聚丙烯熔噴無紡布專用料擠出設(shè)備及工藝研究

田衛(wèi)東，梁曉剛（天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院有限公司，甘肅 蘭州 730060）

聚丙烯熔噴無紡布專用料擠出設(shè)備及工藝研究

田衛(wèi)東，梁曉剛（天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院有限公司，甘肅 蘭州 730060）

介紹了聚丙烯熔噴無紡布專用料改性擠出設(shè)備的組成，詳細(xì)介紹了液體助劑加入系統(tǒng)和自落式拉條機(jī)頭等關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)，并提出了較詳細(xì)的操作運(yùn)行工藝。該設(shè)備經(jīng)實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行考核，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益，得到了用戶的高度認(rèn)可。

聚丙烯熔噴料；高熔體流動(dòng)速率；擠出設(shè)備；工藝

無紡布又稱不織布，由定向或隨機(jī)的纖維構(gòu)成，屬新一代環(huán)保材料，具有防潮、透氣、柔韌、質(zhì)輕、不助燃、色彩豐富、易分解、可循環(huán)再利用等諸多優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、化工、建材、包裝以及醫(yī)療衛(wèi)生等行業(yè)［1］。

熔噴法無紡布工業(yè)化生產(chǎn)始于20世紀(jì)60年代末70年代初，當(dāng)時(shí)只能采用已有的聚合物為原料，熔體流動(dòng)速率MFR多為12～35 g/10 min［2］。而目前所應(yīng)用的原料熔體流動(dòng)速率已經(jīng)達(dá)到1 200～1 500 g/10 min。

近年來，隨著無紡布用品需求量的不斷增大，對(duì)其專用樹脂原料的需求也在不斷地增加。無紡布的生產(chǎn)原料主要有聚丙烯（PP）、聚酯（PET）、尼龍（PA）或聚氯乙烯（PVC）等，其中以PP的用途最為廣泛。本文所介紹的PP熔噴料熔體流動(dòng)速率為1 200～1 500 g/min，其生產(chǎn)原料主要為PP粉末和Enox DTBP（一種二烷基過氧化物，作為聚丙烯降解的自由基給予體）。

1 擠出設(shè)備構(gòu)成簡(jiǎn)介

擠出設(shè)備主要包括失重式固體加料系統(tǒng)、液體助劑加入系統(tǒng)、同向雙螺桿擠出機(jī)、冷卻水槽、打水機(jī)、風(fēng)刀、切粒機(jī)、振動(dòng)篩等，見圖1。

機(jī)組主要技術(shù)參數(shù)如下：

主電機(jī)功率 250 kW；

螺桿直徑 90 mm；

螺桿長(zhǎng)徑比（L/D） 60：1；

螺桿轉(zhuǎn)速（max） 330 r/min；

產(chǎn)量 600 kg/h。

圖1 設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)照片

2 擠出設(shè)備關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)

用于生產(chǎn)熔體流動(dòng)速率為1 200～1 500 g/10 min聚合物的擠出設(shè)備，其技術(shù)難點(diǎn)主要有以下兩點(diǎn)：

（1）助劑的加入與分散。液體助劑加入系統(tǒng)必須能夠提供壓力恒定，流速穩(wěn)定的料流，且螺桿組合能保證其與粉料的充分混合和反應(yīng)。

出料成條。料條在下落的過程中由于重力作用會(huì)變細(xì)，且由于水槽內(nèi)水流擾動(dòng)，會(huì)使料條黏連，這些都是影響最終制品質(zhì)量的因素，因此必須使料條入水距離盡可能地縮短，以解決這些問題。

2.1 液體助劑加入系統(tǒng)

生產(chǎn)PP熔噴料［3］的助劑為液態(tài)的Enox DTBP，其在配方中所占的比例僅為5‰。為了使最終制品的熔體流動(dòng)速率均勻，助劑與PP粉料須均勻地混合并發(fā)生充分的反應(yīng)，這就要求助劑必須以壓力恒定、流速均勻的狀態(tài)加入。

液體助劑加入系統(tǒng)主要包括：加料系統(tǒng)、助劑注入閥及電控系統(tǒng)。液體助劑加入系統(tǒng)工作原理見圖2。

圖2 液體助劑加入系統(tǒng)工作原理圖

此系統(tǒng)中采用的計(jì)量泵為往復(fù)式隔膜計(jì)量泵，在泵的吸入口與出液口都安裝有脈動(dòng)緩沖器。出液口的脈動(dòng)緩沖器與背壓閥同時(shí)使用，脈動(dòng)緩沖器用以吸收泵和背壓閥之間的流量峰值。背壓閥實(shí)際使用中背壓為0.2 MPa，用以確保足夠的出液壓力，以使計(jì)量泵能夠正常的工作［4］。

為使助劑能順利加入擠出機(jī)筒體中，助劑加入口設(shè)計(jì)在背操作側(cè)的螺桿上方。這是因?yàn)槁輻U工作時(shí)，背操作側(cè)的一根螺桿充滿程度較低［5］，筒體內(nèi)腔產(chǎn)生的壓力低，便于液體助劑的加入。其中液體注入閥見

2.2 自落式拉條機(jī)頭

由于熔體物料流動(dòng)性極好，且密度較小，料條垂直入水后，漂浮在水面上，料條韌性差，極易發(fā)生黏連和斷條現(xiàn)象。因此要保證物料能實(shí)現(xiàn)正常拉條，有兩點(diǎn)十分重要：①出料孔間距應(yīng)足夠大；②料條入水距離必須盡可能縮短。把握這兩點(diǎn)關(guān)鍵因素，設(shè)計(jì)出了圖4所示的自落式拉條機(jī)頭。機(jī)頭寬度為700 mm，出料?？讛?shù)49，模孔間距13.5 mm。模板出料口向下，這樣就可以使水槽的水面與模板充分接近，縮短料條的入水距離，解決了料條黏連的問題。

圖3 液體注入閥結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 自落式拉條機(jī)頭結(jié)構(gòu)示意圖

由于該機(jī)頭較寬，機(jī)頭流道設(shè)計(jì)成窄縫狀，實(shí)踐證明，當(dāng)擠出產(chǎn)量達(dá)到200 kg/h時(shí)，料流即可均勻地分布，各模孔可實(shí)現(xiàn)均勻出條，達(dá)到使用要求。

3 PP熔噴料擠出工藝研究

3.1 工藝溫度

由于PP熔噴料的流動(dòng)性極好，且料條韌性較差，極易斷條，為保證物料擠出后能順利拉條切粒，必須盡可能降低機(jī)頭出料溫度，使料條在進(jìn)入水槽后盡快得到冷卻。然而PP粉料的熔融、粉料與助劑的反應(yīng)要充分進(jìn)行都需要一定的基礎(chǔ)溫度，這就對(duì)擠出機(jī)各功能段的溫度提出更加嚴(yán)格的工藝要求。擠出機(jī)各溫控段分區(qū)示意圖，見圖5。

圖5 擠出機(jī)溫控區(qū)段示意圖

如溫度設(shè)置過低，物料的熔融與反應(yīng)均不能充分進(jìn)行，且主機(jī)電流會(huì)因此升高，加大能耗；但如果溫度設(shè)置過高，則最終出料過高，極易造成料條粘連與斷條現(xiàn)象的發(fā)生。二者之間的平衡是溫度設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在，為保證PP粉料與DTBP助劑能充分反應(yīng)，又能實(shí)現(xiàn)低溫?cái)D出，我們?cè)O(shè)定的擠出機(jī)各段溫度，見表1。

3.2 螺桿及筒體組合

螺桿是擠出機(jī)最核心的工作部件，整根螺桿采用積木式組合結(jié)構(gòu)，由具有各種不同功能的螺桿元件串在兩根花鍵芯軸上而構(gòu)成。其組合的合理與否直接決定了物料的塑化、混煉、排氣及添加劑的分散效果。正常工作時(shí)，兩根螺桿同向旋轉(zhuǎn)，物料在其中實(shí)現(xiàn)相互共混、熔融、反應(yīng)，產(chǎn)生分布混合和分散混合，使物料的表面不斷更新，同時(shí)一些低分子揮發(fā)物被通過真空排氣口抽出［7］。

表1 擠出機(jī)各溫控段溫度值

在PP熔噴料的生產(chǎn)過程中，物料在雙螺桿擠出機(jī)中要完成原料加入、輸送、摻混、熔融、反應(yīng)、脫揮、均化等諸多過程。選擇合理的螺桿長(zhǎng)徑比、筒體的排列順序及螺桿組合至關(guān)重要。我們?cè)O(shè)計(jì)的螺桿長(zhǎng)徑比為60：1，共配置15節(jié)筒體，其中第一節(jié)為粉料加入筒體，第三節(jié)為液體助劑DTBP加入筒體，第六節(jié)為預(yù)留側(cè)喂料筒體，第十一與十三節(jié)為真空排氣筒體，其余均為閉合筒體。螺桿組合方面則進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，見圖6。

圖6 螺桿組合圖

在固體加料口處設(shè)置了大導(dǎo)程元件，以加大輸送量。正對(duì)助劑入口處設(shè)置了中等導(dǎo)程元件，螺桿的填充率相對(duì)較高，且助劑加入后，能與粉料很好地相混合，不會(huì)直接噴到螺桿上，造成助劑揮發(fā)而損失；在真空排氣口前方設(shè)置了反向螺紋元件，排氣口處放置了大導(dǎo)程的螺紋元件，避免了真空口的冒料現(xiàn)象；整根螺桿上共設(shè)置了7段捏合區(qū)，每組捏合塊之間配置螺紋元件［8］，以加強(qiáng)輸送能力，降低主機(jī)電流消耗。

綜上，本文針對(duì)高熔體流動(dòng)速率PP熔噴料的生產(chǎn)設(shè)備及工藝中的技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行了論述及研究。設(shè)備方面開發(fā)出了適合物料生產(chǎn)的助劑加入系統(tǒng)和自落式拉條機(jī)頭，工藝方面則針對(duì)溫度設(shè)定與筒體、螺桿組合進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。設(shè)備經(jīng)過用戶現(xiàn)場(chǎng)考核使用，有著較為明顯的節(jié)能降耗優(yōu)勢(shì)，為企業(yè)節(jié)省了生產(chǎn)成本。

［1]徐險(xiǎn)峰. PP無紡布專用樹脂的開發(fā)［J］. 合成樹脂及塑料，2008，25（1）：47～50.

［2]李民. 熔噴法用高熔融指數(shù)聚丙烯［J］. 合成纖維，2006，NO.12：50～51.

［3]Edward McNally. 熔噴法的設(shè)備、工藝和產(chǎn)品［J］. 產(chǎn)業(yè)用紡織品，2008，5：23～25.

［4]漢勝工業(yè)設(shè)備有限公司. Milton Roy GB計(jì)量泵中文使用說明書. 2010：4～6.

［5]耿孝正. 雙螺桿擠出機(jī)及其應(yīng)用［M］.北京:中國輕工業(yè)出版社，2003：69～73.

［6]姚祝平. 擠出機(jī)換網(wǎng)器的應(yīng)用與發(fā)展［J］. 塑料包裝，2003，13（4）：33～36.

［7]賈朝陽. 一步法型材混煉擠出設(shè)備及工藝技術(shù)研究［D］. 蘭州：天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院，2009：24～26.

［8]郭奕崇. 同向雙螺桿擠出特點(diǎn)及螺桿組合原則［J］. 化工進(jìn)展，2001，12：5～6.

（R-03）

Equipment and technology of extrusion of polypropylene meltblown nonwoven compoun

TQ320.663

1009-797X（2016）02-0060-03

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10.13520/j.cnki.rpte.2016.02.021

田衛(wèi)東（1984-），男，本科，工程師，在天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院有限公司工作。

2015-06-17