一種改進型利于環保的PP混料多層絲卷取裝置設計測試

姜國聚,陳廣娟,吳崇峰

(1.煙臺職業學院，山東 煙臺 264670；2.天津科技大學，天津 300457)

20世紀早期，Jaeque通過對聚氯乙烯進行薄膜拉伸研究實驗，發現了裂膜纖維和生產切割纖維絲2項新技術。在20世紀50年代初期，Rasmussen研究出利用塑料薄膜的擠出后再拉伸的方法，生產編織用的塑料扁絲。到20世紀60年代以后，用來進行大批量生產編織工業包裝用的塑料編織袋的單向拉伸扁絲在歐洲一些國家已開始進行工業化生產。

我國自20世紀60年代后期開發出塑料扁絲編織袋至今，扁絲的產品質量已達到國外同類產品的水平，并且產品規格齊全，品種多樣。隨著大型柔性集裝袋的不斷開發和應用，塑料編織集裝袋廣泛用于海上，交通運輸包裝、食品包裝、巖土工程、旅游運輸、抗洪救災，鐵路公路的修建、日常生活用品等領域[1]；塑料扁絲的發展也進入到一個嶄新的時期。

塑料編織袋主要生產工藝是利用塑料原料經過擠出薄膜、切割薄膜、單向拉伸為扁絲，扁絲經過經緯編織等工序得到產品，即稱為編織袋。塑料扁絲是生產塑料編織物的基礎材料，扁絲加工工藝是塑料編織物生產的第一道工序，也是最重要一道工序[2〗。

目前，塑料編織袋的材料主要有聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)以及為了產品的性能改善在PP中加入少量的PE而形成的PP/PE共混改性材料等。材料的成分以及加工工藝對扁絲產品的性能起決定性作用[3]。國內外很多研究人員在優化加工工藝參數和改進加工設備等方面都進行了相應地研究，并取得了一定進展。本研究將根據各種編織用扁絲的性能特點，從環保和提高產品機械性能的角度，創新設計了一種PP混料多層卷絲裝置，并通過實驗初步進行了驗證。

1 編織用塑料扁絲的種類及性能特點

1.1 窄而厚的絲

塑料扁絲是由特定品種的塑料樹脂經熔融擠出成膜后，縱向切成條，然后對其每條同時加熱、牽引拉伸、取向后定型，最終卷繞成扁絲紗錠，用來織造編織物。這種扁絲極易形成窄而厚的絲[4]。其特點：(1)縱向切條后的厚絲因截面積大，加熱拉伸時，絲的表面和內部溫差太大，受熱不均，在低溫下不易拉伸[5]，或者說拉伸系數很小，達不到產品使用要求。(2)塑料扁絲厚度如果較厚，絲會變得很脆很硬，相對強度也會下降[6]；因而要得到滿足一定強度要求的塑料編織產品，就要提高編織產品單位面積的質量，這又會使編織產品變得更加脆硬，并使后面的編織、裁剪、縫紉等工序的加工難度增加，材料和制造等成本也相應提高，太厚太硬，美觀感也降低[7]。

1.2 打緯擠絲

20世紀80年代末，國外一些發達國家對高強度塑料編織制品的研究投入了大量的人力物力財力，開發出寬而薄的塑料絲，通過打緯和擠絲使扁絲寬度在編織時變窄，這樣就取代了單根窄而厚的絲[8]。扁絲相對于厚絲，編織布的強度提高了，柔軟性也改善了。但是，在織造過程中，進行打緯和摩擦，容易使絲起毛或劈裂等[9]，影響正常的編織生產，布的表面比較粗糙，毛絲遍布；另外，在加工過程中為使塑料扁絲更加柔軟擠緯變窄，常常用針刺開網制成纖化絲，就會產生表面起毛、相對強度降低的缺陷。尤其對一些有清潔度要求的就無法滿足包裝的需求，如醫藥、化工、食品等產品的包裝[10]。

1.3 PP折疊絲

折疊絲是塑料絲在拉絲過程中，通過專用的折疊裝置，使塑料坯絲有規律的進行折疊，并完成定型后，然后進行牽引和拉伸取向，最后完成拉絲工序。30多年前，塑料機械制造廠家在編織前，開始嘗試利用寬而薄的扁絲將其3層對折得到“e”字形折疊絲，具體如圖1所示。然后再進行定型和拉伸取向，極大地改善了編織制品的性能。其優點主要有：(1)強度有較大的提高，同等單位質量的編織布，絕對強度能提高 15%～25%。(2)降低了單位面積的質量，節約原材料成本15%～25%。(3)編輯布的表面光滑、柔軟平整、無毛絲。(4)改善了后續的織造工序，尤其是較大地提高了編織效率，減輕了擠出折疊絲的打緯力量和摩擦，降低斷絲率[11]。

圖1 “e”字形折疊絲示意圖Fig.1 The schematic diagram of"E" shaped folding wire

該折疊扁絲主要用于生產克重較大的塑料編織基布，如用于柔性集裝袋、帳篷布、人造草坪基布、地毯基布、土工布等高要求的塑料編織制品[12]。同時，“e”形純PP折疊絲，可以回收利用，無破壞環境之虞。但在大型柔性集裝袋的使用中，強度有時達不到使用要求[13]。

1.4 PP和PE共混擠出扁絲

目前，為了提高大型集裝袋的強度，塑編業常采用聚丙烯和聚乙烯共混擠出的塑料扁絲。雖然PP具有較高的縱向拉伸強度、優良的耐熱性能、耐腐蝕性等特點；但它的收縮較大，還具有低溫脆性，耐環境應力開裂性也較差等缺陷[14]。

在拉絲生產過程中，常在聚丙烯中添加少量的聚乙烯，通過共混改性改善其性能[15]。(1)增加韌性抗沖擊性，因為二者相容性較好，研究發現：在PP中，加入10%左右的HDPE時，其抗低溫性能提高很多，在溫度-200 ℃條件下的沖擊強度可比純PP提高7～8倍以上；另外，當加入5%的HDPE時，扁絲的伸長率稍有提高，生產出的編織袋明顯變軟。(2)減少扁絲起毛，在PP中加入3%～8%的HDPE時，扁絲的起毛現象和粉塵中扁絲的毛刺都明顯減少。(3)減少扁絲劈裂絲，在PP中加入3%～8%的HDPE時，扁絲劈絲現象明顯減少。低溫冷卻時薄膜也變得柔軟些，分絲時也不容易斷絲。(4)編織時斷絲率明顯減少，由于前述3點，使編織時斷絲率大大降低[16]。

PP和PE共混擠出的塑料扁絲存在主要問題：(1)在PP中添加少量PE，對扁絲拉伸強度影響不大，但是超過10%，扁絲的拉伸強度會有所下降。(2)由于PP和PE二者存在著相容問題，產品在使用過程中容易起毛，強度變差，繼而影響到后續使用[18]。(3)由于2種材料混合到一起，無法回收，浪費較大，不利于可持續發展，對環境影響較大。

2 PP混料多層絲卷取裝置的結構設計及工作原理

2.1 設計思路

目前塑編行業經常使用的各種扁絲還存在以下問題：(1)PP和PE共混料擠出的扁絲機械強度雖能夠滿足要求，還存在起毛現象；尤其是不能回收利用，對環境影響較大，還浪費了成本[18]。(2)純的PP折疊絲在使用過程中往往強度達不到要求，影響某些場合的應用，如大型集裝吊裝等。(3)打緯擠絲易起毛、相對強度降低、產品不清潔，因此不利于醫藥、食品等某些特殊包裝場合。(4)擠出的窄厚絲，高溫時膨脹體積大，低溫下拉伸系數低或不利于拉伸；另外，由于厚度較厚，相對強度也會下降，編織產品變得又脆又硬，增加了原料和制造成本。為了使扁絲產品盡量避免上述缺陷，提高機械強度，滿足使用要求，便于塑料編織產品的回收利用達到保護環境的目的，我們和山東煙臺魯星塑料機械有限公司合作，設計研發了一種PP多層卷絲裝置。

2.2 PP多層絲卷取裝置的結構設計與原理

圖2所示為成型多層卷絲的工藝流程圖。

1-擠出主機；2-擠出模頭；3-擠出的PP膜片；4-冷卻裝置；5-分絲裝置；6-數組多層卷絲裝置；7-加熱裝置；8-拉伸牽引卷曲等裝置圖2 PP多層卷絲工藝流程圖Fig.2 The flow diagram PP multilayer coiling process

從圖2可以看出，工藝過程：從模頭擠出的PP膜片經過冷卻定型后，由分絲裝置分成多個PP片，每個PP片分別由多層塑料卷絲裝置卷為多層PP卷絲，具體如圖3所示。卷出的絲可以經過7裝置進行加熱、8拉伸牽引卷曲成為所需的具有一定強度的塑料扁絲，也可以從中間平分為2部分后，再經過7、8這2個裝置加熱、拉伸變成編織所需的塑料扁絲。

圖3 多層PP卷絲示意圖Fig.3 The schematic diagram of PP multilayer coiling

圖4所示為多層卷絲裝置示意圖。

圖4 多層卷絲裝置示意圖Fig.4 The schematic diagram of multilayer coiling device

從圖4可以看出，1為分割后的PP膜片；2為圓柱，在圓柱的圓周上有條供卷絲用的3為長槽；長槽是由2條相對的4為凸起螺旋構成。凸起螺旋根部在圓柱的軸切面的投影分為3段：a、b、c，a段螺旋槽根部比較寬，與軸切面的夾角為鈍角；b段與軸切面垂直；c段根部較窄，與軸切面夾角為銳角。

其工作原理是：當膜片經過a段時，膜片逐漸呈鈍角向上卷起；經過b段時，被卷起的膜片與軸切面呈直角，經過c段后膜片向內銳角卷起多層，最后便得到圖3所示的多層卷絲；至于多層的層數由c段的長度確定。

圖5是多層卷絲裝置的三維立體造型示意圖。

圖5 多層卷絲裝置的三維立體造型示意圖Fig.5 Three-dimensional modeling schematic diagram of multilayer coiling device

從圖5可以看出，A部分對應圖4中a部分；B部分對應圖4中的b部分；C部分對應圖4中的c部分。

PP多層卷絲經過圖2的工藝流程后，完全避免了窄厚絲和打緯擠絲產生的各種缺陷，PP多層卷絲與PP 3層“e”絲相比，絲的機械強度也提高了很多。最關鍵的問題是：由于該裝置加工的材料為純PP料，后續的回收利用沒問題了，既節省了能源，又不會對環境造成影響，又可解決環保問題。

3 測試結果分析

利用剛研發的PP混料多層卷絲裝置進行了PP多層絲卷取的加工實驗，并對加工出的PP扁絲的性能進行了測試，最后和PP單向取向、PP/HDPE(10%)共混生產的扁絲性能進行了對比，該產品基本達到質量要求，滿足了拉伸強度條件。

本次的實驗條件：材料為拉絲機用的PP料(T30S-W，MFR 2.0～4.0 g/min)，普通的單螺桿擠出機(SJ-120*30，大連生產)，常規擠出拉絲薄膜的擠出溫度、壓力和速度等擠出工藝參數，拉伸性能測試按GB/T 1040—1992標準。

實驗結果：塑料扁絲拉伸強度如表1所示。

表1 塑料扁絲拉伸強度Tab.1 The tensile strength of plastic flat wire cN/dtex

4 結語

聚丙烯PP混料高溫單向取向拉伸能達到要求，但存在體積大的問題，低溫拉伸取向強度較高，在95～105 ℃拉伸取向比130～140 ℃拉伸取向高20%；但因為高旦數時，硬度高無彈性，為了提高柔韌性，低溫拉伸時就要加上PE，二者共混后，強度能滿足要求，但存在產品不能回收利用的弊端。采用聚丙烯PP混料多層卷取后再拉伸得到的扁絲，既能保證拉伸強度達到使用要求，又能將該產品材料回收利用，從而解決了環保問題。