同向雙螺桿擠出機在熱固性塑料中的應(yīng)用

曾天忠，田衛(wèi)東

（天華化工機械及自動化研究設(shè)計院有限公司， 甘肅 蘭州 730060）

熱固性塑料以熱固性樹脂為主要成分，添加各種必要的助劑通過交聯(lián)固化過程形成的塑料制品。常見的熱固性塑料有酚醛塑料、環(huán)氧樹脂等。熱固性塑料具有很多優(yōu)點，如剪切模量高、剛性好、硬度高、壓縮強度高、抗蠕變、阻燃和絕緣性好等，廣泛用于電子工業(yè)、機械工業(yè)、汽車工業(yè)、日用品等[1]。

隨著工業(yè)的發(fā)展，熱固性塑料需要不斷進行共混改性，以滿足汽車、電子、航空航天、國防等高新技術(shù)領(lǐng)域不斷更新的需求。共混改性后的熱固性塑料性能得到提高，應(yīng)用更加廣泛。例如，酚醛塑料加入無機納米粒子混合改性后，其熱性能、力學(xué)性能及摩擦性能得到改善[2]；酚醛塑料添加玻璃纖維混合改性后，其沖擊強度、熱變形溫度及絕緣性能得到提高[3]；酚醛塑料添加丁腈橡膠混合后，其韌性得到提高[2]；環(huán)氧塑料添加二氧化硅混合后，其耐熱、耐濕性能得到提高，用于電子產(chǎn)品的封裝材料[4]。

傳統(tǒng)熱固性塑料共混改性的方法簡單。以酚醛塑料為例，它采用雙輥開煉機混煉。雙輥開煉機由兩個異向旋轉(zhuǎn)的中空輥筒組成，輥筒可前后移動，調(diào)節(jié)輥筒間距離，兩輥筒各自控制溫度并以不同速度相對回轉(zhuǎn)。物料隨著輥筒的轉(zhuǎn)動被卷入兩輥間隙，受強烈剪切作用而達到塑煉目的。此生產(chǎn)工藝的缺點是：（1）熱固性塑料混煉不均勻，質(zhì)量不穩(wěn)定；（2）生產(chǎn)過程中，需要用手工翻動混煉料，工人操作強度大，危害勞動者身體健康，能源消耗大，生產(chǎn)效率低；（3）粉層過大，造成環(huán)境污染；（4）不能滿足熱固性塑料各種新工藝生產(chǎn)要求。

隨著高分子材料工業(yè)的發(fā)展和人們環(huán)境保護意識的增強，國內(nèi)逐步采用同向雙螺桿擠出機進行共混改性。

1 熱固性塑料專用雙螺桿擠出機

熱固性樹脂的特點是初次加熱可以軟化流動，加熱到一定溫度后產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)并交聯(lián)固化變硬。這種變化是不可逆的，再次加熱時不能發(fā)生軟化，也不能在溶劑中溶解。熱固性塑料專用雙螺桿擠出工藝正是借助這種特性進行混煉加工，利用熱固性塑料初次加熱的塑化流動，對物料進行混合混煉、剪切分散、均化均質(zhì)、排氣脫揮等各項功能后壓成片材，冷卻破碎，得到改性后熱固性樹脂，最后使用模壓、澆鑄等方法生產(chǎn)出制品。圖1為熱固性塑料專用雙螺桿擠出工藝示意圖。

圖1 熱固性塑料專用雙螺桿擠出工藝示意圖

圖2為熱固性塑料專用雙螺桿擠出機。它由主電機、傳動箱、喂料機、螺桿、筒體等組成。主電機提供動力能源。傳動箱將輸入軸扭矩分配到兩根同向旋轉(zhuǎn)的輸出軸上。兩根輸出軸分別帶動兩根螺桿旋轉(zhuǎn)。喂料機向螺桿提供穩(wěn)定的物料。兩根旋轉(zhuǎn)的螺桿帶動物料向前輸送。物料從擠出機出口進入壓片機。物料在輸送過程中，受到螺桿的剪切，與筒體進行熱量交換，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。整個過程在密閉的環(huán)境中進行，以減少對環(huán)境的污染。同向雙螺桿擠出機混煉能力強，可實現(xiàn)密閉連續(xù)化生產(chǎn)，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，螺桿具有自清理功能，流道光滑、無死角，更換不同牌號的物料不需清洗設(shè)備，可以克服雙輥開煉機生產(chǎn)勞動強度大、環(huán)境惡劣等缺點。

圖2 熱固性塑料專用雙螺桿擠出機

2 熱固性塑料專用雙螺桿擠出機設(shè)計特點

熱固性塑料輸送過程中，發(fā)生物理變化和化學(xué)反應(yīng)，呈粘稠狀，具有流動性，一旦混煉時間過長、溫度局部過高或輸送不暢，立即交聯(lián)固化，造成螺桿卡死現(xiàn)象。根據(jù)熱固性塑料工藝特點，熱固性塑料專用雙螺桿擠出機在螺桿長徑比，螺桿組合，螺桿轉(zhuǎn)速，溫度控制系統(tǒng)，筒體結(jié)構(gòu)方面進行了特殊設(shè)計。

2.1 混煉效果的控制

熱固性塑料混煉效果決定產(chǎn)品的質(zhì)量，除了物料配方和工藝參數(shù)影響外，與擠出機的結(jié)構(gòu)設(shè)計有密切關(guān)系。擠出機影響混煉效果的主要參數(shù)有螺桿長徑比、螺桿轉(zhuǎn)速和螺桿結(jié)構(gòu)。

螺桿長徑比是螺桿長度與螺桿直徑的比值，其值直接影響物料混煉時間。熱固性塑料混煉時間需適當(dāng)，時間過長物料易發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，時間短則影響混煉效果。經(jīng)過大量實驗，螺桿長徑比一般選擇12到15之間。螺桿轉(zhuǎn)速也是影響混煉效果的主要因素。擠出機可以調(diào)整螺桿轉(zhuǎn)速，使其達到最佳效果，一般螺桿轉(zhuǎn)速選擇在150r/min到250r/min之間。表1為生產(chǎn)環(huán)氧樹脂添加二氧化硅擠出機的主要參數(shù)。

表1 某環(huán)氧樹脂擠出機的主要參數(shù)

螺桿是擠出機核心工作部件，由兩根同向旋轉(zhuǎn)的螺桿組成。螺桿采用積木式結(jié)構(gòu)。兩根螺桿相互嚙合，使流道光滑、無死角。針對熱固性塑料混煉，螺桿設(shè)計了密封段、輸送段、混煉段和排氣段四段。密封段使用最小導(dǎo)程輸送元件，確保螺桿起始部分不漏料。輸送段由輸送元件組成，向前輸送物料，對于堆積密度小的物料，可采用大導(dǎo)程元件輸送?；鞜挾蔚穆輻U長徑比一般選擇在6到8之間，由嚙合塊組成，對物料進行混合混煉、剪切分散、均化均質(zhì)。出料段由輸送元件和反向輸送元件組成，反向輸送元件確保物料不向螺桿結(jié)束部分輸送，由出料口擠出。圖3是環(huán)氧樹脂添加二氧化硅擠出機螺桿組合和溫度控制區(qū)間分布。圖4是酚醛樹脂添加玻璃纖維擠出機螺桿組合和溫度控制區(qū)間分布。

圖3 環(huán)氧樹脂擠出機螺桿組合和溫度控制區(qū)間分布

2.2 筒體和螺桿的清理

熱固性塑料擠出過程中經(jīng)常發(fā)生螺桿卡死現(xiàn)象。螺桿卡死后的物料不能繼續(xù)使用。重新開車時，螺桿筒體需清理干凈。常規(guī)方法是將螺桿從筒體中抽出，然后清理。交聯(lián)固化后的物料像楔子一樣鑲嵌螺桿和筒體之間。螺桿很難從筒體中拔出。針對這一現(xiàn)象，我們將筒體結(jié)構(gòu)設(shè)計成剖分式筒體。剖分式筒體由上下兩部分組成，像貝殼一樣，用螺釘將其連接。螺桿卡死后，卸掉連接螺釘，將剖分式筒體分開（見圖5）。銅棒輕輕敲擊物料，使物料與螺桿、筒體脫離。銅刷清理剩余粉塵和碎料，然后關(guān)閉筒體，螺釘連接。整個過程方便快捷。

2.3 溫度控制系統(tǒng)

熱固性塑料擠出過程中經(jīng)歷了一個復(fù)雜的溫度變化過程。這個過程中，物料混煉持續(xù)放熱和螺桿旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的剪切熱會使物料局部溫度急劇上升，加速交聯(lián)反應(yīng)，造成螺桿卡死現(xiàn)象。擠出機需及時帶走熱量，將溫度控制在合理區(qū)間。針對這一情況，擠出機對筒體和螺桿分別進行了溫度控制。擠出機筒體采用分區(qū)式結(jié)構(gòu)，由六區(qū)組成（見圖3和圖4）。每區(qū)擠出機筒體冷卻流道孔布置均勻，以便快速帶走剪切熱。每區(qū)筒體由單獨的模溫機來控制溫度。模溫機內(nèi)的導(dǎo)熱介質(zhì)高速循環(huán)，以便在很短的時間內(nèi)將筒體里的多熱熱量帶走。螺桿芯部設(shè)計冷卻孔，并配置芯部冷卻循環(huán)系統(tǒng)，具有極強的冷卻能力（見圖5）。擠出機螺桿構(gòu)型應(yīng)避免嚙合元件過度集中，以保證物料不會發(fā)生局部過熱現(xiàn)象。

圖5 剖分式筒體

表2 環(huán)氧樹脂添加二氧化硅擠出機各區(qū)溫度設(shè)置

表3 酚醛樹脂添加玻璃纖維擠出機各區(qū)溫度設(shè)置

2.4 排氣系統(tǒng)

某些熱固性塑料在擠出過程中易產(chǎn)生少量小分子氣體或者夾帶空氣。這些氣體需脫除，否則塑料制品的物理性能和外觀質(zhì)量會受到影響，易產(chǎn)生氣孔、表面凹陷等現(xiàn)象。常規(guī)雙螺桿擠出機在中間部位安裝了排氣系統(tǒng)。這樣的排氣系統(tǒng)用于熱固性塑料排氣時，排氣口處易積料，增加物料停留時間，易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)逐漸硬化成型，堵塞流道，卡死螺桿。改進后的排氣系統(tǒng)將排氣口設(shè)計在出料口后側(cè)，對應(yīng)的螺桿設(shè)計反向輸送螺紋元件（見圖6）。反向輸送螺紋元件阻止物料向排氣口方向輸送，促使物料從出料口排出。此處物料不斷表面更新，低分子氣體易與外界相通。排氣口處與外界真空泵相通，迅速抽走低分子氣體。

圖6 熱固性塑料專用雙螺桿擠出機排氣系統(tǒng)

3 結(jié)語

熱固性塑料在雙螺桿擠出機中的成功應(yīng)用不僅提高了產(chǎn)品質(zhì)量，而且改善了勞動操作條件，減少能源消耗，具有環(huán)保意義。隨著熱固性塑料新產(chǎn)品的不斷開發(fā)，同向雙螺桿擠出機必將發(fā)揮重要作用，具有廣闊的市場前景。

◆參考文獻

[1] 張玉霞. 熱固性塑料回收利用技術(shù)[J].中國塑料，1997，11(3)：56-64.

[2] 劉佳寧，侯秋飛，胡若飛，等. 酚醛樹脂改性及應(yīng)用概述[J].科技創(chuàng)業(yè)月刊，2016，(11)：134-136.

[3] 王秋野，王春雨. 玻纖增強酚醛模塑料性能及應(yīng)用[J].纖維復(fù)合材料，2012，(1)：13-14.

[4] 付中林，吳壁耀. 電子塑封材料用環(huán)氧樹脂的進展[J].武漢化工學(xué)院學(xué)報，2003，25(4)：47-50.