螺桿組合對(duì)UHMWPE填充SiO2材料性能的影響

許立太 穆雪恒 李世通

(1. 蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院；2. 天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院有限公司)

同向嚙合雙螺桿擠出機(jī)與單螺桿擠出機(jī)相比，具有混合塑化能力強(qiáng)、排氣性能好及物料在螺桿中停留時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于樹(shù)脂的填充、增強(qiáng)、增韌、反應(yīng)及脫揮等領(lǐng)域[1]。同向嚙合雙螺桿擠出機(jī)的筒體和螺桿采用模塊化設(shè)計(jì)，使得擠出機(jī)主機(jī)可根據(jù)具體物料的要求進(jìn)行組合，使螺桿具有優(yōu)異的混合能力及脫揮發(fā)份能力等[2]，來(lái)滿足不同的加工工藝要求，最終使物料達(dá)到使用時(shí)所要求的綜合性能。

筆者利用天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院有限公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的SHJ-78H型同向嚙合雙螺桿擠出機(jī)，以經(jīng)驗(yàn)和理論來(lái)指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)實(shí)踐，對(duì)螺桿組合進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并分析了螺桿組合對(duì)UHMWPE填充SiO2材料物理性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原材料

實(shí)驗(yàn)原材料包括UHMWPE粉末(分子量500萬(wàn)，北京助劑二廠)、SiO2粉末(連云港東海硅微粉有限公司)和市售的其他助劑。

1.2 主要設(shè)備和儀器

實(shí)驗(yàn)所用的主要設(shè)備和儀器有：同向嚙合雙螺桿擠出機(jī)(SHJ-78H型，天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院有限公司)、電子式隔板拉力儀(XH-018B型，啟東市欣匯海電子儀器有限公司)、電子式隔板孔率儀(HB-L100S型，啟東市欣匯海電子儀器有限公司)、可調(diào)式隔板厚度測(cè)定儀(HB-HDKP型，啟東市欣匯海電子儀器有限公司)、高速混合機(jī)(SHR-150型，張家港生光降解材料有限公司)和其他后處理設(shè)備。

1.3 UHMWPE填充SiO2材料試樣制備

UHMWPE填充SiO2材料試樣制備的工藝流程如圖1所示[3]。按配方秤取的UHMWPE粉末和SiO2粉末和其他助劑，經(jīng)高速混合機(jī)混合后，用SHJ-78H型同向嚙合雙螺桿擠出機(jī)擠出并經(jīng)后處理，切制成所需要的形狀。

圖1 UHMWPE填充SiO2材料試樣制備的工藝流程

1.4 性能測(cè)試

就試樣的外形尺寸進(jìn)行性能測(cè)試，包括基厚按JB/T 7630.1-2008 6.4.2進(jìn)行測(cè)量，橫向伸長(zhǎng)率按JB/T 7630.5-2008 6.5進(jìn)行測(cè)量，測(cè)定試樣5個(gè)，孔率按JB/T 7630.5-2008 6.7進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同螺桿組合對(duì)UHMWPE填充SiO2材料擠出工藝的影響

雙螺桿擠出機(jī)的螺桿由芯軸、各種不同的螺桿元件和螺桿頭組成。圖2列出了本次實(shí)驗(yàn)所使用的螺桿組合中較有代表性的3種螺桿組合。經(jīng)反復(fù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，不同的螺桿組合對(duì)UHMWPE填充SiO2材料的性能有很大的影響。圖3列出了本次實(shí)驗(yàn)的溫度控制點(diǎn)。

圖2 有代表性的3種螺桿組合

圖3 UHMWPE填充SiO2材料擠出工藝溫度控制點(diǎn)示意圖

圖3中所列的各溫度控制點(diǎn)(T1～T12)的值分別為：100、160、180、190、200、200、200、200、200、200、200、200℃。

3種螺桿組合實(shí)驗(yàn)時(shí)擠出工藝情況如下：

a. 1#螺桿組合為原采用進(jìn)口UHMWPE時(shí)的組合。為降低成本最初改采用國(guó)產(chǎn)UHMWPE時(shí)，先用此組合進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)被擠出片材表面有微細(xì)的顆粒狀突起，片材擠出內(nèi)部有氣泡現(xiàn)象，而且真空口經(jīng)常冒料。

b. 2#螺桿組合為初步調(diào)整后的組合，調(diào)整后被擠出片材表面仍有微細(xì)的顆粒狀突起，但內(nèi)部氣泡已消除，真空口仍偶爾冒料。

c. 3#螺桿組合為最終調(diào)整的組合，調(diào)整后被擠出片材表面光滑，擠出過(guò)程穩(wěn)定，無(wú)冒料現(xiàn)象發(fā)生，但電流較1#螺桿組合和2#螺桿組合明顯偏高。

通過(guò)上述擠出工藝情況可知，3種螺桿組合方式中，1#螺桿組合擠出工藝較差，明顯不能滿足采用國(guó)產(chǎn)UHMWPE生產(chǎn)時(shí)的要求，3#螺桿組合擠出工藝較好。由螺桿組合圖(圖2)可知：加料段(右邊3節(jié)筒體)、排氣段(右邊第十節(jié)筒體)、擠出段(右邊第11、12節(jié)筒體)處的螺桿組合，都未發(fā)生變化；主要發(fā)生變化的是塑化段和剪切段。據(jù)筆者分析，造成這種現(xiàn)象的原因應(yīng)該是國(guó)產(chǎn)UHMWPE分子量分布較寬，而進(jìn)口UHMWPE分子量分布較窄等原因，導(dǎo)致了UHMWPE進(jìn)入同向嚙合雙螺桿擠出機(jī)后，1#、2#螺桿組合不能使物料充分塑化和混煉，未充分混煉的物料對(duì)螺桿的附著能力差，從而在排氣段發(fā)生冒料現(xiàn)象，而不僅是SiO2在UHMWPE未能充分分散所致。3#螺桿組合中，增加的一組反向輸送嚙合塊提高了塑化段的塑化能力，保證了UHMWPE在塑化段能夠被充分塑化。再經(jīng)過(guò)多組齒形盤(pán)C17，保證了已經(jīng)充分塑化的UHMWPE粉末與SiO2之間的充分分散和基本混煉，最后，再通過(guò)一組90°嚙合塊和一組反向輸送嚙合塊保證了物料的充分混煉，使得物料在排氣段完全配混均勻，生產(chǎn)過(guò)程穩(wěn)定，從而避免了冒料情況的發(fā)生。

2.2 不同螺桿組合對(duì)UHMWPE填充SiO2材料物理性能的影響

3種螺桿組合對(duì)UHMWPE填充SiO2材料物理性能的影響見(jiàn)表1。

表1 不同螺桿組合對(duì)UHMWPE填充SiO2材料物理性能的影響

由表1可知，在配方完全相同的情況下，3#螺桿組合擠出的UHMWPE填充SiO2材料物理性能最佳，2#螺桿組合次之，1#螺桿組合最差。通過(guò)圖2可以看出，3種螺桿組合的加料段、排氣段、擠出段的組合幾乎完全一樣，僅塑化段和剪切段有所不同，其擠出材料的性能卻相差很大。3個(gè)組合中，3#組合通過(guò)全面增強(qiáng)塑化段和剪切段螺桿組合的強(qiáng)度，其中塑化段使用了一組45°/5/60反向輸送元件，剪切段在使用了多組C17齒形盤(pán)的基礎(chǔ)上，也使用了一組45°/5/60反向輸送元件，有效地解決了由更為均一的進(jìn)口UHMWPE更換為分子量分布較寬的國(guó)產(chǎn)UHMWPE所帶來(lái)的問(wèn)題，保證了產(chǎn)品的質(zhì)量。同時(shí)3#組合更多的嚙合塊、齒形盤(pán)和反向輸送嚙合塊，增強(qiáng)了螺桿的分散物料和分布物料的能力，也產(chǎn)生了大量的摩擦熱，使得螺桿所受到的扭矩更大，主機(jī)電流也隨之增大。

2.3 優(yōu)化螺桿組合的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

綜上所述，在配方或物料發(fā)生變化時(shí)，首先應(yīng)針對(duì)其變化可能引起的生產(chǎn)過(guò)程變化進(jìn)行加工設(shè)備和生產(chǎn)工藝方面的研究，其中采用什么樣的螺桿組合是一項(xiàng)非常重要的內(nèi)容。只有針對(duì)其變化，不斷分析這個(gè)變化帶來(lái)的生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)過(guò)程的變化，并有針對(duì)性的對(duì)工藝參數(shù)、生產(chǎn)設(shè)備尤其是螺桿組合進(jìn)行匹配才能最大限度的發(fā)揮材料的性能。上述結(jié)果表明，由1#螺桿組合更改為3#螺桿組合設(shè)計(jì)合理，對(duì)UHMWPE填充SiO2材料的塑化、分散、配混效果好，使得螺桿的生產(chǎn)過(guò)程穩(wěn)定，排氣效果優(yōu)良，能夠滿足顧客的生產(chǎn)要求。但在生產(chǎn)時(shí)，應(yīng)適當(dāng)控制喂料量，防止因喂料量太大導(dǎo)致主電機(jī)電流過(guò)大，造成停機(jī)甚至設(shè)備損壞現(xiàn)象。

3 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)分析，雙螺桿擠出機(jī)的螺桿組合對(duì)UHMWPE填充SiO2材料的物理性能影響較大，摸索最優(yōu)的螺桿組合是獲得材料最佳性能的必要條件。增強(qiáng)雙螺桿擠出機(jī)的螺桿組合可在一定程度上降低對(duì)生產(chǎn)原料的均一性要求，這在一定程度上可降低產(chǎn)品的材料成本，但產(chǎn)品的加工成本通常會(huì)有一定程度的上升。筆者通過(guò)實(shí)驗(yàn)，解決了UHMWPE填充SiO2材料生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)生的混煉不足、剪切過(guò)強(qiáng)、改用國(guó)產(chǎn)材料后排氣口冒料等問(wèn)題，成功降低了材料生產(chǎn)的成本。

[1] 吳炅，楊春兵，高志秋，等.雙螺桿擠出機(jī)螺桿組合對(duì)GFR PA66力學(xué)性能的影響[J].工程塑料應(yīng)用，2005，33(11)：61～64.

[2] 耿孝正.雙螺桿擠出機(jī)及其應(yīng)用[M].北京：中國(guó)輕工業(yè)出版社，2003：220～221.

[3] 許立太，李世通，穆雪恒.“一步法”塑料混煉及板(片)材擠出技術(shù)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用[J].化工機(jī)械，2012，39(2)：222～225.