螺桿結(jié)構(gòu)對一種改性雙基推進劑代用料加工工藝的影響①

韓民園，鄭建利，朱開金，2，陳亞麗

(1.山西北方興安化學(xué)工業(yè)有限公司，太原 030008;2.太原工業(yè)學(xué)院，太原 030008)

0 引言

單螺桿擠出機以其結(jié)構(gòu)簡單、成本較低、良好的性價比等特點，廣泛用于塑料、橡膠、纖維等聚合物的擠出加工，成為聚合物加工中最重要的一類擠出機。螺桿是擠出機的核心部件，實踐表明，螺桿設(shè)計得合理與否，對擠出制品的產(chǎn)量和質(zhì)量有重大影響［1］。普通螺桿在擠出過程中，存在較高的壓力波動和溫度波動，極易導(dǎo)致產(chǎn)量的波動、制品尺寸的波動及產(chǎn)品性能的下降。擠出過程因涉及到固體力學(xué)、流體力學(xué)、傳熱學(xué)、流變學(xué)、高分子物理等多學(xué)科相關(guān)問題而十分復(fù)雜，因而難以得到準(zhǔn)確定量的公式進行螺桿設(shè)計。實驗研究仍是螺桿設(shè)計的重要基礎(chǔ)。

國內(nèi)采用螺旋壓伸工藝生產(chǎn)雙基推進劑，已有40余年的發(fā)展歷史，與澆鑄工藝、模壓擠鑄工藝、油壓工藝等火藥生產(chǎn)工藝相比，單螺桿擠出成型加工工藝因具有生產(chǎn)過程連續(xù)、自控程度高、設(shè)備構(gòu)造簡單、操作容易，且產(chǎn)品質(zhì)量均一穩(wěn)定、重現(xiàn)性好、生產(chǎn)效率高等諸多優(yōu)點，獲得了廣泛應(yīng)用，形成了較大的生產(chǎn)規(guī)模。然而，在壓制不同品號的藥料時，通常只是在相對固定的設(shè)備上進行工藝條件的選擇與優(yōu)化，而針對擠出設(shè)備的改進，特別是核心部件螺桿結(jié)構(gòu)的改進，所做的工作還十分有限，極大地限制了單螺桿擠出設(shè)備的適應(yīng)范圍。尤其是隨著高能量、低感度、低特征信號為特征的改性雙基推進劑的應(yīng)用［2］，使原有的螺壓工藝很難適應(yīng)，加工條件苛刻，產(chǎn)品質(zhì)量不易保證，如控制不好，極易發(fā)生物料在機筒內(nèi)“打滑”現(xiàn)象。這樣不僅使生產(chǎn)無法進行，而且也是很危險的，迫切需要研制適于改性雙基推進劑生產(chǎn)的新型螺桿。通過研究不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的螺桿對改性雙基推進劑加工工藝的影響，找出適于改性雙基推進劑加工的優(yōu)化的螺桿結(jié)構(gòu)參數(shù)，對新型改性雙基推進劑的研制生產(chǎn)和螺桿的設(shè)計加工有著重要指導(dǎo)作用。采用流動性能相似的改性雙基推進劑代用料進行螺桿結(jié)構(gòu)參數(shù)的預(yù)先研究，有利于提高研究效率，降低研制成本和研制風(fēng)險，是研制改性雙基推進劑適用螺桿的重要基礎(chǔ)。目前，關(guān)于螺桿結(jié)構(gòu)參數(shù)的研究結(jié)果，已在改性雙基推進劑產(chǎn)品研制中獲得了較好效果。

1 實驗

1.1 原料和實驗設(shè)備

以典型改性雙基推進劑配方為基礎(chǔ)，通過吸收、離心驅(qū)水、光輥壓延造粒制造出流變特性與之相似的改性雙基推進劑代用料，用于工藝實驗。改性雙基推進劑代用料以硝化棉(NC)、惰性增塑劑(DZ-1)、惰性固體填料(YT-1)為主要成分。其組分含量的確定，以代用料與真料的流動性相似為依據(jù)。采用油壓機對改性雙基推進劑代用料與真料的流動性(80℃)進行對比測試，前者的出藥壓力和出藥速度分別為28.15 MPa、0.303 m/min，后者的出藥壓力和出藥速度分別為24.06 MPa、0.294 m/min，二者出藥速度很接近，流動性相似，且以代用料的擠出壓力略高，這符合代用料設(shè)計原則，以便于考察設(shè)備的安全負(fù)荷，故選擇此改性雙基推進劑代用料作為實驗用料。

實驗設(shè)備采用德國進口的Brabenda PLV-151型φ19 mm單螺桿擠出機，配置φ5 mm圓形口模。

1.2 螺桿主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇與制作

螺桿結(jié)構(gòu)參數(shù)對改性雙基推進劑的擠出加工工藝有重要的影響，針對加工物料易燃易爆、加工工藝參數(shù)范圍窄、產(chǎn)品塑化質(zhì)量要求嚴(yán)等特性，選擇螺桿壓縮比(ε)、螺距(s)、螺桿頭錐度(α)及螺桿直徑(d)作為螺桿設(shè)計的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)進行研究。其中，各參數(shù)的主要作用如下:

(1)螺桿壓縮比是指螺桿加料段第1個螺槽的容積與均化段最后1個螺槽的容積之比，表示物料通過螺桿的全過程被壓縮的程度。壓縮比越大，物料受到的擠壓作用也就越大，排除物料中空氣的能力就越大。加工各種塑料的常用的幾何壓縮比為1.6～3.7，個別小至1，大至8［1］。壓縮比的選用須充分考慮加入物料的狀態(tài)(粉狀或粒狀等)、熔融密度、物料粘度、熱敏性的要求等不同情況。對于改性雙基推進劑來說，首先應(yīng)考慮粒狀物料在加料時的松密度和經(jīng)螺桿擠出塑化后的密度變化，其物理壓縮比約為1.23～1.43;其次，要考慮在擠壓壓力作用下物料的壓縮性、在加料段的裝填程度及制品性能所要求的密實性等因素，其幾何壓縮比的選定應(yīng)大于物理壓縮比;第三，在推進劑產(chǎn)品擠出過程中，由于加工物料的粘度較高，成型溫度范圍窄，通常選用的螺桿壓縮比在2.0左右?？紤]到過大的壓縮比，不僅影響螺桿強度、增加擠壓負(fù)荷，且易加大均化段長度，導(dǎo)致“倒料”危險;壓縮比過小，則達不到產(chǎn)品塑化要求。因此，結(jié)合生產(chǎn)實際情況，拓展壓縮比的研究范圍至1.6～2.2，以研究壓縮比增大或減小對擠出工藝的影響。

(2)螺距決定物料在機筒內(nèi)停留時間，影響物料的混合塑化，對擠出物溫度、機頭溫度及功率消耗有一定影響［3］。根據(jù)加工工藝的特殊要求，有時為了在有效的加工長度內(nèi)減少物料在機筒內(nèi)停留的時間而適當(dāng)加大螺距。

(3)螺桿頭錐度對物料的安全加工與穩(wěn)定擠出有重要作用。適宜的魚雷頭或平準(zhǔn)頭頭部，對物料的混合和受熱都有良好效果，有利于增大料流壓力、消除脈動現(xiàn)象，適于擠出粘度大、導(dǎo)熱性差的熱敏性物料［4］。反之，若物料在螺桿頭部滯留過久，易引起物料分解，不利于安全生產(chǎn)和提高產(chǎn)品質(zhì)量。

(4)螺桿直徑?jīng)Q定著成型制品的形狀大小和生產(chǎn)效率。如果螺桿直徑選擇不當(dāng)，便會導(dǎo)致多種不合理的情況。用大直徑螺桿生產(chǎn)小制品，只能在較低轉(zhuǎn)速下運行，擠出機使用既不經(jīng)濟，也容易因為較高的機頭壓力而損壞設(shè)備。反之，用小直徑螺桿生產(chǎn)大制品，會因機頭缺料而產(chǎn)生制品缺陷［1］。

對螺桿直徑、壓縮比、螺桿頭錐度及螺距4個主要結(jié)構(gòu)參數(shù)分別確定三水平，然后按照四因素三水平正交設(shè)計法［5］所確定的螺桿參數(shù)組合，設(shè)計制作9種螺桿，并進行正交實驗。

1.3 實驗方法

在一定的工藝條件(加入物料溫度(70±5)℃;機筒夾套水溫度(90±5)℃;螺桿轉(zhuǎn)速15 r/min)下，選用1.2節(jié)中9種螺桿對改性雙基推進劑代用料進行擠出工藝實驗，研究不同結(jié)構(gòu)參數(shù)螺桿對其機頭壓力、螺桿扭矩、出料速度的影響程度。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 工藝研究目標(biāo)的選擇

針對改性雙基推進劑產(chǎn)品加工過程的易燃易爆、物料流動性差、高負(fù)載等特點，并結(jié)合改性雙基推進劑產(chǎn)品研制的實際經(jīng)驗，選擇機頭壓力、螺桿扭矩、出料速度作為工藝研究的目標(biāo)，可較好地表征安全加工要求、設(shè)備承載能力、產(chǎn)量及物料加工的難易程度。

2.2 正交實驗結(jié)果與分析

對螺桿結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)進行了四因素三水平設(shè)計(見表1)，選用L9(34)正交表，進行螺桿結(jié)構(gòu)參數(shù)對擠出工藝影響的正交實驗，測試結(jié)果見表2，正交實驗計算見表3，表中因素A表示壓縮比(ε)，因素B表示螺距(s)，因素C表示螺桿頭錐度(α)，因素D表示螺桿直徑(d)。

表1 正交實驗的因素與水平Table 1 The factors and levels of orthogonal experiment

根據(jù)表2的測試數(shù)據(jù)，對機頭壓力、螺桿扭矩、出料速度的實驗結(jié)果進行正交分析，分析結(jié)果見表3，表中 ai、bi、ci(i=1、2、3)分別表示機頭壓力、螺桿扭矩、出料速度各自對應(yīng)的水平i 3次測試值加和;RjP、RjT、RjV分別表示ai、bi、ci3組參數(shù)中的大數(shù)減小數(shù)所得的極差值，各因素的合適水平見表4。

對表2～表4的數(shù)據(jù)分析如下:

(1)從表2數(shù)據(jù)可知，9號性能較好，其對應(yīng)的設(shè)備負(fù)荷較低、產(chǎn)量較高，基本滿足安全生產(chǎn)加工要求。

(2)從表3中極差(Rj)的計算數(shù)據(jù)可看出:

對機頭壓力和扭矩的影響次序均為B＞D＞A＞C，顯然B和D是主要影響因素。限于改性雙基推進劑加工的特殊性，在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，希望機頭壓力低一些，螺桿扭矩小一些，這對安全加工和減小設(shè)備承載負(fù)荷是有利的。其中，因素B的三水平、因素D的二水平對機頭壓力的影響最大，而因素B的三水平、因素D的三水平對螺桿的扭矩影響最大。這說明B和D是較重要的因素，在設(shè)計中要特別注意。

對出料速度的影響次序為D＞A＞C＞B，顯然因素D和因素A是主要影響因素。其中以因素D的一水平、因素A的二水平影響最大。出料速度高，表明物料易于加工，表觀粘度低，產(chǎn)量大。同樣，D和A在設(shè)計中也要特別注意。

表2 不同螺桿的實驗數(shù)據(jù)Table 2 The experimental data of different screw

表3 實驗結(jié)果正交分析Table 3 The orthogonal analysis of the experimental results

表4 各因素的合適水平Table 4 The suitable level of every factor

(3)從表3正交分析計算數(shù)據(jù)中可分別得出，影響機頭壓力、螺桿扭矩、出料速度的各因素合適水平及相應(yīng)螺桿參數(shù)組合的較理想水平分別為 A3B3C3D2、A3B3C3D3、A1B3C3D2。對上述螺桿參數(shù)組合進行綜合對比，從正交設(shè)計的原理上來講，螺桿結(jié)構(gòu)參數(shù)組合A3B3C3D2是較理想水平。從生產(chǎn)實際來講，確保加工過程安全是改性雙基推進劑產(chǎn)品研制與生產(chǎn)的首要問題，其次才是質(zhì)量與產(chǎn)量。因此，對改性雙基推進劑安全加工有重要影響的機頭壓力，其對應(yīng)的螺桿結(jié)構(gòu)參數(shù)也應(yīng)為重點考慮。綜上所述，螺桿參數(shù)組合的理想水平為A3B3C3D2。

3 結(jié)論

(1)三水平的螺距和二水平的螺桿直徑依次是影響機頭壓力或螺桿扭矩的主要因素;二水平的螺桿直徑、一水平的壓縮比依次為影響出料速度的主要因素。

(2)由因素A(壓縮比)的三水平、因素B(螺距)的三水平、因素C(螺桿頭錐度)的三水平及因素D(螺桿直徑)的二水平組成的螺桿參數(shù)組合，是有利于改性雙基推進劑安全加工的綜合性能理想的螺桿參數(shù)組合(A3B3C3D2)。

［1］朱復(fù)華.螺桿設(shè)計及其理論基礎(chǔ)［M］.北京:輕工業(yè)出版社，1994:4-6，158-159，167-168.

［2］任務(wù)正，王澤山.火炸藥理論與實踐［M］.北京:中國北方化學(xué)工業(yè)總公司，2001:30-35.

［3］楊衛(wèi)民，楊高品，丁玉梅，等.塑料擠出加工新技術(shù)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2006:10-12.

［4］［美］Z·塔莫爾，I·克萊因.塑化擠出工程原理［M］.夏廷文，許澎華，朱復(fù)華，等，譯.北京:輕工業(yè)出版社，1984:454-458.

［5］張玉龍，王喜梅.塑料制品配方［M］.北京:中國紡織出版社，2009:13-20.