捏合塊錯(cuò)列角對(duì)滑石粉填充聚丙烯加工的影響

杜賞（上海金發(fā)科技發(fā)展有限公司，上海 201714）

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捏合塊錯(cuò)列角對(duì)滑石粉填充聚丙烯加工的影響

杜賞
（上海金發(fā)科技發(fā)展有限公司，上海 201714）

摘要：采用雙螺桿擠出機(jī)制備滑石粉填充聚丙烯，研究了特定部位捏合塊錯(cuò)列角的變化對(duì)加工過(guò)程的影響。結(jié)果表明，改變捏合塊錯(cuò)列角，最大喂料量可以從900 kg/h增加到2 500 kg/h，提高了177%，且降低能耗，排氣正常，生產(chǎn)穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：捏合塊；錯(cuò)列角；排氣；喂料；扭矩；電流

滑石粉填充聚丙烯（PP）可以提高PP的硬度、抗沖擊力、剛性、耐化學(xué)藥品性、耐蠕變性、熱變形溫度，降低熱膨脹系數(shù)和產(chǎn)品成本，改善PP的工藝性能，已經(jīng)在汽車(chē)制造中大規(guī)模應(yīng)用，例如空調(diào)外殼、汽車(chē)儀表板、立柱護(hù)板、內(nèi)門(mén)板、大燈托架、內(nèi)后視鏡殼等部件［1-4］。嚙合同向雙螺桿擠出機(jī)是PP造粒過(guò)程中常用的設(shè)備之一，其螺桿和機(jī)筒采用組合式設(shè)計(jì)，操作靈活，可以根據(jù)不同物料的要求，通過(guò)對(duì)有限種類(lèi)和數(shù)量的螺紋元件和螺筒進(jìn)行排列組合，優(yōu)化設(shè)計(jì)，具有很大的適應(yīng)性［5-6］。

設(shè)備的各項(xiàng)技術(shù)水平及性能的提高是以增大生產(chǎn)能力、降低能耗、提高可靠性為目的，企業(yè)對(duì)現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行技術(shù)改造，提高產(chǎn)量和工藝適應(yīng)性，滿足生產(chǎn)需求，提高現(xiàn)有裝備的利用率，對(duì)提高經(jīng)濟(jì)效益有重要的意義［7-8］。筆者通過(guò)研究雙螺桿擠出機(jī)特定部位捏合塊錯(cuò)列角的變化對(duì)滑石粉填充PP加工的影響，改善滑石粉加入時(shí)的排氣問(wèn)題，提高了產(chǎn)能，降低了能耗，穩(wěn)定了生產(chǎn)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

PP：中國(guó)石油蘭州石化公司；

聚烯烴彈性體（POE）：日本三井化學(xué)公司；

聚乙烯（PE）：中國(guó)石油蘭州石化公司；

滑石粉：5 μm （3 000目），遼寧北海實(shí)業(yè)（集團(tuán)）有限公司；

其它助劑：市售。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

同向雙螺桿擠出機(jī)：ZE75A×48D-UTX型，德國(guó)貝爾斯托夫公司；

計(jì)量秤：DDW-MS6FW80/5plus-200ISC（MIC）型，布拉本達(dá)技術(shù)（北京）有限公司。

本研究中黃連、黃芩、黃柏、梔子中化合物的OB和DL篩選閾值分別為OB≥30%、DL≥0.18。通過(guò)篩選，168個(gè)化合物中有66個(gè)符合條件。另外，通過(guò)文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)4味中藥可能含有一些藥效成分，其OB值與DL值小于篩選條件而被系統(tǒng)刪除，考慮其潛在意義，故也將其中11個(gè)化合物納入，共77個(gè)作為候選化合物。

1.3 試驗(yàn)方法

（1）捏合塊錯(cuò)列角介紹。

捏合塊在螺桿組合中可以對(duì)物料起到混合分布作用，這是由于剪切片和機(jī)筒之間會(huì)形成若干分隔開(kāi)的槽型通道，物料從捏合塊上一個(gè)剪切片流入下一個(gè)剪切片，物料會(huì)分流，各股料流會(huì)反復(fù)分流、換位和匯合、回流，從而提高物料表面更新能力和接觸界面，使物料得到混合［9］。

圖1為幾種典型捏合塊示意圖。捏合塊的錯(cuò)列角不同，則對(duì)物料的輸送、混合和剪切能力不同，捏合塊錯(cuò)列角沿螺桿旋轉(zhuǎn)方向小于90°，為正向捏合塊（如圖1a，上一個(gè)剪切片按螺桿旋轉(zhuǎn)方向旋轉(zhuǎn)45°到下一個(gè)剪切片），此類(lèi)捏合塊將推進(jìn)物料沿著螺桿前進(jìn)，正向輸送能力較強(qiáng)；中性捏合塊相鄰兩個(gè)剪切片的夾為90°（圖1b），不具備輸送能力，依靠正向輸送的螺紋塊將物料輸送到此捏合塊，并迫使物料越過(guò)繼續(xù)向前輸送；捏合塊錯(cuò)列角沿螺桿旋轉(zhuǎn)方向大于90°，稱為反向捏合塊，如圖1c，上一個(gè)剪切片沿螺桿旋轉(zhuǎn)方向旋轉(zhuǎn)135°（反方向旋轉(zhuǎn)45°）到下一個(gè)剪切片，此類(lèi)捏合塊阻礙螺紋塊沿著螺桿前進(jìn)，形成反壓，導(dǎo)致順流螺槽填充程度增加形成局部高壓和高剪切，回混作用強(qiáng)。隨著剪切片錯(cuò)列角的增大，捏合塊對(duì)物料的分散混合能力提高［9］。

圖1 幾種典型捏合塊示意圖

螺筒開(kāi)口布局見(jiàn)圖2，其中滑石粉經(jīng)側(cè)喂料機(jī)，從側(cè)喂料機(jī)接入口喂入。

圖2 螺筒布局示意圖

（3）捏合塊排列。

實(shí)驗(yàn)將5個(gè)單片剪切片以相同的角度錯(cuò)列固定組合成一個(gè)捏合塊，然后調(diào)整Ⅰ，Ⅱ處兩個(gè)捏合塊的錯(cuò)列角，調(diào)節(jié)喂料，其它工藝均不改變的條件下，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其排列組合見(jiàn)表1。

（4）加工過(guò)程。

表1 四種捏合塊組合1）

按照PP，POE，PE，滑石粉及其它助劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為56%，18%，11%，12%，3%稱取原料。將PP，POE，PE，其它助劑預(yù)混合后，經(jīng)過(guò)計(jì)量秤計(jì)量從主喂料下料口喂入，滑石粉通過(guò)計(jì)量秤計(jì)量后，經(jīng)側(cè)喂料機(jī)強(qiáng)制喂入擠出機(jī)，物料中的夾氣通過(guò)主喂料下料口、側(cè)喂料排氣口、側(cè)喂料機(jī)接入口、自然排氣口、真空口排出，物料經(jīng)過(guò)雙螺桿擠出機(jī)混合后通過(guò)模頭，經(jīng)拉條、水冷、風(fēng)干、切粒、過(guò)篩后得到成品。

1.4 試驗(yàn)表征

研究四種捏合塊組合下加工過(guò)程中的以下參數(shù)變化：（1）側(cè)喂料排氣口、側(cè)喂料機(jī)排氣口、自然排氣口的排氣和滑石粉堆積情況；（2）扭矩、電流；（3）最大喂料量。

2 實(shí)驗(yàn)分析與討論

2.1 不同捏合塊錯(cuò)列角對(duì)排氣的影響

表2示出不同捏合塊錯(cuò)列角下的加工情況。滑石粉中夾有一定的氣體，其粒徑越小，夾雜的氣體越多，且越難排出，滑石粉喂入越多則需要排出更多的氣體。氣體從壓力最小、距離最近的排氣口排出，當(dāng)滑石粉沒(méi)有和樹(shù)脂完全混合的情況下，氣體則帶著滑石粉從壓力小的開(kāi)口處排出。由表2可以看到，側(cè)喂料機(jī)接入口的排氣量為：1#＜2#＜3#＜4#，側(cè)喂料排氣口排氣量為：1#＞2#＞3#＞4#；自然排氣口的排氣量為：1#＜2#＜3#＜4#。這是因?yàn)橥穸认?，捏合塊錯(cuò)列角135°，90°，45°的平均回流系數(shù)依次降低，物料前進(jìn)的阻力依次降低，輸送能力依次提高［9-10］，由此分析，在1#組合下，當(dāng)滑石粉從側(cè)喂料機(jī)強(qiáng)制喂入擠出機(jī)后，隨著螺桿往前輸送，碰到兩個(gè)反向捏合塊，阻力非常大，很難跨越阻力繼續(xù)前行，氣體回流，所以自然排氣口只是冒出極少量的熱氣，由于氣體受到反沖力度非常大，只有非常少的氣體從旁邊的側(cè)喂料機(jī)接入口溢出，而大量的氣體從壓力最小的側(cè)喂料排氣口排出。當(dāng)喂料稍微開(kāi)大時(shí)，氣體含量增加，此時(shí)滑石粉遇到兩個(gè)反向捏合塊則阻力非常大，大部分無(wú)法越過(guò)，無(wú)法全部喂入擠出機(jī)，于是在側(cè)喂料機(jī)中不斷堆積，氣體則帶著未與樹(shù)脂融合的滑石粉從側(cè)喂料排氣口噴出。和1#組合相比，捏合塊錯(cuò)列角135°/90°的組合比135°/ 135°的組合平均回流系數(shù)小，阻力變小，所以當(dāng)部分氣體到此處遇阻力時(shí)，會(huì)越過(guò)阻力往前輸送，所以自然排氣口噴出的氣體量增大，而側(cè)喂料排氣口排出的量相對(duì)減少，側(cè)喂料機(jī)接入口由于喂料通暢，回流的氣體沖力變小和速度變慢而溢出更多的氣體。當(dāng)喂料開(kāi)大到一定程度，側(cè)喂料排氣口和側(cè)喂料機(jī)接入口無(wú)法排出所有的氣體時(shí)，滑石粉不能完全喂入擠出機(jī)，則不斷在側(cè)喂料機(jī)中堆積，氣體則會(huì)帶著未和樹(shù)脂相容的滑石粉從阻力最小的側(cè)喂料排氣口噴出。和2#組合相比，3#捏合塊組合為45°/90°，則阻力繼續(xù)減小，回流系數(shù)繼續(xù)減小，回流的氣體沖力繼續(xù)變小，所以自然排氣口的排氣量繼續(xù)增加，側(cè)喂料排氣口的排氣量相對(duì)減小，側(cè)喂料機(jī)接入口的排氣量也繼續(xù)增加。和3#組合相比，4#捏合塊組合為45°/45°，阻力更小，回流系數(shù)也大大減小，在擠出機(jī)中前進(jìn)的一大部分氣體越過(guò)捏合塊從壓力小的自然排氣口排出，但捏合塊剪切片間的錯(cuò)列角仍然能阻擋氣體的前進(jìn)，所以仍然有部分氣體回流，從側(cè)喂料排氣口排出，由于回流時(shí)的動(dòng)力減小，速度變慢，所以會(huì)有更多的氣體從距離近的側(cè)喂料機(jī)接入口溢出；而當(dāng)喂料開(kāi)大到一定程度時(shí)，回流的氣體增加到一定程度，滑石粉又會(huì)在側(cè)喂料機(jī)中堆積，側(cè)喂料機(jī)接入口排氣量減小，側(cè)喂料排氣口返出滑石粉。

表2 不同捏合塊錯(cuò)列角下的加工情況

2.2 不同捏合塊錯(cuò)列角對(duì)產(chǎn)能和能耗的影響

圖3示出在產(chǎn)能為1 100 kg/h下不同捏合塊錯(cuò)列角時(shí)的扭矩和電流，此時(shí)1#組合生產(chǎn)無(wú)法進(jìn)行，側(cè)喂料機(jī)無(wú)法喂入滑石粉，側(cè)喂料排氣冒滑石粉。

由圖3可以看出，在同樣的產(chǎn)能情況下，扭矩和電流均是2#＞3#＞4#，由此說(shuō)明2#，3#，4#能耗依次降低。其原因?yàn)椋合嗤穸鹊那闆r下，捏合塊角度的剪切力為135°＞90°＞45°［10］。2#捏合塊組合為135°/90°，3#捏合塊組合為45°/90°，4#捏合塊組合為45°/45°，剪切力不斷減弱，所以能耗不斷降低。

圖3 不同捏合塊錯(cuò)列角下的扭矩和電流

圖4為不同組合下可以順利生產(chǎn)的最大喂料量。由圖4可以看出，1#，2#，3#，4#的最大喂料量依次增大，而且增大幅度越來(lái)越大。究其原因，實(shí)驗(yàn)的最大喂料量制約于滑石粉能否順利加入到筒中去，并與PP基體樹(shù)脂相融合，在螺筒中順利輸送向前，不返粉，所以關(guān)鍵因素為螺桿的輸送能力。由于捏合塊錯(cuò)列角的回流系數(shù)135°＞90°＞45°［10］，所以1#，2#，3#，4#捏合塊錯(cuò)列角的組合輸送能力不斷增加，從而最大喂料量不斷增加。

圖4 不同捏合塊錯(cuò)列角下的最大喂料量

3 結(jié)論

通過(guò)變換特定部位的捏合塊錯(cuò)列角（自然排氣口前的兩個(gè)捏合塊），發(fā)現(xiàn)此特定部位的捏合塊錯(cuò)列角對(duì)加工影響很大：捏合塊組合由135°/135°改為45°/45°的過(guò)程中，最大喂料量可以提高177%，并且排氣正常，能耗降低，生產(chǎn)穩(wěn)定。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］ 李振國(guó).滑石粉填充聚丙烯的性能研究［J］.塑料工業(yè)，2003，31（s1）:96-98.Li Zhenguo.Research on properties of polypropylene filled with talc powder［J］.China Plastic Industry，2003，31（s1）:96-98.

［2］ 王少會(huì)，劉佩珍，徐衛(wèi)兵，等.超分散劑改性滑石粉填充PP復(fù)合材料的性能研究［J］.塑料工業(yè)，2008，36（1）:53-62.Wang Shaohui，Liu Peizhen，Xu Weibing，et al.Study on mechanical and rheological behavior of PP composite filled with hyper-dispersant modified talc［J］.China Plastic Industry，2008，36（1）:53-62.

［3］ 胡智華，傅和青.聚丙烯填充改性［J］.化工新材料，2005，33（5）:60-64.Hu Zhihua，F(xiàn)u Heqing.Filling and modifying of polypropylene［J］.New Chemical Materials，2005，33（5）:60-64.

［4］ 田永，韋俊.車(chē)用聚丙烯及其復(fù)合材料的性能與應(yīng)用［J］.汽車(chē)零部件，2012（6）:66-69.Tian Yong，Wei Jun.The property and application of polypropylene reinforce material on automotive［J］.Automobile Parts，2012（6）:66-69.

［5］ 田軍，馬秀清，武學(xué)偉，等.捏合盤(pán)錯(cuò)列角和厚度對(duì)聚丙烯降解的影響［J］.中國(guó)塑料，2010，24（8）:99-102.Tian Jun，Ma Xiuqing，Wu Xuewei，et al.Influence of staggering angle and thickness of kneading blocks in an intermeshing corotating twin-screw extruder on the degradation of polypropylene［J］.China Plastics，2010，24（8）:99-102.

［6］ 呂峰和，孔東勝，宋江穎，等.嚙合同向雙螺桿擠出機(jī)螺桿組合及其應(yīng)用［J］.河南科學(xué)，2003，21（1）:94-96.Lv Fenghe，Kong Dongsheng，Song Jiangying，et al.The screw combination of co-rotating twin-screw extruder and it’s use［J］.Henan Science，2003，21（1）:94-96.

［7］ 馬永金，李世通.新型高分子材料配混擠出技術(shù)及成套裝備開(kāi)發(fā)［J］.工程塑料應(yīng)用，2011，39（3）:85-89.Ma Yongjin，Li Shitong.Development of compounding and extrusion technology and complete equipment for new polymer［J］.Engineering Plastics Application，2011，39（3）:85-89.

［8］ 方程，龔樹(shù)云，謝林生，等.基于混煉等效的雙螺桿擠出機(jī)擴(kuò)能改造方法的研究［J］.中國(guó)塑料，2012，26（4）:110-113.Fang Cheng，Gong Shuyun，Xie Linsheng，et al.Study on capacity expansion of twin-screw extruders based on equipment mixing performance［J］.China Plastics，2012，26（4）:110-113.

［9］ 劉廷華，朱復(fù)華.雙螺桿混合元件的特性及應(yīng)用［J］.塑料，1994，23（6）:9-13.Liu Tinghua，Zhu Fuhua.Speciality and application of mixing elements for twin-screw extrusion［J］.Plastics，1994，23（6）:9-13.

［10］ 王文飛.嚙合同向雙螺桿擠出機(jī)捏合塊組合的研究［D］.北京:北京化工大學(xué)，2011:37-80.Wang Wenfei.Study on kneading blocks configuration in corotating twin screw exteuder［D］.Beijing:Beijing University of Chemical Technology，2011:37-80.

聯(lián)系人：杜賞，工程師，主要從事改性塑料加工工藝研究與開(kāi)發(fā)

Influence of Staggering Angle of Kneading Blocks on Process of Polypropylene Filled with Talcum Powder

Du Shang
（Shanghai Kingfa Sci & Tech Co.Ltd.， Shanghai 201714， China）

Abstract：Polypropylene composite filled with talcum powder was prepared with a co-rotating twin screw extruder，and the influence of staggering angle of kneading blocks on the process was studied.The results show that changing the angle of kneading blocks can raise max feeding 177% from 900 kg/h to 2 500 kg/h，and it can keep exhausting well，energy consumption reducing，production stability.

Keywords：kneading blocks；staggering angle；exhausting；feeding；torque；current

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ320.66

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-3539（2016）01-0068-04

doi:10.3969/j.issn.1001-3539.2016.01.015

收稿日期：2015-10-19