螺桿組合對UHMWPE填充SiO2材料性能的影響

許立太 穆雪恒 李世通

(1. 蘭州石化職業技術學院；2. 天華化工機械及自動化研究設計院有限公司)

同向嚙合雙螺桿擠出機與單螺桿擠出機相比，具有混合塑化能力強、排氣性能好及物料在螺桿中停留時間短等優點，被廣泛應用于樹脂的填充、增強、增韌、反應及脫揮等領域[1]。同向嚙合雙螺桿擠出機的筒體和螺桿采用模塊化設計，使得擠出機主機可根據具體物料的要求進行組合，使螺桿具有優異的混合能力及脫揮發份能力等[2]，來滿足不同的加工工藝要求，最終使物料達到使用時所要求的綜合性能。

筆者利用天華化工機械及自動化研究設計院有限公司設計生產的SHJ-78H型同向嚙合雙螺桿擠出機，以經驗和理論來指導實驗和生產實踐，對螺桿組合進行優化設計，并分析了螺桿組合對UHMWPE填充SiO2材料物理性能的影響。

1 實驗部分

1.1 實驗原材料

實驗原材料包括UHMWPE粉末(分子量500萬，北京助劑二廠)、SiO2粉末(連云港東海硅微粉有限公司)和市售的其他助劑。

1.2 主要設備和儀器

實驗所用的主要設備和儀器有：同向嚙合雙螺桿擠出機(SHJ-78H型，天華化工機械及自動化研究設計院有限公司)、電子式隔板拉力儀(XH-018B型，啟東市欣匯海電子儀器有限公司)、電子式隔板孔率儀(HB-L100S型，啟東市欣匯海電子儀器有限公司)、可調式隔板厚度測定儀(HB-HDKP型，啟東市欣匯海電子儀器有限公司)、高速混合機(SHR-150型，張家港生光降解材料有限公司)和其他后處理設備。

1.3 UHMWPE填充SiO2材料試樣制備

UHMWPE填充SiO2材料試樣制備的工藝流程如圖1所示[3]。按配方秤取的UHMWPE粉末和SiO2粉末和其他助劑，經高速混合機混合后，用SHJ-78H型同向嚙合雙螺桿擠出機擠出并經后處理，切制成所需要的形狀。

圖1 UHMWPE填充SiO2材料試樣制備的工藝流程

1.4 性能測試

就試樣的外形尺寸進行性能測試，包括基厚按JB/T 7630.1-2008 6.4.2進行測量，橫向伸長率按JB/T 7630.5-2008 6.5進行測量，測定試樣5個，孔率按JB/T 7630.5-2008 6.7進行測試。

2 結果與討論

2.1 不同螺桿組合對UHMWPE填充SiO2材料擠出工藝的影響

雙螺桿擠出機的螺桿由芯軸、各種不同的螺桿元件和螺桿頭組成。圖2列出了本次實驗所使用的螺桿組合中較有代表性的3種螺桿組合。經反復實驗發現，不同的螺桿組合對UHMWPE填充SiO2材料的性能有很大的影響。圖3列出了本次實驗的溫度控制點。

圖2 有代表性的3種螺桿組合

圖3 UHMWPE填充SiO2材料擠出工藝溫度控制點示意圖

圖3中所列的各溫度控制點(T1～T12)的值分別為：100、160、180、190、200、200、200、200、200、200、200、200℃。

3種螺桿組合實驗時擠出工藝情況如下：

a. 1#螺桿組合為原采用進口UHMWPE時的組合。為降低成本最初改采用國產UHMWPE時，先用此組合進行實驗，發現被擠出片材表面有微細的顆粒狀突起，片材擠出內部有氣泡現象，而且真空口經常冒料。

b. 2#螺桿組合為初步調整后的組合，調整后被擠出片材表面仍有微細的顆粒狀突起，但內部氣泡已消除，真空口仍偶爾冒料。

c. 3#螺桿組合為最終調整的組合，調整后被擠出片材表面光滑，擠出過程穩定，無冒料現象發生，但電流較1#螺桿組合和2#螺桿組合明顯偏高。

通過上述擠出工藝情況可知，3種螺桿組合方式中，1#螺桿組合擠出工藝較差，明顯不能滿足采用國產UHMWPE生產時的要求，3#螺桿組合擠出工藝較好。由螺桿組合圖(圖2)可知：加料段(右邊3節筒體)、排氣段(右邊第十節筒體)、擠出段(右邊第11、12節筒體)處的螺桿組合，都未發生變化；主要發生變化的是塑化段和剪切段。據筆者分析，造成這種現象的原因應該是國產UHMWPE分子量分布較寬，而進口UHMWPE分子量分布較窄等原因，導致了UHMWPE進入同向嚙合雙螺桿擠出機后，1#、2#螺桿組合不能使物料充分塑化和混煉，未充分混煉的物料對螺桿的附著能力差，從而在排氣段發生冒料現象，而不僅是SiO2在UHMWPE未能充分分散所致。3#螺桿組合中，增加的一組反向輸送嚙合塊提高了塑化段的塑化能力，保證了UHMWPE在塑化段能夠被充分塑化。再經過多組齒形盤C17，保證了已經充分塑化的UHMWPE粉末與SiO2之間的充分分散和基本混煉，最后，再通過一組90°嚙合塊和一組反向輸送嚙合塊保證了物料的充分混煉，使得物料在排氣段完全配混均勻，生產過程穩定，從而避免了冒料情況的發生。

2.2 不同螺桿組合對UHMWPE填充SiO2材料物理性能的影響

3種螺桿組合對UHMWPE填充SiO2材料物理性能的影響見表1。

表1 不同螺桿組合對UHMWPE填充SiO2材料物理性能的影響

由表1可知，在配方完全相同的情況下，3#螺桿組合擠出的UHMWPE填充SiO2材料物理性能最佳，2#螺桿組合次之，1#螺桿組合最差。通過圖2可以看出，3種螺桿組合的加料段、排氣段、擠出段的組合幾乎完全一樣，僅塑化段和剪切段有所不同，其擠出材料的性能卻相差很大。3個組合中，3#組合通過全面增強塑化段和剪切段螺桿組合的強度，其中塑化段使用了一組45°/5/60反向輸送元件，剪切段在使用了多組C17齒形盤的基礎上，也使用了一組45°/5/60反向輸送元件，有效地解決了由更為均一的進口UHMWPE更換為分子量分布較寬的國產UHMWPE所帶來的問題，保證了產品的質量。同時3#組合更多的嚙合塊、齒形盤和反向輸送嚙合塊，增強了螺桿的分散物料和分布物料的能力，也產生了大量的摩擦熱，使得螺桿所受到的扭矩更大，主機電流也隨之增大。

2.3 優化螺桿組合的實驗結果

綜上所述，在配方或物料發生變化時，首先應針對其變化可能引起的生產過程變化進行加工設備和生產工藝方面的研究，其中采用什么樣的螺桿組合是一項非常重要的內容。只有針對其變化，不斷分析這個變化帶來的生產工藝和生產過程的變化，并有針對性的對工藝參數、生產設備尤其是螺桿組合進行匹配才能最大限度的發揮材料的性能。上述結果表明，由1#螺桿組合更改為3#螺桿組合設計合理，對UHMWPE填充SiO2材料的塑化、分散、配混效果好，使得螺桿的生產過程穩定，排氣效果優良，能夠滿足顧客的生產要求。但在生產時，應適當控制喂料量，防止因喂料量太大導致主電機電流過大，造成停機甚至設備損壞現象。

3 結束語

根據分析，雙螺桿擠出機的螺桿組合對UHMWPE填充SiO2材料的物理性能影響較大，摸索最優的螺桿組合是獲得材料最佳性能的必要條件。增強雙螺桿擠出機的螺桿組合可在一定程度上降低對生產原料的均一性要求，這在一定程度上可降低產品的材料成本，但產品的加工成本通常會有一定程度的上升。筆者通過實驗，解決了UHMWPE填充SiO2材料生產過程中發生的混煉不足、剪切過強、改用國產材料后排氣口冒料等問題，成功降低了材料生產的成本。

[1] 吳炅，楊春兵，高志秋，等.雙螺桿擠出機螺桿組合對GFR PA66力學性能的影響[J].工程塑料應用，2005，33(11)：61～64.

[2] 耿孝正.雙螺桿擠出機及其應用[M].北京：中國輕工業出版社，2003：220～221.

[3] 許立太，李世通，穆雪恒.“一步法”塑料混煉及板(片)材擠出技術開發與應用[J].化工機械，2012，39(2)：222～225.