熱縮材料造粒工藝概述

涂文敏 劉磊 楊昭云 邢福發 王佰茂 王思聰

摘要：本文介紹了熱縮材料造粒的工藝流程，對單螺桿、雙螺桿擠出造粒設備及工藝參數進行相應講解，方便了解雙螺桿擠出造粒幾個重要工序對造粒的影響。并對切粒工序、方式及優缺點進行詳細介紹。對核級電纜附件原料造粒工藝選擇進行了概要性說明。

關鍵詞：熱縮材料、造粒工藝、雙螺桿擠出、切粒、核級電纜附件

Abstract：This paper introduces the process of heat shrinkable material granulation，single screw，twin screw extrusion granulation equipment and process parameters are explained accordingly，it is convenient to understand the twin screw extrusion granulation several important processes on the impact of granulation.And the cutting process，methods and advantages and disadvantages are introduced in detail.The selection of granulation technology for raw materials of nuclear grade cable accessories is summarized.

Key words：heat shrinkable material，granulation process，twin screw extrusion，granulation，nuclear cable accessories

一、前言

工程塑料材料生產工藝，當前常規工藝仍是采取先將原料混合一起進行造粒，再用造好的母粒進行擠出、注塑生產為各種產品。原料混合進行造粒，作為工程塑料產品生產的第一道環節，優越造粒質量對材料性能及穩定性是首要保障，對后續產品生產工藝控制穩定性與一致性非常關鍵。

熱縮材料作為一種主要用于電子、電力行業的絕緣防護新型工程塑料，在絕緣防護方面的運用越來越廣泛與深入。核級電纜附件就是熱縮材料用于核電站建設內部線路連接安全防護的必要產品。作為需在嚴酷惡劣環境中長久穩定耐用的高性能高要求產品，每一道生產工藝環節精準控制對產品質量性能至關重要。本文主要對熱縮材料生產環節中造粒環節進行介紹。

二、熱縮材料造粒工藝流程

2.1造粒工藝流程

熱縮材料造粒生產工藝總體流程為原料稱重-混合-塑化-造粒，具體細化到設備類型有下邊幾種形式：

A，配方稱重-密煉塑化-單螺桿擠出造粒-稱重封包;

B，配方稱重-原料混合-密煉塑化-單螺桿擠出造粒-稱重封包;

C，配方稱重-原料混合-密煉塑化-錐雙喂料-雙螺桿擠出造粒-稱重封包;

D，配方稱重-原料混合-密煉塑化-錐雙喂料-雙螺桿塑化擠出-單螺桿擠出造粒-稱重封包;

E，配方稱重-原料混合-密煉塑化-單螺桿擠出造粒-混合-雙螺桿擠出造粒-稱重封包;

F，配方稱重-原料混合-雙螺桿擠出造粒-稱重封包。

配方稱重從原始的人工計量稱進行逐個原料稱重，到現在發展到按原料配方進行全自動計量配混。常規原料混合方式采用較多的就是高速混合機、臥式攪拌機，也有中間螺桿低速旋轉從底部將物料螺旋提升高處流向四周循環高低流動的混合機，混合機樣式比較多樣化。

密煉塑化工藝主要是密煉機對物料進行塑化，常規密煉是批次式（間歇式）密煉。從工藝流程中可以看出，密煉工藝也是在大部分工藝流程中使用，是為成熟通用的混煉工藝流程。密煉機通過兩個大轉子在密煉槽內部差速異向轉動，對物料進行攪拌、剪切，加上壓錘加壓，物料在密閉的空間內溫度急劇上升達到樹脂熔融溫度，最終形成煉熟物料。近年來連續密煉機的運用與發展也進入快速階段;國際上主要以法雷爾連續密煉機為主[1]，國內較多新型塑膠行業設備廠家開始連續密煉機的研制。

單螺桿擠出或雙螺桿擠出造粒是為造粒不可缺少的工藝環節，是為造粒工藝流程的核心。第四種工藝流程，雙螺桿與單螺桿擠出前后聯系組合，也簡稱為雙階造粒流程。常用雙螺桿擠出造粒是平行同向雙螺桿擠出機，后面工藝要素重點介紹。

核級電纜附件原料造粒的生產應當確保原料各組分能夠充分分散與分布均勻，達到最優狀態。工藝流程的選擇應遵循這一目標，達到混煉、塑化最全面。

2.2造粒方式

熔體經過擠出機的機頭流道在螺桿推送壓力傳遞下被擠出，通常是通過多孔長條形口模或者多孔圓形模面形成料條。料條出來后有進行先冷卻再切粒，或者先切粒再冷卻，或者冷卻與切粒同時進行三種形式。

A、先冷卻再切粒：有水槽冷卻與風機冷卻兩種。將料條進入水槽于冷卻水充分接觸冷卻（如圖1），根據冷卻需要配置相應長度與水溫，料條達到冷卻溫度范圍，吹干機吹除水分進入切粒機進行切粒;風機冷卻也是料條在長長的不粘網帶面上被牽引，同時配置多個風機進行吹風冷卻，達到冷卻溫度范圍進入切粒機切粒。

B、先切粒再冷卻：此種方式主要為水環切粒（如圖2），熔體經圓形模面孔出來被旋轉的切刀切成小段，經旋轉刀片的帶動，切成小段的料條粒子被甩到罩子圓周方向，圓周方向流動的水環將粒子的帶走同時進行冷卻，最后進入到振動篩、離心機進行除水。

C、冷卻與切粒同時進行：此種方式主要為風冷模面切粒（圖3）或者水下切粒。模面處于冷卻風或者冷卻水包圍之中，熔體經過模面孔出來就開始進行冷卻，同時切刀將熔體切成小段，并在冷卻風或者水中繼續進行冷卻，直至冷卻到工藝溫度要求。

以上三種方式各有優缺點，用水冷卻的方式比較快捷，能耗相對比較低，但是料粒的含水率通常相對高一些，通常含水率在2%以上;如果要求降低含水率，需要增加額外的干燥工藝與設備。風冷卻的方式通常需要多級風冷，足夠長的風道與多級料管進行冷卻，因為熔體本身自含水分非常低，而風機吹風中水分因為接觸時間非常短，料粒中的含水率可以保證在極其低水平，基本忽略不計;但也因為需要多級風機、料管，能耗、噪音及粉塵廢氣污染量增加，需要增加相應環保措施。隨著產品性能對低含水率的要求越來越高，風冷切粒方式的選用比例越來越多。核級電纜附件原料造粒，為了保證極低的含水率，選用風冷切粒方式進行造粒比較合適。

三、熱縮材料單螺桿與雙螺桿造粒

3.1單螺桿擠出造粒

單螺桿擠出造粒主要對熔融物料進行輸送建壓，將熔體從機頭擠出，擠出機機頭連接切粒裝置及后續的冷卻輔助工藝設備，完成擠出造粒過程。。單螺桿擠出造粒機設備參數主要為螺桿直徑、長徑比、壓縮比等;生產工藝參數主要是螺桿轉速轉速、喂料頻率、機筒各段溫度、機頭溫度、熔體溫度與熔體壓力。

單螺桿擠出造粒更多作用是在對熔體進行輸送，其長徑比相對用來擠最終產品劑型來說比較小，對物料的進一步剪切塑化程度是比較弱的。因此對于一些產品質量要求不高，其熔體剪切塑化強度低些，常采用密煉及單螺桿造粒簡單工藝流程。而對于產品性能要求較高，不采用雙螺桿剪切塑化是達不到產品質量要求的。

3.2雙螺桿擠出造粒

3.2.1雙螺桿結構

雙螺桿擠出造粒主要通過同向嚙合雙螺桿的輸送、剪切塑化、脫揮，將熔體組分分散均勻，并經機頭擠出造粒。雙螺桿擠出機設備主要參數為螺桿直徑（外徑）D0、長徑比L/D0，其性能指標為容積率D0/D1、比扭矩Md/a3、最高轉速nmax。其中D1為螺桿底徑，Md為螺桿能夠傳遞的最大扭矩，a為螺桿中心距。容積率決定了螺桿剪切速率、喂料機排氣能力;比扭矩決定了擠出機的加工能力;轉速決定螺桿剪切水平及混合水平。如圖所示4所示。

雙螺桿的兩根嚙合螺桿，是兩條完全一樣的螺紋元件組合但相互之間相位相差90°螺桿，轉速相同，轉動時保持相互嚙合，因此雙螺桿有保持螺桿上不粘料的自潔性能[2，3]。雙螺桿包含螺紋元件、芯軸、螺桿頭，螺紋元件分為不同規格的輸送元件、剪切元件、混合元件，通過不同規格組合形成螺桿具有不同剪切塑化輸送能力。螺桿從尾部開始，可以分成加料段、熔融段、輸送段、混合段、排氣段、均化段、脫揮段、計量段。如圖5、6所示是雙螺桿三維圖及二位圖表示樣式。

3.2.2雙螺桿擠出造粒影響要素

雙螺桿擠出造粒影響要素主要為螺紋元件組合、機筒各級溫控與壓力、及真空度。通過調整螺桿組合，可以滿足不同配方物料的生產;雙螺桿機筒每一段溫控對物料性能影響大，設定最優溫度范圍并冷卻系統精準控溫是保證熱縮材料性能一致性保證;真空脫揮對材料里面揮發成分的去除至關重要，否則已出現料粒含有揮發成分與氣孔，對后續產品擠出影響表觀及相關性能。

另外，螺桿與機筒之間的間隙直接影響到物料的剪切塑化能力，同時影響螺桿的自清潔性能，嚴重時候無法正常生產;通過對生產的持續觀察，螺桿直徑在磨損1mm以上，對熱縮材料生產造成非常不利影響，產能降低、真空冒料或堵料，料粒存在氣孔等，因此需要及時更換螺紋元件才能保證產品質量。

四、總結

1、熱縮材料造粒工藝流程有多種形式，主要為密煉、單螺桿擠出、雙螺桿擠出不同配置形式組成，形成不能加工能力以滿足不同性能產品造粒需求。

2、密煉塑化后單螺桿擠出造粒，適合對剪切塑化要求不高產品造粒;雙螺桿擠出造粒可滿足對剪切塑化要求高的產品需求。

3、切粒方式多樣化可滿足生產多方面需求。

參考文獻

[1]E.L.Canedo and L.N.Valsamis，in PLastics Compounding：Equipment and Processing，edited by D.B.Todd，Hanser，Munich（1998）.

[2]M.Ullrich in Co-Rotating Twin Screw Extruders，edited by K.Kohlgruber，Hanser，Munich（2007）.

[3]M.L.Booy，Polym .Eng.Sci.，18，978（1978）.

課題編號：2019ZX06002019

課題名稱：嚴酷環境1E級電纜接頭及終端套件研制