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超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)双螺杆挤出成型方法的研究
2014-07-02 23:23:21

UHMW-PE双螺杆挤出成型方法的研究
随着UHMW-PE的应用范围进一步的扩大,迫切需要开发出一种能对UHMW-PE实施连续成型的方法。目前国内外均开发出的采用单螺杆挤出的成型技术虽与压制一挠结和柱塞挤出比较有更高的生产效率,但由于UHMW-PE与金属的摩擦系数较小,使用单螺杆挤出的固体输送受到限制,因此成型技术不仅设备要求较高,而且产率很有限。
相对而言,同向双螺杆挤出机就能较好地克服这些缺点。双螺杆挤出机由于两螺杆啮合在一起具有自洁功能,能将物料强制推进,具有轴向强制输送物料作用,因此不需要在料筒上开槽,且塑化混炼效果很好。
4.1 UHMW-PE双螺杆挤出机设备设计
4.1.1 机头结构及该机头特点
本机头是一个3层复合强制润滑挤出口模,板材宽度为160mrn,总厚度为6mm。上层为中等分子量聚乙烯,由一台今Ø30mm的单螺杆挤出供料,中间层为经过流动改性后的UHMW-PE,经一台中Ø34mm双螺杆挤出机挤出。下层为耐热硅油,整体结构如图25所示。该机头具有如下特点:
 (l)采用衣架式熔体分配器[46],流道形状如图25所示,它集T型机头和鱼尾形机头的优点于一身,既拥有直径较小且沿流动方向可变的歧管,又有鱼尾形机头一样的扇形区且扇形区扩散角特别大,可以尽可能的在沿整个模头宽度上使
 
图25 强制润滑复合板材口模结构图
1、12、19、20.机头体2.热电偶3、6.定位销4、7.连接体5、8.加热圈9.吊装螺钉
10、15、17.调节排11、14、18.调节螺钉13.紧固螺钉16.压力传感器21.进油管
熔体均匀流动,特别适合于宽幅片材生产,容易实现工业化。上层采用缝隙形分配流道,这种流道形状在流变学和加工制造方面多有着很大的优势,它的流动是沿分配流道和缝隙的合成,如图26所示。
 
图26 衣架式熔体分配器
(2)复合板材各层厚度可调。机头采用微调螺钉驱动调节排分别调节各层的间隙,从而可以控制UHMW-PE层、HDPE层的厚度和板材制品的总厚度,以获得不同厚度尺寸的板材。
(3)采用强制润滑挤出[47],在板材的下层采用压力泵压入耐热硅油,液压系统如图27所示。强制润滑液压系统的组成如下:
液压油:耐热甲基硅油,耐温250℃,SH200
三相异步电动机:Y100LI-4,上海安源电机厂
齿轮泵:CBN-F3,江苏淮阳
溢流阀:YF-L10HI-S型,上海液压件二厂
节流阀:200OL&J,台湾
 
图27 液压系统示意图
耐热硅油的渗入将大大减小UHMW-PE料层及与模唇间的剪切,使UHMW-PE熔体的流动为栓形流动,使得因剪切速率不同而对产品性能的影响降低到最低点。
 
图28 衣架式熔体分配器设计模型
 
图29 缝隙形分配流道
 
图30 缝隙形分配流道中的流动
(4)本机头采用电加热方法,具有使用方便、无环境污染等优点。
(5)本机头连接双螺杆挤出机来实现UHMW-PE的高效连续挤出,借此提高UHMW-PE制品的生产效率。
4.1.2 螺杆组合方案的确定
对于UHMW-PE这种特殊的物料,根据它的熔体特性,共设计了三种不同的螺杆组合(如图31所示)进行实验。图中(a)为全螺纹元件结构,利用不同导程的元件形成对物料的压缩,以强化物料输送为主;排气口前组合一对左旋螺纹元件,形成阻尼.以利排气。用该组合考察以物料输送为主有一定混炼作用的螺杆元件组合对高粘弹物料的输送、混合、熔融及对挤出物的作用和影响。这种全螺纹元件的结构是针对超高分子量聚乙烯熔体粘度极大的特点而设计的,为了减小双螺杆挤出工作扭矩,保证机器的正常运转,取消了常规螺杆组合中所有的混炼元件(捏合盘)。当然,这是以牺牲共混物的混炼效果为代价。(b)组合在螺杆中前部组合一个45°的捏合盘,捏合盘由于没有输送能力,只有两侧的压力差达到一定量值时,物料才能通过,所以它起的作用是比(a)组合提前建立压力,加上捏合盘良好的混炼效果,旨在能提高填料的分散和分布效果,使熔体更加均匀。(c)组合在螺杆中部又加入了一个捏合盘,起的作用是进一步提高螺杆的混炼效果。
 
(a)全螺纹元件
 
(b)螺纹元件加一个捏合盘
 
(c)螺纹元件加二个捏合盘
图31 UHMW-PE同向双螺杆螺杆组合方案
各螺杆组合,配与普通造粒机头,在以下实验条件下进行挤出造粒实验:
表6 UHMW-PE挤出工艺条件
 
经实验发现:
表7双螺杆连续挤出UHMW-PE的实验现象
 
从以上现象表明,要顺利挤出UHMW-PE,采用螺杆组合(a)是一种最佳的选择。
4.2 UHMW-PE双螺杆挤出成型实验
(l)实验所用配方:
UHMW-PE/HDPE/PP/EPDM/玻璃微珠(70/25/5/5/30)
(2)实验装置:
1、主机:TE-34型同向双螺杆挤出机,江苏科亚化工装备有限公司;
2、机头:强制润滑衣架式板材挤出机头,自行设计制造(结构如图32)。


 
(图中双螺杆挤出机为纵向放里,单螺杆挤出机为横向放兰,用于复合挤出)
图32 UHMW-PE强制润滑双螺杆挤出实验装置
(3)实验工艺流程:(见图33)
 
图33 UHMW-PE/HDPE/填料共混体系的双螺杆挤出成型工艺流程图
UHMW-PE/HDPE/填料共混体系的双螺杆挤出成型工艺条件如表8:

表8 UHMW-PE/HDPE/填料共混体系的双螺杆挤出成型工艺条件