000
剪切速率和剪切粘度的關系曲線圖如下圖：
PVC結皮發泡板180℃時剪切速率與剪切粘度的關系圖
曲線為一種PVC自由發泡物料與一種PVC木塑發泡物料的曲線圖
2.流道仿真模擬分析
模頭參數：幅寬1350mm
計算條件
原料：上面檢測的PVC結皮發泡板物料
產量:350kg/小時
模頭設定溫度：180℃
下圖為流道優化設計前/后壓力對比圖
下圖為流道優化設計前/后滯留時間對比圖
下圖為流道優化設計前/后模唇出口流速對比圖表
由計算分析的圖表可以看出，流道優化設計后，流速更均勻，模腔內的壓力更均勻合理，并且優化了模頭衣架流道端部的流道設計，縮短物料的滯留時間，有效解決端部積料問題。
3.模頭結構設計改進
在流道優化設計的基礎上，我們對模頭結構進行了大幅調整改進設計。
解決結皮表面不硬的問題
為解決結皮表面不硬的問題，設計師根據塞盧卡發泡模頭的設計經驗在單腔流道的模頭上引入了模唇口加上水冷板即通常所說的“水套”的結構，該結構的機理是料流通過模頭擠出后，在模唇口遇到水套水冷，表面急速冷卻結皮，但芯部仍然繼續發泡，短暫的表面結皮后進入定型模繼續冷卻成型。
這是目前單腔流道生產結皮發泡板模頭的重大改進之一，經過這個結構改進，現行的單腔流道發泡板模頭生產的制品，其表面硬度已經與雙腔流道生產的塞盧卡結皮發泡板相差無幾，有的經過配方等工藝調整，其產品質量甚至優于塞盧卡結皮發泡板。
模唇、模體一體式設計
在前期的模頭流道優化設計的基礎上，模具結構就有了可以大幅改進的可能，原有為調節料流均勻的節流棒結構就可以去掉了，并且模唇拼接式改進為模唇、模體一體式設計（如圖二）
在模唇上設計此類模頭專用的彈性調節結構，滿足一套模頭大范圍制品厚度的生產的需求，模唇開口間隙從0-5mm無級可調。一般可滿足生產3-25mm的制品。另，其中的一件模體（通常在下模）可以選配快速開口調節結構，模唇開口間隙可以在正負1.5mm范圍內快速調節，極大提高制品厚度規格變換生產的效率。
改進的模頭結構，全流道實現了無拼接無縫光滑設計，消除了物料在模腔中掛料、積料的可能，生產的制品表面光滑無劃痕、無機械紋、水波紋等缺陷。
技術難點突破
改進后的模頭由于其模唇開口間隙是通過彈性調節實現的，又由于PVC發泡制品的生產是一種超高壓擠出生產工藝，其生產的模腔壓力通常會達到20-30Mpa，因此模體材質的選擇以及熱處理就顯得尤為重要，并且熱處理工藝要比之前要復雜許多，必須經過嚴格的應力消除，另外由于是超高壓生產，密封問題始終是擠出模頭的一個難點，結構設計的合理性以及密封面的加工質量都會影響密封效果，不合理的設計或者加工質量有問題都可能引起結合面的泄漏。
1.提高模頭耐腐蝕性延長工作壽命
PVC類制品生產的另一難題是如何提高模頭的耐腐蝕性延長模頭的使用壽命問題，PVC類制品生產的連續生產周期都是比較短暫的（相對毫無腐蝕性的多數聚烯烴類等產品的生產來說），一般普遍的3-4天，好一些的7-10天左右模頭中就會集聚不同程度的碳化焦料，特別是邊部，嚴重影響制品質量，這時就需要打開清理模頭后才能繼續投入生產，如果模頭已經腐蝕嚴重就不得不對模頭進行重新拋光電鍍才能進一步使用。
如果模頭流道已經發生腐蝕的模頭強行繼續使用的話，會導致更嚴重的后果，生產周期進一步縮短，很快就會在腐蝕的地方積料碳化，并且腐蝕會越來越嚴重，有些嚴重的腐蝕導致模頭流道需要進行二次機械加工才能修復，不能簡單的通過拋光電鍍來解決。
目前主流的模頭都容易出現這樣的問題，原因是多方面的，流道設計缺陷、模體材質選擇、流道表面處理等都會影響模頭的使用壽命。流道優化設計可以有效縮短原料在模腔中的停留，減少滯留腐蝕的機會，模體的材質以及表面處理目前最普遍的是采用優質的合金鋼模具鋼材加表面鍍硬鉻，表面鍍鉻能在一定程度上抗腐蝕，但對PVC高溫高壓生產的環境下，其耐腐蝕性表現一般。
如果模體材質選用高抗腐蝕性的不銹鋼材料如4Cr13、SUS630、2316等，表面鍍鉻或者鍍鎳合金處理其耐腐蝕性會提高很多，有效延長連續生產周期，提高模頭的使用壽命。
2.針對厚/薄板使用專門設計的模頭
另有一點不得不說的是雖然目前的模頭設計能滿足3-25mm板材生產的要求，但需要較完善的工藝配合才能實現，因此我們還是建議厚板與薄板應采用專門設計的不同的模頭來生產為宜，從工藝、配方上來說，這樣更有利于生產出優質的產品，并且更容易找到合適的生產工藝以及配方，更不容易產生破泡、串泡等缺陷。
因為生產厚板的模頭通常模唇口的平直段會長一點，并且壓縮比大，以便提高熔體壓力和發泡倍率，而做薄板因發泡層較薄，彈性空間小，剛性大，模頭設計時模唇口的平直段需要短，壓縮比小，以防止模唇口熔體壓力過大，造成出料不均勻，表面不平整，熔體強度低，甚至板材拉斷，生產的產量也受到一定程度的限制，生產周期縮短等。
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