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超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)单螺杆挤出成型方法的研究
2014-07-02 23:21:47

UHMW-PE单螺杆挤出成型方法的研究
3.1 试验用原材料
UHMW-PE:M-2型,北京助剂二厂;
聚乙烯蜡:分子量3000~4500,北京化工学院。
3.2 试验设备
单螺杆挤出机:SJ-90A,螺杆直径90mm,螺杆长径比L/D=25,轴向耐压30~35MPa,上海挤出机械厂;单螺杆示意图如图21所示。
模具:压缩比2.0~2.5,要求模具能产生30~40MPa的背压,模腔表面粗糙度Ra应达到0.4µm以下,最好镀硬铬,模具出口设置水循环冷却装置,芯棒采用油冷却。
 
 
图21 单螺杆示意图
3.2试样制备
按照100份UHMW-PE加入5份聚乙烯蜡的配比混料,用改造的单螺杆挤出机挤出试样。
3.3 挤出工艺条件
现以挤出外径73mm、壁厚5mm的UHMW-PE管材为例,其工艺条件见表5。
表5 UHMW-PE管材的挤出工艺条件
 
注:挤出机料筒与模具加热分区见图23、图24。
3.4 挤出机的改造
如上所述,UHMW-PE即使在熔融状态下仍呈粘弹态,几乎没有流动性,且物料与螺杆和料筒之间的摩擦因数很小,因此要在料筒中输送物料是很困难的。也就是说,使用单螺杆挤出机输送物料仅靠螺杆与料筒之间的剪切是不能将物料沿螺槽向前推进的,往往会使物料滞留在螺杆压缩段而包敷在螺杆上形成料塞,到计量段的物料也无法充满螺槽,导致无法进料,见图22。
 
图22 单螺杆输送UHMW-PE料示意图
为了使熔融的UHMW-PE熔体能用单螺杆挤出机输送,根据双螺杆挤出机输送物料的启示,我们对单螺杆挤出机进行了改造,即在其料筒内壁开轴向槽,类似于枪膛的来复线,见图23。槽的断面为抛物线状,其作用是,既要阻止料塞形成,又要使槽内的物料在一定时间内较容易地沿径向移动而离开槽。换句话说,就是使槽内没有死角,从而不会使UHMW-PE熔体长时间或永久地留在槽内。槽的深度和宽度与料筒直径有关,对内径90mm的料筒,设计的槽宽为8mm,槽深为6mm。至于槽宽、槽深与料筒直径的关系,最好取槽宽为料筒直径的8%~10%,槽深为料简直径的5%~8%。
如果将轴向槽设置成直线,槽内物料只受到径向力而没有轴向力,虽然物料不能在压缩段形成料塞,但槽内的物料不能沿轴向前进,使输送效果大大降低;而设置成来复线时,槽内的物料既受到径向力也受到轴向推力,因而既能防止料塞,又能使得槽内物料沿轴向推进,从而大大提高了输送效果。因为来复线的螺距与螺杆的螺距相差较大,物料螺杆中转速高,而在槽内转速低,从而使物料在螺杆与料筒之间有较大的剪切力,不能形成料塞,就像双螺杆挤出机的啮合输送一样,将物料强制推进,达到将UHMW-PE熔体输送进模具的目的。
 
图23 改造后的单螺杆挤出机结构及输送过程示意图
 
图24 管材棋具结构示定图(单位mm)
我们共设置三条来复线,在料筒截面上呈120°均匀分布。对于常用的各种直径的料筒,从有效果和易加工考虑,设置三条来复线是合理的。
与其它塑料相似,UHMW-PE在料筒中也历经加热、塑化、输送三个过程[45]。不同的是,熔融状态下UHMW-PE的熔体枯度高达l×108Pa•s,输送阻力非常大,因而对螺杆的轴向推力要求很高,也就是说,要求螺杆尾部的止推轴承能承受很高的背压。这种背压由两部分组成:其一是螺杆剪切物料将熔体向前输送产生的背压(这部分背压在不安装模具挤出时也存在);另一部分是将熔体输送到模具中克服成型阻力所形成的背压。实验表明,在挤出成型外径73mm、壁厚5mm的UHMW-PE管材时,料筒与模具联接处的熔体压力传感器指示值最高可达到32MPa。因此,在选择挤声UHMW-PE管材的单螺杆挤出机时,应根据管材截面积的大小,选用有足够轴向推力的挤出机。经验表明,生产UHMW-PE管材时,螺杆的轴向推力应大于管材截面积乘以30~35Mpa。