螺桿結構對一種改性雙基推進劑代用料加工工藝的影響①

韓民園，鄭建利，朱開金，2，陳亞麗

(1.山西北方興安化學工業有限公司，太原 030008;2.太原工業學院，太原 030008)

0 引言

單螺桿擠出機以其結構簡單、成本較低、良好的性價比等特點，廣泛用于塑料、橡膠、纖維等聚合物的擠出加工，成為聚合物加工中最重要的一類擠出機。螺桿是擠出機的核心部件，實踐表明，螺桿設計得合理與否，對擠出制品的產量和質量有重大影響［1］。普通螺桿在擠出過程中，存在較高的壓力波動和溫度波動，極易導致產量的波動、制品尺寸的波動及產品性能的下降。擠出過程因涉及到固體力學、流體力學、傳熱學、流變學、高分子物理等多學科相關問題而十分復雜，因而難以得到準確定量的公式進行螺桿設計。實驗研究仍是螺桿設計的重要基礎。

國內采用螺旋壓伸工藝生產雙基推進劑，已有40余年的發展歷史，與澆鑄工藝、模壓擠鑄工藝、油壓工藝等火藥生產工藝相比，單螺桿擠出成型加工工藝因具有生產過程連續、自控程度高、設備構造簡單、操作容易，且產品質量均一穩定、重現性好、生產效率高等諸多優點，獲得了廣泛應用，形成了較大的生產規模。然而，在壓制不同品號的藥料時，通常只是在相對固定的設備上進行工藝條件的選擇與優化，而針對擠出設備的改進，特別是核心部件螺桿結構的改進，所做的工作還十分有限，極大地限制了單螺桿擠出設備的適應范圍。尤其是隨著高能量、低感度、低特征信號為特征的改性雙基推進劑的應用［2］，使原有的螺壓工藝很難適應，加工條件苛刻，產品質量不易保證，如控制不好，極易發生物料在機筒內“打滑”現象。這樣不僅使生產無法進行，而且也是很危險的，迫切需要研制適于改性雙基推進劑生產的新型螺桿。通過研究不同結構參數的螺桿對改性雙基推進劑加工工藝的影響，找出適于改性雙基推進劑加工的優化的螺桿結構參數，對新型改性雙基推進劑的研制生產和螺桿的設計加工有著重要指導作用。采用流動性能相似的改性雙基推進劑代用料進行螺桿結構參數的預先研究，有利于提高研究效率，降低研制成本和研制風險，是研制改性雙基推進劑適用螺桿的重要基礎。目前，關于螺桿結構參數的研究結果，已在改性雙基推進劑產品研制中獲得了較好效果。

1 實驗

1.1 原料和實驗設備

以典型改性雙基推進劑配方為基礎，通過吸收、離心驅水、光輥壓延造粒制造出流變特性與之相似的改性雙基推進劑代用料，用于工藝實驗。改性雙基推進劑代用料以硝化棉(NC)、惰性增塑劑(DZ-1)、惰性固體填料(YT-1)為主要成分。其組分含量的確定，以代用料與真料的流動性相似為依據。采用油壓機對改性雙基推進劑代用料與真料的流動性(80℃)進行對比測試，前者的出藥壓力和出藥速度分別為28.15 MPa、0.303 m/min，后者的出藥壓力和出藥速度分別為24.06 MPa、0.294 m/min，二者出藥速度很接近，流動性相似，且以代用料的擠出壓力略高，這符合代用料設計原則，以便于考察設備的安全負荷，故選擇此改性雙基推進劑代用料作為實驗用料。

實驗設備采用德國進口的Brabenda PLV-151型φ19 mm單螺桿擠出機，配置φ5 mm圓形口模。

1.2 螺桿主要結構參數的選擇與制作

螺桿結構參數對改性雙基推進劑的擠出加工工藝有重要的影響，針對加工物料易燃易爆、加工工藝參數范圍窄、產品塑化質量要求嚴等特性，選擇螺桿壓縮比(ε)、螺距(s)、螺桿頭錐度(α)及螺桿直徑(d)作為螺桿設計的主要結構參數進行研究。其中，各參數的主要作用如下:

(1)螺桿壓縮比是指螺桿加料段第1個螺槽的容積與均化段最后1個螺槽的容積之比，表示物料通過螺桿的全過程被壓縮的程度。壓縮比越大，物料受到的擠壓作用也就越大，排除物料中空氣的能力就越大。加工各種塑料的常用的幾何壓縮比為1.6～3.7，個別小至1，大至8［1］。壓縮比的選用須充分考慮加入物料的狀態(粉狀或粒狀等)、熔融密度、物料粘度、熱敏性的要求等不同情況。對于改性雙基推進劑來說，首先應考慮粒狀物料在加料時的松密度和經螺桿擠出塑化后的密度變化，其物理壓縮比約為1.23～1.43;其次，要考慮在擠壓壓力作用下物料的壓縮性、在加料段的裝填程度及制品性能所要求的密實性等因素，其幾何壓縮比的選定應大于物理壓縮比;第三，在推進劑產品擠出過程中，由于加工物料的粘度較高，成型溫度范圍窄，通常選用的螺桿壓縮比在2.0左右。考慮到過大的壓縮比，不僅影響螺桿強度、增加擠壓負荷，且易加大均化段長度，導致“倒料”危險;壓縮比過小，則達不到產品塑化要求。因此，結合生產實際情況，拓展壓縮比的研究范圍至1.6～2.2，以研究壓縮比增大或減小對擠出工藝的影響。

(2)螺距決定物料在機筒內停留時間，影響物料的混合塑化，對擠出物溫度、機頭溫度及功率消耗有一定影響［3］。根據加工工藝的特殊要求，有時為了在有效的加工長度內減少物料在機筒內停留的時間而適當加大螺距。

(3)螺桿頭錐度對物料的安全加工與穩定擠出有重要作用。適宜的魚雷頭或平準頭頭部，對物料的混合和受熱都有良好效果，有利于增大料流壓力、消除脈動現象，適于擠出粘度大、導熱性差的熱敏性物料［4］。反之，若物料在螺桿頭部滯留過久，易引起物料分解，不利于安全生產和提高產品質量。

(4)螺桿直徑決定著成型制品的形狀大小和生產效率。如果螺桿直徑選擇不當，便會導致多種不合理的情況。用大直徑螺桿生產小制品，只能在較低轉速下運行，擠出機使用既不經濟，也容易因為較高的機頭壓力而損壞設備。反之，用小直徑螺桿生產大制品，會因機頭缺料而產生制品缺陷［1］。

對螺桿直徑、壓縮比、螺桿頭錐度及螺距4個主要結構參數分別確定三水平，然后按照四因素三水平正交設計法［5］所確定的螺桿參數組合，設計制作9種螺桿，并進行正交實驗。

1.3 實驗方法

在一定的工藝條件(加入物料溫度(70±5)℃;機筒夾套水溫度(90±5)℃;螺桿轉速15 r/min)下，選用1.2節中9種螺桿對改性雙基推進劑代用料進行擠出工藝實驗，研究不同結構參數螺桿對其機頭壓力、螺桿扭矩、出料速度的影響程度。

2 實驗結果與分析

2.1 工藝研究目標的選擇

針對改性雙基推進劑產品加工過程的易燃易爆、物料流動性差、高負載等特點，并結合改性雙基推進劑產品研制的實際經驗，選擇機頭壓力、螺桿扭矩、出料速度作為工藝研究的目標，可較好地表征安全加工要求、設備承載能力、產量及物料加工的難易程度。

2.2 正交實驗結果與分析

對螺桿結構的主要參數進行了四因素三水平設計(見表1)，選用L9(34)正交表，進行螺桿結構參數對擠出工藝影響的正交實驗，測試結果見表2，正交實驗計算見表3，表中因素A表示壓縮比(ε)，因素B表示螺距(s)，因素C表示螺桿頭錐度(α)，因素D表示螺桿直徑(d)。

表1 正交實驗的因素與水平Table 1 The factors and levels of orthogonal experiment

根據表2的測試數據，對機頭壓力、螺桿扭矩、出料速度的實驗結果進行正交分析，分析結果見表3，表中 ai、bi、ci(i=1、2、3)分別表示機頭壓力、螺桿扭矩、出料速度各自對應的水平i 3次測試值加和;RjP、RjT、RjV分別表示ai、bi、ci3組參數中的大數減小數所得的極差值，各因素的合適水平見表4。

對表2～表4的數據分析如下:

(1)從表2數據可知，9號性能較好，其對應的設備負荷較低、產量較高，基本滿足安全生產加工要求。

(2)從表3中極差(Rj)的計算數據可看出:

對機頭壓力和扭矩的影響次序均為B＞D＞A＞C，顯然B和D是主要影響因素。限于改性雙基推進劑加工的特殊性，在保證產品質量的前提下，希望機頭壓力低一些，螺桿扭矩小一些，這對安全加工和減小設備承載負荷是有利的。其中，因素B的三水平、因素D的二水平對機頭壓力的影響最大，而因素B的三水平、因素D的三水平對螺桿的扭矩影響最大。這說明B和D是較重要的因素，在設計中要特別注意。

對出料速度的影響次序為D＞A＞C＞B，顯然因素D和因素A是主要影響因素。其中以因素D的一水平、因素A的二水平影響最大。出料速度高，表明物料易于加工，表觀粘度低，產量大。同樣，D和A在設計中也要特別注意。

表2 不同螺桿的實驗數據Table 2 The experimental data of different screw

表3 實驗結果正交分析Table 3 The orthogonal analysis of the experimental results

表4 各因素的合適水平Table 4 The suitable level of every factor

(3)從表3正交分析計算數據中可分別得出，影響機頭壓力、螺桿扭矩、出料速度的各因素合適水平及相應螺桿參數組合的較理想水平分別為 A3B3C3D2、A3B3C3D3、A1B3C3D2。對上述螺桿參數組合進行綜合對比，從正交設計的原理上來講，螺桿結構參數組合A3B3C3D2是較理想水平。從生產實際來講，確保加工過程安全是改性雙基推進劑產品研制與生產的首要問題，其次才是質量與產量。因此，對改性雙基推進劑安全加工有重要影響的機頭壓力，其對應的螺桿結構參數也應為重點考慮。綜上所述，螺桿參數組合的理想水平為A3B3C3D2。

3 結論

(1)三水平的螺距和二水平的螺桿直徑依次是影響機頭壓力或螺桿扭矩的主要因素;二水平的螺桿直徑、一水平的壓縮比依次為影響出料速度的主要因素。

(2)由因素A(壓縮比)的三水平、因素B(螺距)的三水平、因素C(螺桿頭錐度)的三水平及因素D(螺桿直徑)的二水平組成的螺桿參數組合，是有利于改性雙基推進劑安全加工的綜合性能理想的螺桿參數組合(A3B3C3D2)。

［1］朱復華.螺桿設計及其理論基礎［M］.北京:輕工業出版社，1994:4-6，158-159，167-168.

［2］任務正，王澤山.火炸藥理論與實踐［M］.北京:中國北方化學工業總公司，2001:30-35.

［3］楊衛民，楊高品，丁玉梅，等.塑料擠出加工新技術［M］.北京:化學工業出版社，2006:10-12.

［4］［美］Z·塔莫爾，I·克萊因.塑化擠出工程原理［M］.夏廷文，許澎華，朱復華，等，譯.北京:輕工業出版社，1984:454-458.

［5］張玉龍，王喜梅.塑料制品配方［M］.北京:中國紡織出版社，2009:13-20.