二次回收PP無紡布條單螺桿擠出技術研究

敖萬路，吳書杭，邢 璐，汪 竣

（銅陵格瑞特科技股份有限公司，安徽 銅陵 244000）

0 引言

聚丙烯（PP）是性能優良的熱塑性合成樹脂，為無色半透明的輕質通用塑料，具有耐化學性、耐熱性、電絕緣性、高強度力學性能和良好的高耐磨加工性能[1]，廣泛應用于服裝、醫療器械、汽車、輸送管道、化工容器等領域。其中PP 無紡布條生產較多，在其生產過程中，根據實際需要裁剪成規定尺寸的布條，會產生多余的條狀廢料，為了將這些廢料回收制成顆粒料再次利用，常采用雙螺桿擠出機進行在線同步二次加熱，但其缺點是需要精準控制溫度，常因溫度不好控制而出現未塑化的顆粒料。擠出機螺桿結構設計復雜，加工難度大、成本高，擠出方式是通過2個螺桿螺棱相互嚙合推動物料在螺筒內向前流動，該過程中螺桿磨損嚴重，為了解決該問題，采用單螺桿擠出方式，但隨著研究試驗的進行又出現新問題，如條狀物料被螺桿卷入的速度、卷入時不被旋轉的螺棱裁斷、未完全塑化等，影響產品總體質量，也阻礙了單螺桿回收條狀物料擠出技術的發展，亟待解決。

1 擠出穩定性對產品的影響

1.1 擠出穩定性

擠出穩定性指在螺桿轉速范圍內，按工藝要求調整好螺筒各加熱區的溫度后，連續工作擠出量無較大的波動，塑化狀態良好（無過塑、無顆粒）、熔壓和扭矩合理等。在同一工藝參數下，進料不順暢、加熱不均勻、擠出量波動大、塑化差、熔壓[2]偏低或偏高、扭矩過大等，均視為不穩定。

1.2 各種不穩定因素對擠出產品的影響

進料不順暢會造成螺桿推動物料在螺筒內部不均勻流動，導致擠出量或多或少的波動，如圖1（a）所示；加熱不均勻會造成物料在螺筒內部不能逐漸塑化、塑化不均或過塑化等情況，如圖1（b）所示。塑化差異會導致螺桿轉動扭矩過大、熔壓變大；過塑化會導致熔壓變小、擠出后物料變稀，2 種情況均會導致產品物理性能變差。

圖1 不穩定因素導致螺筒內部物料變化

2 單螺桿回收PP無紡布條擠出不穩定的原因及解決方法

PP 無紡布條單螺桿回收穩定擠出與螺桿各段結構和參數的匹配、螺筒冷卻和加熱參數的匹配等因素有關，螺筒螺桿配合如圖2 所示。根據多年的研究、測試與實踐，現就PP 無紡布條進入單螺桿擠出機加熱擠出問題的產生原因及解決方法作簡要闡述。

圖2 螺筒螺桿配合

2.1 螺桿進料段結構和參數匹配設計

PP 無紡布條進入單螺桿擠出機，普通擠出是通過螺桿螺棱在進料口位置與螺筒內部之間每圈的嚙合帶動布條進入螺筒內部，進料速度慢、容易打滑、容易被裁斷，如圖3（a）所示；改進螺桿進料段結構，由螺棱表面凹槽和推力面的微小凸臺帶動卷入布條不會打滑，螺棱外徑與螺筒內壁之間適當的間隙保證布條不被裁斷，如圖3（b）所示。

圖3 布條進料

根據試驗和實際應用的經驗，總結單螺桿卷入布條的方式是通過螺棱卷入，尤其對螺筒進料口位置（螺桿進料段）的螺棱進行特殊設計，特殊設計螺棱長度大約到達水環冷卻位置即可，經驗公式如下：

其中，式（1）～（5）中代號如圖4 所示，單位為mm，L1為改進后的螺桿進料段長度（螺桿總長的30%～40%，一般取小值）；d為螺棱導程（螺旋角是指螺紋與螺桿橫斷面的夾角，通常取值17°41′，即尺寸等于螺桿外徑）[3]；D為螺筒孔徑；W1為螺棱寬度；W2為L段螺桿螺棱外壁與螺筒內部的單邊間隙；T1為螺棱表面凹槽深度，凹槽間距根據螺桿的直徑及實際情況確定；T2為螺棱推力面凸臺高度，凸臺大小和間距根據螺桿的直徑及實際情況確定；T為無紡布條厚度。

圖4 進料段螺桿設計

2.2 螺桿壓縮段結構和參數匹配設計

PP 無紡布條進入螺筒內部后，必須通過壓縮以增加物料包裹性、密實度和塑化程度，合適的壓縮比可更好地提升材料的物料性能，經驗公式如下：

其中，d1、d2為壓縮段螺桿螺槽外壁與螺筒起始的最大、最小單邊間隙（最大、最小螺槽深度）。螺槽深度需根據實際情況確定，螺槽深度越深，物料越大，剪切速率越低，生產能力大，塑化差；螺槽深度越淺，剪切速率越高，有利于塑化，生產能力小[4]。壓縮段螺桿設計如圖5 所示，L2為壓縮段設計長度（螺桿總長的35%～45%，一般取大值）。

圖5 壓縮段螺桿設計

2.3 螺桿計量段結構和參數匹配設計

在螺桿的末端增加兩重屏障，由W3寬料槽更好地將未完全塑化的顆粒料分為若干股進入混煉段，未塑化的小顆粒受到屏障間隙的剪切作用，機械能變成熱能開始塑化，由于螺桿的旋轉再將塑化不良的物料與完全塑化的物料熔體在混煉段進行熱量交換[5]，最終充分塑化后被擠出，經驗公式如下：

其中，d3為螺桿與螺筒起始的單邊間隙；W3為雙屏障物料通道槽寬度，深度根據實際情況確定。計量段螺桿設計如圖6所示。

圖6 計量階段螺桿設計

2.4 螺筒環形水道冷卻設計

PP 無紡布條進入螺筒后，不能迅速被加熱，溫度過高會熔化布條，導致布條還未完全帶入螺桿就被拉斷，在靠近螺筒進料口位置增加環形水道以阻隔螺筒其他加熱區熱量的傳遞，冷卻水環形進出，如圖7 所示，冷卻水溫度在15～20 ℃，通過控制水流量實現理想的控溫效果。

圖7 螺筒環形冷卻水道

2.5 螺筒加熱分布及風冷設計

螺筒的加熱分區排布、溫度控制對物料的塑化較重要，根據實際經驗將加熱區域分3～4個，每個區域對應1 個測溫點進行實時監測和反饋實際溫度，進料段、壓縮段和計量段分別設置加熱區域和1 個測溫點，如果螺桿長徑比較大可適當增加加熱區域。加熱區域均配獨立的風扇用于調節溫度或溫度過高實施降溫，進料段加熱區域的冷卻風扇可省略，3段加熱區域如圖8所示。

圖8 螺筒加熱及風冷

3 結束語

利用單螺桿擠出機回收PP 無紡布條二次加熱擠出時，螺桿進料段、壓縮段和計量段參數設計及螺筒外部段冷卻是實現布條不間斷穩定擠出的關鍵要素，在此理論基礎上，還需要不斷探究、測試改進和技術參數調整，以期獲得更好的解決方案和優質產品。