产品世界
可产业化高效节能的超高分子量聚乙烯挤出机
2014-06-24 16:03:45

   1.超高分子量聚乙烯材料的发展
超高分子量聚乙烯英文名ultra-high molecular weight polyethylene(简称UHMWPE),是分子量100万以上的聚乙烯。分子式:—(—CH2-CH2—)—n—,密度:0.936~0.964g/cm3。热变形温度(0.46MPa)85℃,熔点130~136℃。超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)是一种线型结构的具有优异综合性能的热塑性工程塑料。
  超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)的发展十分迅速,80年代以前,世界平均年增长率为8.5%,进入80年代以后,增长率高达15%~20%。而我国的平均年增长率在30%以上。1978年世界消耗量为12,000~12,500吨,而到1990年世界需求量约5万吨,其中美国占70%。
  超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)平均分子量约35万~800万,因分子量高而具有其它塑料无可比拟的优异的耐冲击、耐磨损、自润滑性、耐化学腐蚀等性能。而且,超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)耐低温性能优异,在-40℃时仍具有较高的冲击强度,甚至可在-269℃下使用。
超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)优异的物理机械性能使它广泛应用于机械、运输、纺织、造纸、矿业、农业、化工及体育运动器械等领域,其中以大型包装容器和管道的应用最为广泛。另外,由于超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)优异的生理惰性,已作为心脏瓣膜、矫形外科零件、人工关节等在临床医学上使用。 

超高分子量聚乙烯及制品

2.超高分子量聚乙烯的加工
由于超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)熔融状态的粘度高达108Pa*s,流动性极差,其熔体指数几乎为零,所以很难用一般的机械加工方法进行加工。近年来,超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)的加工技术得到了迅速发展,通过对普通加工设备的改造,已使超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)由最初的压制-烧结成型发展为挤出、吹塑和注射成型以及其它特殊方法的成型。
1.挤出改性加工 
  挤出成型设备主要有柱塞挤出机、单螺杆挤出机和双螺杆挤出机。双螺杆挤出多采用同向旋转双螺杆挤出机。
  60年代大都采用柱塞式挤出机,70年代中期,日、美、西德等先后开发了单螺杆挤出工艺。日本三井石油化学公司最早于1974年取得了圆棒挤出技术的成功。我国于1994年底研制出Φ45型超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)专用单螺杆挤出机,并于1997年取得了Φ65型单螺杆挤出管材工业化生产线的成功。  
  超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)加工时,当物料从口模挤出后,因弹性恢复而产生一定的回缩,并且几乎不发生下垂现象,故为中空容器,特别是大型容器,如油箱、大桶的吹塑创造了有利的条件。超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)吹塑成型还可导致纵横方向强度均衡的高性能薄膜,从而解决了HDPE薄膜长期以来存在的纵横方向强度不一致,容易造成纵向破坏的问题。
2.溶剂法挤出喷丝加工
以冻胶纺丝—超拉伸技术制备高强度、高模量聚乙烯纤维是70年代末出现的一种新颖纺丝方法。荷兰DSM公司最早于1979年申请专利,随后美国Allied公司、日本与荷兰联合建立的Toyobo-DSM公司、日本Mitsui公司都实现了工业化生产。中国纺织大学化纤所从1985年开始该项目的研究,逐步形成了自己的技术,制得了高性能的超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)纤维〔3〕。
  超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)冻胶纺丝过程简述如下:溶解超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)于适当的溶剂中,制成半稀溶液,经喷丝孔挤出,然后以空气或水骤冷纺丝溶液,将其凝固成冻胶原丝。在冻胶原丝中,几乎所有的溶剂被包含其中,因此超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)大分子链的解缠状态被很好地保持下来,而且溶液温度的下降,导致冻胶体中超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)折叠链片晶的形成。这样,通过超倍热拉伸冻胶原丝可使大分子链充分取向和高度结晶,进而使呈折叠链的大分子转变为伸直链,从而制得高强度、高模量纤维。
  超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)纤维是当今世界上第三代特种纤维,强度高达30.8cN/dtex,比强度是化纤中最高的,又具有较好的耐磨、耐冲击、耐腐蚀、耐光等优良性能。它可直接制成绳索、缆绳、渔网和各种织物:防弹背心和衣服、防切割手套等,其中防弹衣的防弹效果优于芳纶。国际上已将超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)纤维织成不同纤度的绳索,取代了传统的钢缆绳和合成纤维绳等。超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)纤维的复合材料在军事上已用作装甲兵器的壳体、雷达的防护外壳罩、头盔等;体育用品上已制成弓弦、雪橇和滑水板等。
二、项目的技术基础
  超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)树脂的分子链较长,易受剪切力作用发生断裂,或受热发生降解。因此,较低的加工温度,较短的加工时间和降低对它的剪切是非常必要的。
为了解决超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)的加工问题,除对树脂共混或加入流动改性剂,使之能在普通挤出机和注塑机上成型加工外、还要对成型挤出机进行针对性的设计和处理。
1、项目采用的技术方案
  挤出加工改善超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)的熔体流动性是最有效、最简便和最实用的途径。当共混体系被加热到熔点以上时,超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)树脂就会悬浮在第二组份树脂的液相中,形成可挤出、可注射的悬浮体物料。但是由于采用了低分子进行填充,在一定程度上会降低超高分子量的物理机械性能。本项目采用全新的机械和工艺结构,可以通过添加少量助剂,满足超高分子量聚乙烯的挤出加工,并保持其特有的机械物理性能。
1) 高强度输送塑化挤出原件的设计和使用
 
                   纵向沟槽强制输送型机筒
 
超高分子量聚乙烯在螺杆中的流动和一般原料不同,他是先由粉料转变为未熔固体,然后转化为高粘态,因此在压缩段形成料塞停滞不前,无法挤出。针对超高分子量聚乙烯这种特性,对挤出机筒进行强制输送功能的设计,如图所示:在机筒内表面开设纵向沟槽,有利于实现物料沿轴线顺利流动。
2)、新型高效节能专用挤出机
我国是个塑料消费大国,塑料总消费量2009年达到了3713.8万吨,位居世界第二,其表观产量超过了4500万吨,按照平均每加工1吨塑料制品耗电350KW/H计算,年消耗电能超过158亿kw.h/a,超过了葛洲坝130亿kw.h/a的供电能力,进入21世纪节能减排工作越来越受到全社发的重视,党的十六届三中全会提出了“以人为本,全面、协调、可持续发展”的科学发展观,并正式实施了《中华人民共和国节约能源法》,节能减排工作已成为全社会参与的国事、大事,节能型塑料机械的开发也被写进中国塑料机械行业的“十二五”发展规划,因此节能型塑料机械的开发具有深远的战略意义。
新型高效节能挤出机的开发具有广阔的市场前景,开发成功后,可以达到国际先进水平,产品加工的综合能耗可以在现有基础上降低50%,意味着每年可以节约相当于葛洲坝发电工程的70%的能力。
伺服直驱技术的应用,传统的挤出机,一般采用齿轮式减速机做为传动机构,电动机通过联轴器或皮带轮传递动力,这种传驱动方式,本身就会消耗大量的动力,一般挤出机中10%左右的功率就在传驱动的过程中被白白消耗掉了,即使使用现阶段普遍应用的变频节能技术,由于齿轮和皮带传动也会消耗大量动能。低速大扭矩,零旋阻的伺服驱动技术,采用世界先进的伺服控制和传动技术,自身所消耗的功率几乎为零,可提供大扭矩的传动力以及稳定的挤出速度,可在现阶段的基础上降低10%左右的能耗。
气辅技术的应用
山东通佳机械与南昌大学合作开发的“气辅挤出成新技术工业化研究项目”,其基础理论研究获得国家自然基金支持,处于国际领先水平,应用新的聚合物成型理论,为高分子挤出加工提供更加精密和节能的成新技术,平均降低塑料制品生产能耗30%以上。
电磁感应加温系统和热能综合利用装置的应用
    电磁感应加热器机体是根据感应加热原理和热传导的理论而设计,加热器机体包覆在挤出机表面,感应线圈安装在加热体的内部,使加热体形成内外磁场,由感应线圈所产生的磁力线在挤出机的内外壁产生无数涡流,从而使挤出机的内外壁本身在涡流的作用下高效发热来加热机筒内的塑料原料。从根本上杜绝磁的漏泄,磁线的利用率达到了百分百,这样还提高了加热效率,同时也解决了现在普遍存在的磁泄露的问题,实现了电磁分离,运行可靠,操控安全,洁净环保等特点。
三、 主要建设内容
建设内容与规模:
项目计划总投资1.2亿元,固定资产投资1亿元,企业自筹8000万元,征地100亩,新建产品研发中心4000平方米,项目产业化生产中心15000平方米及配套设施,建设塑料材料、塑料机械和自动控制实验室,购置流变仪、老化试验室、疲劳试验台、静液压试验台、光学测绘仪、电子显微镜、等一批先进专用检测和试验设备100余台套,购置卧式加工中心、立式加工中心、数控螺杆加工中心等高精度加工设备及先进检测设备60台套,配套公用及办公设施。
项目建成后,形成较强的项目研发和工业化生产能力,有效提高我国塑料特种加工机械的工业化能力和研发水平,可形成年产1000台套超高分子量聚乙烯以及其它特殊工程塑料材料专用挤出机,填补我国在超高分子量材料高效连续生产母机――高效节能超高分子量高分子材料专用挤出机的市场空白,能年产各种超高分子量聚乙烯制品150万吨,解决我国现阶段材料依靠进口的局面,更好的为高端制造和超高分子量聚乙烯的广泛应用提供支持。
四、项目法人基本情况
山东通佳机械有限公司是集科、工、贸一体的现代化企业集团,主要从事塑料机械、制药机械、工程塑料等机电一体化机械装备制造和科研开发与生产经营。是中国塑料机械工业协会副理事长单位,中国塑料加工协会理事单位,国家级高新技术企业,中国专利明星企业,公司地处济宁市高新区327国道96号。
企业多年来,依靠技术创新,坚持科技兴企、管理增效,不断加大技术创新的投入,设立了相对独立的技术开发机构,不断开发研制出国际先进、国内领先的机械装备,先后研制出包括塑料发泡类、塑料包装类、塑料管材、塑料网材、片材类、塑料注射类、塑料中空成型类、塑料挤出机等九系列200多种规格的塑料机械新产品,基本上满足国内外塑料行业生产线的设备选型和配套。其中多项产品填补了国内空白,获得了省、市级科技进步奖,并分别列为国家级重点新产品,国家级火炬计划项目、国家技术创新基金项目、省高新技术创新重点项目,获得多项国家专利。产品远销西班牙、波兰、巴西、俄罗斯、阿根廷、智利、伊朗、印尼、马来西亚、越南等五十多个国家和地区。经中国塑料机械协会权威调查,公司发泡类机械在国内市场占有率达60%以上,其中XPS挤出发泡节能保温板材生产线的国内市场占有率达80%以上,位居全国第一。
五. 经济效益和社会效益分析
     项目建成后可年产超高分子量聚乙烯专用高效节能挤出机1000台套,按照节能设计30%的能耗计算,可年节电约900万千瓦,年创产值2亿元,新增利税1500万元。
     超高分子量聚乙烯材料性能优异,通过挤出成型可以生产制造多种新型材料,广泛应用于航空、军工、电子、医疗等重要领域。据专家介绍和有关部门统计,中国的高性能特种纤维的产量仅为世界产量的百分之一。当今世界三大高性能纤维是:碳纤维、超高分子量聚乙烯纤维、芳纶,目前中国由于技术问题芳纶仅有小量生产;碳纤维尚处在试验和初级生产阶段,产品只能应用在耐磨填料等领域;超高分子量聚乙烯纤维已突破关键性生产技术,特别是塑料挤出技术,具备规模化生产条件,据报道,美国超高分子量聚乙烯纤维70%用于防弹衣、防弹头盔、军用设施和设备的防弹装甲、航空航天等军事领域,而我国在军事方面的应用基本上为零,超高分子量聚乙烯纤维的高端市场是绳网制造业,其次是用于防弹片(UD)。我国超高分子量聚乙烯纤维能达到出口要求的年产量不足2000吨,国内纤维生产厂家实际产出量在5000吨左右,,主要用于制造防刺服、防弹衣、防弹头盔、绳缆、远洋渔网、劳动防护等,部分纤维出口欧美及亚洲等一些国家和地区。国内国防领域已逐步使用,民用领域应用也在推广使用,每年的市场需求量约在10000吨左右。随着超高分子量聚乙烯纤维在我国实现规模化工业生产,以及生产成本和产品价格的下降,必将迅速带动中国在其国防和民用应用领域的研究和发展,尤其是在民用领域(绳缆、远洋渔网、海上养殖、劳动防护类),应用范围将不断扩展,社会惠及面越来越广,市场需求保持旺盛增长。中国超高分子量聚乙烯纤维的发展对国防建设和军事装备也将有着不同寻常的战略意义。而高性能纤维的发展是一个国家综合实力的体现,是建设现代化强国的重要物资基础,因此,专用高效节能超高分子量聚乙烯挤出机的产业化生产将为超高分子量聚乙烯纤维的生产提供装备支持。