淺談利用螺桿擠出機實現PP樹脂的擠出

摘要：本文主要對擠出鑄片法生產PP鋰電池隔膜所用的擠出機做一下探討，其中重點是探討一下擠出機的螺桿結構、以及加熱與冷卻系統對PP擠出的影響。

關鍵詞：擠出機螺桿加熱與冷卻

隨著在鋰電池上應用規模的擴大，PP隔膜生產的工藝技術也越來越成熟，目前，國內比較成熟的鋰電池隔膜生產工藝有干法和濕法兩種，擠出鑄片系統就是干法生產工藝的重要一環，擠出機更是其中非常關鍵的一個環節。

按擠出機的螺桿數量來劃分，擠出機可以分為單螺桿、雙螺桿和多螺桿，但應用在PP樹脂的擠出上，目前還是以單螺桿為主，相對來說，單螺桿適用于一般材料的擠出加工，而雙螺桿由于喂料特性好，更適用于粉料加工。

從結構上來看，擠出機一般由螺筒、螺桿、螺桿傳動系統、螺筒的加熱和冷卻系統以及其它附件組成，用擠出法生產PP鋰電池隔膜，最關鍵的問題就是要保持熔體壓力均勻、穩定，防止熔體過分降解及夾帶氣泡，未熔物料或焦料等異物，因此，螺桿的設計，以及螺筒的加熱與冷卻系統設計是PP螺桿擠出機的重中之重。

1 螺桿

螺桿是擠出機重要的部件之一，它的結構、加工情況、與最終產品的質量、產量、能量消耗等有著密不可分的關系。

代表螺桿結構特征的基本參數主要有：直徑，長徑比、壓縮比、螺距、螺槽深度、螺旋角、螺桿與料筒的間隙、螺紋頭數、螺棱寬度等。

螺桿直徑在一定程度上代表擠出機的生產能力，螺桿直徑增大，生產能力提高，擠出機的生產能力與螺桿直徑的平方成正比。以年產500萬平米的隔膜生產線為例，擠出機的擠出能力可選擇20~50Kg/h。

長徑比也是螺桿的一項重要指標。長徑比增大，能改善物料溫度分布，有利于樹脂的混合、塑化，減小螺桿中的漏流和逆流，減小擠出壓力的脈沖現象，有利于提高擠出機的生產能力，但是長徑比過大時，螺桿的自重增加，導致撓度增加，容易引起螺桿與料筒磨損；長徑比過小，容易引起混煉、塑化不良。一般情況下，PP隔膜生產線所用螺桿的長徑比約為30~40。

螺旋角φ是指螺紋與螺桿橫斷面的夾角。隨著φ值的增大，擠出機生產能力得到提高，但是物料的剪切作用和擠出壓力卻要減小。通常的φ值取17°41′，即選擇螺距等于螺桿的外徑。

壓縮比一般可以用幾何壓縮比來表示，即可簡化為螺桿加料段最后一個螺槽的容積與均化段最初一個螺槽容積之比，它表示塑料通過擠出機全長時被壓縮的倍數。壓縮比越大，塑料受到的擠壓作用越大。壓縮比的大小與物料性能、物料形狀等因素有關。

螺槽深度是一個變值，對于常規三段螺桿來說，加料段的螺槽深度最深，均化段的螺槽深度最淺，而壓縮段的螺槽深度則是一個連續漸變區。螺槽深度主要影響塑料的剪切速率。螺槽越淺，剪切速率越高，越有利于料筒壁與物料間的傳熱及摩擦生熱，越有利于提高物料混合及塑化效率，但生產能力要降低。

物料沿螺桿向前移動時，經歷著溫度、壓力、粘度等變化，這些變化在螺桿的全長范圍內是不同的，根據物料變化特點，通常把常規螺桿分為加料段、壓縮段和計量段三個區段。

1.1 加料段 加料段的螺紋深度是恒定不變的，其作用是將固體的物料送往壓縮段。物料在此段被機筒傳入的熱量預熱，物料間的空氣及其它氣體可從物料間的間隙排往料斗。一般情況下，結晶型聚合物的加料段長度L1要比非結晶聚合物長一些，從經驗數值來看，結晶型聚合物的加料段長度L1=（30%~65%）L，非結晶聚合物的加料段長度L1=（10%~25%）L。考慮到PP的特性，擠出PP時，其加料段長度則介于結晶型聚合物和非結晶聚合物之間。

1.2 壓縮段 在擠出PP所用螺桿的壓縮段，螺槽的容積是逐漸變小的，通常采用等螺距、槽深漸變的結構形式。壓縮段的作用是壓實物料，使該段的固體物料轉變為熔融物料，并且由于螺槽的深度逐漸變淺，物料間的間隙越來越小，氣體承受的壓力也越來越大，在壓力差的作用下，物料間的空氣通過固體物料間的間隙逐漸向加料段流動。在壓縮段，物料在螺桿強大剪切、壓縮作用下，產生摩擦熱，同時又接收機筒供給的熱量，保證了物料在壓縮段最后階段基本熔融。

1.3 計量段 在普通單螺桿中，計量段螺槽的容積基本上是恒定不變的，且該段螺槽深度較淺。計量段的作用是將熔融的物料定量、穩定擠出并使螺桿產生一定的背壓力，進一步加強熔體的剪切、混合作用，使物料進一步均化。

計量段的工作特性主要取決于該段螺槽深度和計量段的長度，計量段螺槽深度加深，擠出能力增大，與此同時逆流量也更快的增大，因此槽深不宜過大；槽淺有利于物料進一步塑化和均化，但是機頭阻力增大，生產能力小，并且槽深過淺容易使物料產生降解。計量段長度增大，物料受剪切作用時間長，有利于物料的分散和混合，但過長會使物料溫度升高，容易產生熱降解。

2 加熱與冷卻系統

加熱與冷卻是塑料擠出的必要條件。通常情況下，由于擠出機工作時螺桿的轉動，對聚合物顆粒或粉料產生擠壓推力，使之移動、壓實后摩擦生熱，在移動的過程中，物料得到混合、塑化，玻璃態的物料變為粘流態的熔體，最后從排料口排出，但是，任何物料擠出時，其自身產生的熱量都不足以使物料產生熔融，因此必須有相應地加熱裝置。加熱裝置由外部加熱筒內的樹脂，使之升溫，以達到工藝操作所需要的溫度。

在螺桿擠出機的加熱區，為了適應不同的物料特性，并且對溫度采取精確控制，加熱區又可細分為快速加熱區和恒溫區、保溫區，設置快速加熱區的主要目的是通過快速升溫，保證PP在很短時間內，迅速由玻璃態向熔融態轉化，并通過一定渠道，及時有效排出物料含有的水分與升溫過程中產生的氣體；設置恒溫區則是為了保證物料溫度均衡，熱量能有效控制，防止物料在高溫下發生降解，一般條件下，物料的降解受加熱溫度和加熱時間的雙重影響，溫度越低，發生降解的時間越長；溫度越高，發生降解的時間越短。

對于PP的擠出，擠出機性能的高低由擠出機的螺桿結構所決定，但擠出質量的優劣，以及擠出效率的高低，還在于加熱區的設置要與擠出機的螺桿結構相適應。通常情況下，比較適宜的加熱區設置方案為“馬鞍型”，即加熱區設定溫度要高一些，恒溫區設定溫度要低一些，保溫區設定溫度要高一些，但是這種情況也不能一概而論，即使同一臺擠出機，在不同擠出速度下運行，“馬鞍型”的“鞍”與“座”高低也是完全不同的。

PP樹脂在擠出時，物料由玻璃態轉化為熔融態，共計有兩種熱源，一種是由螺桿在旋轉過程中對物料壓延、摩擦、剪切產生的熱量，另外一種是外加熱系統傳入的熱量，在開機生產時，物料的熔融主要以外加熱為主；在正常生產階段，物料的熔融主要以螺桿對物料壓延、摩擦、剪切產生的內熱為主，因此，不同的工作階段，擠出機的加熱方案也應該有所區別。

在擠出機擠出的不同工作段，物料所需的溫度是不同的，并且需要精確控制，因此，在加熱系統之外，還需要有相應的冷卻裝置與之配套，具體說是為了排除螺桿旋轉的剪切摩擦產生的多余熱量，以避免溫度過高使塑料分解、焦燒或定型困難。

螺筒的冷卻分為水冷與風冷兩種，一般中小型的擠出機以采用風冷為主，大型擠出機則多采用水冷形式，或者采用兩種形式結合冷卻；有些大型擠出機，除了螺筒要采用冷卻外，螺桿軸還要采用中心水冷，目的是增加物料固體輸送率，同時提高產品質量。

3 結語

通過以上探討，我們已經了解到了螺桿結構設計和加熱與冷卻系統設計對PP擠出的影響，但是，在具體的工業生產過程中，影響產品質量的所有制約因素都不是一成不變的，對于不同的擠出機，一定要在適當的范圍內，靈活掌握各種工藝參數的變化，才有可能得到最優的產品質量。

參考文獻：

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