TPU护套料的优化挤出工艺策略

热塑性聚氨酯弹性体（TPU）作为线缆行业中一种重要的材料，其具有的各种特殊优异性能，在现实生活中的应用非常广泛。除了网络布线光缆中应用外，在特种光缆很多缆型中也会用TPU作为外护套，在此介绍一下其特性和加工工艺。

TPU是由低聚合物多元醇软段与二异氰酸酯扩链剂硬段构成的线性嵌段共聚物，有聚醚型和聚酯型之分，聚酯型因含有内聚能较高的酯基，产品的机械性能较高，成本适中，但耐水性能较差。聚醚型由于它无酯基并在分子中含有可自由放置的醚键，而表现出较好的低温柔顺性和耐水解性，但机械强度和耐热性较差。

TPU材料具有良好的耐磨性能，广泛应用于有耐磨要求的光缆，如移动设备光缆、矿用光缆、勘探用光电缆以及应急、野战光缆等，聚醚性TPU耐水解性能要远远大于聚酯型，由于光缆的护套使用年限要求高，布线光缆要求柔软，不移动的特点等，所以主要选用聚醚型TPU作为基础材料。

TPU一般是由末端具有活性氢的长链二醇和短链二醇，与二异氰酸酯进行加成聚合而得的聚合物。TPU的反应即－OH与－NCO反应生成氨基甲酸酯－NHCOO－的结合，这包括：长链二醇与二异氰酸酯反应，生成所谓的软段，短链二醇与二异氰酸酯反应，生成所谓的硬段，二者在结合成一个分子链，内含软段和硬段。软硬段的摩尔比的不同，赋予TPU不同的特性。

6.3.2.1　性能和技术指标

TPU具有高拉伸强度、高伸缩率、耐磨、耐油、弹性大、柔软、高撕裂强度等优异特性。TPU的显著优点：

（1）TPU的硬度范围相当宽，从Shore A60～Shore D80，并且在整个硬度范围内具有高弹性；

（2）TPU在很宽的温度范围内－40℃～120℃，具有柔性，而不需要增塑剂；

（3）TPU有良好的耐候性，极优的耐高能射线性能；

（4）拉伸强度高，伸长率大，长期压缩永久变形率低。

在一些室内或隧道的应用场所，除了选择TPU固有的特性外，还希望TPU外护套能具备阻燃的特性。由于TPU本身并不具有阻燃性，普通的TPU氧指数仅为16.5，接近蜡烛的氧指数（≈15），因此属于易燃材料。TPU燃烧时会放出大量的氧化反应热，使之不断热分解，并产生大量的可燃气体，使燃烧持续，同时释放出大量的浓烟和有毒的刺激性气体，如氧化氮、氰化氢等，这些气体会使人窒息而死。为了优化TPU性能，达到阻燃目的，可以通过添加阻燃剂得以实现。由于基体材料（聚氨酯）生产加工时的最高温度一般为170℃～190℃，所以阻燃添加剂的分解温度至少应当高于此温度。现在市场上已经有阻燃型的TPU材料出售。

对室内软光缆用TPU材料，标准技术要求见表6.3.5。

表6.3.5　TPU材料的技术要求

6.3.2.2　TPU护套料的挤出工艺

（1）TPU挤出机螺杆的选择

TPU护套料的挤出工艺并不复杂，要选择压缩比适当的单螺纹螺杆即可。

由于TPU对剪切作用非常敏感，一般使用渐变式螺杆或具有较长压缩段的突变式螺杆进行加工。带有混合装置的螺杆以及压缩段较短的尼龙螺杆都不适合加工TPU。前者剪切作用强烈，容易使TPU降解，导致熔体粘度急剧降低而无法成型；后者不能使TPU熔体充分塑化，护套表面易产生晶点。

单螺杆挤出机螺杆压缩比1∶2～1∶3皆适用，最好是1∶2.5，螺杆长径比在25∶1至30∶1之间，良好的螺杆设计可避免激烈摩擦引起材料的分解裂化。加料段、压缩段与均化段的长度比在4∶6∶5范围内。螺筒与螺杆间隙为0.1～0.2mm。一般选用PVC螺杆挤出。

但是TPU熔体粘度较高，为了保证熔体能够充分塑化，TPU挤出机应配备高功率电机。一般来讲，φ45mm和φ65mm螺杆的挤出机电机功率最好分别不低于18kW和30kW。

（2）干燥

聚氨酯材料的分子结构中具有醚键，易于吸潮，因而其含水率较高，而且吸湿速度很快，暴露在空气中的粒子能在半小时内吸收近1%的水分。高含水率的聚氨酯护套材料在挤出时会产生很多的气泡，根本无法使用。许多情况下，护套挤出加工过程中如果输出量发生波动则很可能说明预干燥不充分。因此，聚氨酯在挤出前必须进行预烘干处理。一般烘干温度约为90℃，烘干时间约为12小时。如烘干温度较低，则应适当延长烘干时间。此外，应注意最低的烘干温度应不低于70℃，而最高的烘干温度应不超过110℃，因为超过此温度范围，聚氨酯材料极易发生熔化板结。干燥后的粒状材料的水分含量不应该超过0.02%（重量百分比）。

TPU要存储在干燥的室温环境下，必须保证良好的密封状态，为了防止凝露，储存在低温下的TPU材料，在打开包装之前，建议令材料达到室温。包装袋在打开之后，若袋中还存有材料，应尽量封紧袋口。干燥后，颗粒状材料应该立即被储存在能够安全密封的干燥的容器中，以免再次吸湿。

当使用色母粒和添加剂时，必须确保它们是干燥的。因此，在干燥处理之前，最好先与颗粒材料预混，以确保整个产品是干燥的。

常规的空气循环炉、真空干燥柜和除湿型空气干燥器最适合用于进行这种干燥处理。建议的干燥参数参见表6.3.6，但不可太久，否则可能引起材料变色。

表6.3.6　TPU材料干燥参数

（3）温度控制(www.xing528.com)

TPU的挤出温度范围比较狭窄，仅为20℃左右。如挤出温度低于熔融温度时，材料没有完全被塑化，挤出物的表面粗糙并且暗淡无光；如挤出温度高于熔融温度时，材料会像水样呈流涎状，难以加工成型。

TPU熔体粘度和黏性很大。为了保证TPU熔体能够充分塑化，同时又能最大限度地降低护套表面的黏性，从进料段到计量段采用从低到高的温度分布，而计量段到模口采用下降的温度分布。较低的模口温度还有利于提高熔体强度。

聚氨酯的挤出温度与其硬度值有关联，一般硬度越大，相应的加工温度越高，见表6.3.7。基本遵循每增加一个硬度值，挤出机各段温度提高一度的规律，TPU挤出成型温度根据不同厂家的材料而定，挤出温度范围在140℃～220℃。实际加工温度还与许多因素有关，如设备大小，螺杆结构等。

表6.3.7　TPU挤出成型时的温度参数

对于小型挤出机，当要求出胶量较大时，挤出机的螺杆转速较快。由于聚氨酯材料的粘度较大，在进行挤出加工时，被剪切塑化会产生大量的剪切热，但是这些热量不能及时传递出来，使得材料在机筒内因温度过高而变成像水一样的流体，这样的熔融塑料是不能进行任何加工的，一旦出现这种情况，聚氨酯材料的挤出加工温度应当适当降低5℃～10℃。

（4）螺杆转速

如前所述，TPU对剪切非常敏感，因此螺杆转速不宜太高，螺杆转速太快因剪切应力而导致摩擦过热，但是螺杆转速太低则会导致熔体在机筒内停留时间过长而产生降解，材料在挤出机内停留时间一般不超过20分钟，TPU很容易分解，220℃以上分解比较明显。一般螺杆转速应在20～50rpm为宜，具体值按螺杆直径而定。直径越大转速越慢。各家材料有所不同，应注意供应商的技术要求。选择合适的螺杆转速应以熔体完全塑化，护套表面光滑无气泡为准。

（5）挤出模具

聚氨酯护套材料的挤出模具设计同普通PVC材料挤出模具一样，但考虑到聚氨酯护套料在挤出压力较大时会成为流涎一样的熔融状，难以成型，所以不适合采用挤压式模具，而应采用模芯略带一点外承径的半挤压半挤管式模具。因为采用完全的挤压式模具，会导致挤出压力过大，使光缆护套的外径因芯线直径的不均匀而不均匀。在挤出时，如果只能采用挤压式模具，模芯口与模套口的距离应接近，一般为1～2mm（如挤出线缆的护套比较厚时，取2mm左右；反之则取1mm左右）。采用挤压式模具挤出的光缆外观一般不好看，因此只能用于对外观要求不严格的产品生产。当缆芯是多股结构且外护套的厚度较薄时，应避免采用挤压式模具，否则光缆的外护套上会出现明显的纹路，严重影响产品外观。

当光缆外径比较大时，半挤压式模具的模芯承径一般取2mm，模套承径一般取挤出光缆实际厚度的1～2倍。应注意模套承径的长度最好不低于1mm，否则光缆护套外观易出现不平整。但模套承径也不能过长，否则会导致机筒内材料的压力过大，使机筒内熔融的流涎状聚氨酯材料发生倒流，与刚进螺杆塑化段的颗粒状聚氨酯材料黏附在一起，致使挤出机进料不畅，机头出胶量发生较大的波动，光缆的外径会不均匀。

另外，模套口的外径应当和所需挤出线缆的外径基本一致。如模套外径过大，则会因挤出压力不够导致线缆的外观凹凸不平；如模套外径过小，则会出现挤出压力太大，导致线缆外径不稳定。

挤出模具设计应该是流线型的，不应存在死角，以保证材料的顺畅流动。模套的承径段可以适当加长，模型模套间夹角设计在8°～12°比较合适，以降低剪切应力，防止生产过程中产生“眼屎”以及稳定挤出量。

（6）挤出机螺杆的清理

当挤出机挤出热塑性聚氨酯弹性体（TPU）时，螺杆一旦启动，只要有料进入料筒，螺杆就不能停止，即使换规格时也不例外，必须保持低转速运转，直至产品生产结束。否则，料筒被材料充满后，螺杆被抱死，将无法二次启动，最终可能引起材料焦烧，堵死机头。如出现这种情况，就只能拆卸螺杆和机头，清理炉膛及螺杆上的残料，清理完毕后才能继续生产。当挤出机更换材料或者连续操作数天后，建议清洗挤出机。聚丙烯或者HDPE等加工温度较高的材料适合用于清洗螺杆。此外，也可以使用专用的清洗剂。

6.3.2.3　TPU护套生产中常见质量事故和解决措施

在TPU护套生产过程中会出现各式各样的质量事故，主要归纳见表6.3.8。

表6.3.8　TPU护套生产中常见质量事故原因分析及预防措施

护套工序是光缆原材料用量最大、生产工艺较为复杂的生产工序，因此护套工艺的优劣是决定光缆制造成本的关键因素。近年来行业内一直致力于对护套工艺的改进研究，并在光缆护套成缆生产环节取得了可喜的成绩。

（1）多缆集成

随着光缆基础工艺的逐步成熟，若将一条紧套线和一条套塑线叠加在一起，该生产线可一次完成单芯光缆生产，降低成本。

（2）多缆共挤

传统的光缆护套线是一条生产线每次只能生产一根光缆，多缆共挤是在保持原有生产线基本结构不变的情况下，通过改造模具、储线架、收线架等设备，使得一条生产线可以同时生产多根光缆的新技术。此生产技术可将光缆的生产效率提到数倍，降低了光缆的制造成本。

（3）在线分盘

网络布线光缆的集成商生产光跳线和尾纤，不同的客户订单对跳线的长度有不同的要求，且大体表现出订单多批量小批次，裁线长度更换频繁，对长度公差要求严格等特点，这就对光缆的裁线分盘提出了较高的要求。通过在光缆生产线加装联动裁缆设备，达到边生产边分盘的目的，这样可节省光缆盘具的使用及裁线分盘导致的光缆损耗。光缆在线分盘可以为客户减少裁缆工序，提高生产效率，降低成本，同时给企业本身创造了经济效益，提升自身竞争力。

（4）集中供料

不同于传统的每条产线单独供料的低效作业模式，通过设立集中供料的料塔，将几种主要原材料分仓储存、烘料，根据生产需求同时对多条生产线进行供料，工作效率提升，有效避免错混料。