UPVC挤出设备的塑化机理与配方调整的关系.doc

33UPVC挤出设备的塑化机理与配方调整的关系1前言塑料挤出成型如UPVC硬质聚氯乙烯型材或管材制品的成型主要经过PVC树脂和相关助剂的配混、挤出成型、定型、牵引、切割等环节而成。影响制品性能的因素涵盖了生产过程的每一环节各环节间通过制品为媒体相互作用、相互影响某一环节出现问题在一定范围内可通过其他环节加以弥补因而各环节成为一有机体。其中原料、配方、设备和操作工艺是塑料挤出成型的主要因素直接影响着挤出成型的质量和产量。本文着重讨论挤出设备与原料对挤出的影响。由于高分子的成型加工受到很多因素的影响文中的片面看法和错误在所难免恳请读者批评指正。2UPVC原料成份构成21PVC树脂挤出PVC硬制品一般采用悬浮法疏松性树脂S-PVC聚合度、粒度、疏松程度应合适不能选用粒度相差大的树脂和参有紧密颗粒的疏松性树脂。22稳定剂因PVC树脂为热敏型树脂当温度到达90130左右时开始热降解脱出不稳定的HCl树脂出现变黄现象。随着温度上升树脂颜色变深制品理化性能下降。解决降解问题除改善树脂原料的生产工艺外主要是在PVC树脂中添加稳定剂络合或中和HCl消除其催化降解的作用。常用稳定体系有:铅盐类有机锡类金属皂类和稀土类稳定剂。23润滑剂润滑剂是以提高润滑性、降低界面粘附为目的的助剂。按功能分有外润滑剂、内润滑剂和内外润滑剂。外润滑剂可减小物料与金属表面间的摩擦避免UPVC物料塑化后粘附机筒和螺杆内润滑剂可减小物料内部粒子间的摩擦削弱分子之间内聚力降低熔体粘度。润滑剂的使用对降低螺杆负荷减小剪切热增大挤出产量影响很明显。配方中润滑剂的设计相当重要。24填充料为提高制品硬度、刚性减小制品变形量降低原料成本UPVC制品生产中多加入CaCO3等填充料。25加工改性剂ACR主要以改善物料加工性为目的加速PVC树脂塑化改善物料流动性、热变形性及制品表面光泽等特性。26抗冲改性剂主要目的为提高制品抗冲击性能提高制品韧性改善塑化效果。UPVC常用的改性剂为CPE氯化聚乙烯和丙烯酸酯类抗冲改谭展民彭永宏北京福田建材有限责任公司北京100000摘要本文介绍了硬质聚氯乙烯在各种挤出设备中的塑化机理与配方调整的关系。关键词UPVC挤出设备塑化机理配方机械2003年第1期总第37期塑料助剂34性剂。27着色剂钛白粉炭黑等。3塑料挤出设备的塑化机理及配方成分对其的影响塑料挤出成型的设备很多用于UPVC硬制品挤出的主要有:排气式单螺杆挤出机、异向双螺杆挤出机。以下主要探讨用于挤出UPVC制品常用挤出机的塑化机理。31排气式单螺杆挤出机311塑化机理图1为基于普通单螺杆基础上的排气式单螺杆。可用于UPVC吃粉料成型挤出和造粒。该螺杆是由两个普通单螺杆串联组成长径比大L/D2030前段单螺杆主要通过物料吸热输送、压缩、熔融均化起到使物料初步熔融的作用后段单螺杆主要是排气、进一步熔融均化、建立挤出压力的作用。从排气口看物料应处于半熔融状态排气口设置在后段螺杆的输送段此处物料减压方可排气。图1排气式单螺杆前一螺杆主要是物料输送、压缩、熔融的过程。在输送段干粉料逐渐被压实形成固体床因料温还未升起只将粉粒间和粉粒内部的空气排出。在压缩段料温在160170左右随着螺槽容积的减小物料与机筒表面建立起压力强制物料通过螺杆与机筒间的间隙物料与机筒表面间压力加大增强了物料的吸热效果靠近机筒表面的物料因剪切、受压、受热形成熔膜因螺杆与机筒的相对运动在螺槽的前面积聚并逐步增多该段起物料粉粒受剪切破碎熔融由于螺槽内的物料受到的剪切力较小螺槽内物料塑化的一致性较差。在均化段螺杆底径减小使螺槽中间的物料靠近机筒促使其剪切加热熔融进一步完成物料的熔融并使其均化一致。后一螺杆靠近机头的输送段底径变大其排量远比前一螺杆的均化段大此处的物料不受压成段状或大块状物料内的气体和挥发组分等释放出来排气口设置于此将其通过真空泵排出。物料经第二压缩段到达均化段在机头、螺杆及机筒作用下建立起挤出压力形成致密均匀的料流从机头挤出成型此处均化段的排量大于前一段排量防止冒料。从以上分析可看出单螺杆熔融主要是通过螺杆转动机筒在螺槽中不同部位的物料产生相对位移的剪切物料受热压缩与机筒和螺杆间热传导形成熔膜熔池、固液相间的迁移等。31.2配方设计应注意的问题在设计单螺杆物料配方时应考虑到单螺杆挤出机中物料的熔融时间长、固体输送段物料状态对生产率影响明显和物料非强制输送等特点。由于排气式单螺杆挤出机的长径比大一般L/D2832物料受热时间较长且非强制输送适当增加稳定剂的用量对防止过热分解是有益的由于螺杆较长负载较大适当增加润滑剂可降低螺杆扭矩。塑料助剂2003年第1期总第37期35当然润滑剂过多对物料的输送及制品的冲击性能有负面影响过量时在挤出中还可能会出现抱螺杆现象。此时可考虑加入抗冲改性剂抗冲改性剂加入量增大会导致螺杆扭矩上升。加入一定量的填充料CaCO3可提高熔体的强度降低物料的流动性影响物料的塑化速度粒度不同的CaCO3产生的作用也有很大区别。不同用途的制品CaCO3加入量相差很大。另外模具结构特点关系到挤出压力的大小对配方也有一定的影响。因此应通盘考虑配方的设计。3.2异向双螺杆挤出机双螺杆挤出机的熔融机理虽然是建立在单螺杆基础上但因啮合区的存在输送原理与单螺杆有很大的区别为了便于分析其熔融机理有必要先对双螺杆挤出机作简单介绍。32.1双螺杆挤出机分类按螺杆运转方向可分为:1异向双螺杆挤出机:两螺杆的旋向相反。2同向双螺杆挤出机:两螺杆的旋向相同。异向双螺杆挤出机按旋向又可分为异向向外双螺杆挤出机和异向向内双螺杆挤出机。异向向内双螺杆挤出机因吃料性差、物料在两螺杆的压延区对螺杆产生很大的径向力而导致机筒与螺杆间磨损严重而被淘汰使用。一般所讲的异向双螺杆挤出机均指异向向外双螺杆挤出机下同。挤出UPVC型材一般均采用异向锥形双螺杆挤出机和异向平行双螺杆挤出机。322异向锥形双螺杆挤出机两螺杆轴线与料筒轴线以夹角值一般为12之间对称分布。螺杆旋向不同工作段两端直径不同大小头螺槽深度相同的为普通锥形双螺杆挤出机螺杆大头螺槽深度比小头螺槽深度大的为超锥双锥锥形双螺杆挤出机螺杆。异向锥形双螺杆挤出机特点:螺杆大头直径大螺杆热容量大螺槽深超锥型物料与螺杆和料筒的接触面积大物料具有较长的停留时间这些均有利于料筒和螺杆与物料的热传递。基于此点同产量下锥形双螺杆挤出机的螺杆长度和长径比一般为1317比其他类型挤出机的长度和长径比小很多。螺杆小头的直径相对小物料在挤出段的停留时间较短螺杆运转的线速度低剪切速率低这均对减小物料间及物料与螺杆及机筒间的摩擦热有利。对于型材挤出量在400kg/h以内、管材板材挤出量在800kg/h以内时应优先考虑采用锥形双螺杆挤出机。挤出UPVC型材和管材锥形双螺杆挤出机应用最为广泛。3.2.3异向平行双螺杆挤出机两螺杆轴线与料筒轴线平行且对称分布。螺杆工作段两端的内外直径均相同又有分段螺杆及连续变导程螺杆之分。分段螺杆是指螺杆的各不同功能段间因螺头数不同、螺距不同存在有加工退刀槽的螺杆。连续变导程平双螺杆是指螺杆的各不同功能段间无退刀槽螺杆的各不同功能段螺头数相同。因螺杆、机筒的母线为直线加工性较好。因结构特点异向平行双螺杆挤出机的螺杆可以从挤出机出料端取出便于维护设备。螺杆可以设计成全程变导程结构据有关资料介绍这样在挤制型材时对物料产生的加工应力小以便获得良好的挤出质量。平行双螺杆挤压机在挤出量大时应用相对多些。应该注意的是异型材生产线的产量受槽具的影响很大高速下挤出机机头成型及制品在定型模的定型良好与否往往成为产量受限的瓶颈。33锥形双螺杆挤出机的塑化机理331锥形双螺杆挤出机挤压系统结构及有关概念图2为国外某公司锥形双螺杆挤出机的挤压系统示意图:第1期谭展民等.UPVC挤出设备的塑化机理与配方调整的关系36一般锥形双螺杆挤出机挤压系统包括:螺杆、机筒、加热冷却装置、真空排气装置。由图2可见从螺杆输送段至计量段螺杆的外径、底径均在减小螺头数也在变化各段间有无螺纹的过渡段预塑段设置有沟槽也有无沟槽的。应注意的是:不同厂家的挤出机其螺杆的结构不完全相同。同一挤出机根据制品的不同种类和性能要求配不同的螺杆但其物料的熔融机理基本相同。在讨论锥形双螺杆挤出机的塑化机理前有必要说明几个概念:1C形室见图3:由机筒内面、螺杆底锥面、螺杆两侧面、相啮螺杆顶面所包容的容积。2螺杆间隙1见图4:螺杆横剖面上螺杆外锥与机筒间的径向间隙也称螺棱间隙。3顶隙底隙2:螺棱顶面与相啮螺杆底面间的间隙。4侧隙3:螺棱面与螺槽面间的间隙。5四面体间隙4:因螺杆牙形变化相邻两螺牙面与机筒锥面及螺杆啮合线间构成的楔形间隙。3.3.2锥形双螺杆挤出机的物料的塑化机理1输送段物料从下料口进入输送段在螺杆强制推动力的作用下向前输送螺杆每转一圈C形室物料向前移动一个导程由于结构所致C形室的体积愈来愈小物料逐渐被压紧因物料与机筒螺杆接触压力增大吸热量增多物料温度逐渐上升为下步熔融做好准备。由于锥形双螺杆挤出机机筒、螺杆在输送段的表面积大物料和机筒、螺杆间的导热效率提高。塑料助剂2003年第1期总第37期图2锥形双螺杆挤出机的挤压系统图4间隙图3C形室372预塑化段物料经过输送段的加热和压缩粉粒间和粉粒内部的空气大部分排出物料密度增加。随着C形室物料继续前移与机筒和螺杆相接触的物料受粘附作用欲保持与机筒或螺杆同速在螺杆的带动下受剪切作用强于螺槽中部物料加上受热的时间长开始熔融C形室中的物料是以从外向内环流的方式进行熔融的。随C形室容积的变化内外物料交换增强。有些挤出机生产厂家根据本厂家挤出机的特点在预塑化段设置有混炼槽其目的在于沟通前后C形室物料增强剪切作用利于C形室内外层物料的交换提高熔融效果。物料经过预塑化段后大粉粒状物料基本均被破碎物料处于半熔融状态。3塑化段又称压缩段。此段C形室容积急剧减小该段排量仅为输送段的02504之间物料经过时受到强烈的挤压、剪切、交换作用大部分物料基本处于初步塑化状态。4排气段UPVC混配料经过输送、预塑化和压缩段后进入排气段由于排气段C形室容积比压缩段大很多一般为压缩段的3倍以上物料到达此段减压物料成段状或大块状物料内的气体和低分子挥发组分等释放出来此段设置排气口气体通过排气口在真空泵作用下排出。UPVC挤出成型排气功能很重要否则制品内有气泡会严重影响机械性能。5计量段由于物料经输送段、预塑化段、塑化段、排气段排气后进入计量段该段主要对物料进一步塑化、均化在机头作用下建立挤出压力。由于计量段C形室体积减小物料均化后再次受到压缩形成致密均匀的流体经联接体过渡体、多孔板、机头挤出。6各种间隙对熔融的影响螺杆间隙1、侧隙3及四面体间隙4中的物料因与所接触金属面的运动速度不同受到较强的剪切作用有助于物料的熔融间隙愈小剪切作用愈强。顶隙底隙2中的物料类似于双辊开炼机中的物料受挤压作用强而熔融间隙愈小挤压作用愈强。应注意的是各间隙太小或太大都不可取。间隙太小制造难度加大、对料的熔融一致性有不利影响。间隙太大漏流加大挤出机的生产效率降低。各种间隙的大小比值合理时对熔融也有利。7环形槽对熔融的影响大多数螺杆的各功能段间都有环形槽除了起到加工退刀作用外对C形室内物料的重新分配是有利的促进物料的熔融均化。当然采用其他方式如回流槽可满足物料熔融均化也可不必有环形槽如奥地利CINCINNATI公司生产的ARGOS93异向平双挤出机。3.4异向平行双螺杆挤出机的塑化机理异向平行双螺杆挤出机的塑化机理与锥双挤出机的塑化机理基本相同不同之处螺杆机筒直径各处相同喂料段物料吸热面积小螺杆计量段直径比锥双大螺杆转速不能太大。因此为提高塑化效果异向平行双螺杆挤出机螺杆的长径比比锥双挤出机螺杆要大一般L/D2530异向平行双螺杆挤出机螺杆各段C形室的容积大小同锥双一样反复变化变化模式也基本相同。UPVC物料在加工过程中形态的转变历程除了与混配料的成分有关外与外界加工条件也有很大关系。如混配料的温度、混配时的加料顺序、挤压工艺温度、螺杆转速、喂料量及物料受到剪切作用的强度等。在分析物料塑化度时应全面考虑统筹分析。35物料配方对异向双螺杆挤出机塑化的影响由于UPVC制品各生产厂家所使用的配方成分及用量不同以下只对PVC树脂和常用助剂作一些分析。第1期谭展民等.UPVC挤出设备的塑化机理与配方调整的关系381PVC树脂不同型号的PVC树脂因其聚合度不同、粉粒结构不同、微粒子间的结合强度不同、粉粒表层薄厚不同熔融时所需的外界条件也不同。PVC树脂粉粒表层薄的树脂比厚的容易熔融疏松型树脂比紧密型树脂容易熔融。物料中大而紧密的颗粒不容易塑化会形成鱼眼影响制品的外观和性能。粉粒大小均匀疏松程度一致的料熔融均匀性好所生产制品的性能和外观要好些。2稳定剂稳定剂种类很多对挤出中物料的形变和熔融有着不同的影响不同稳定剂协同作用有着明显的优点随着人们对UPVC制品加工成型稳定机理研究的深入配方中通常采用主辅稳定剂与润滑剂配合使用的复合稳定剂。稳定剂加入量的大小首先应考虑到所采用挤出机及模具的形式种类及结构特点物料在挤出机和模具中停留的时间长时稳定剂加入量应相对大些受到剪切作用大时稳定剂量应相对大些。一般讲锥双比异向平双受热时间短单螺杆受热时间最长。同类挤出机若挤压系统结构相差比较大时要考虑剪切强度的大小。模具流道长、容积大时物料受热时间也长设计配方时也应考虑这一因素如生产大口径管材稳定剂量要多些。其次稳定剂用量要考虑辅助润滑作用各类稳定剂用量因其对物料的润滑作用不同而有变化。润滑作用强的稳定剂物料受到的剪切作用弱稳定剂用量适当少一些。复合稳定剂内润滑作用强时有利于物料的熔融复合稳定剂外润滑作用强时有利于降低螺杆负载。在确定复合润滑剂用量时应统筹考虑。稳定剂用量还应考虑工艺温度、挤出螺杆转速、螺杆直径等因素的影响工艺温度设定高、转速高、螺杆直径大稳定剂用量偏大。3润滑剂润滑剂的加入量对物料的熔融时间、快慢、螺杆负荷、挤出的产量、机头压力、制品的机械性能均有明显的影响。润滑剂用量很小的变化也会影响挤出物料的流变行为。润滑剂种类的选择和用量是UPVC配方设计的关键。润滑剂按功能有内润滑剂外润滑剂和内外润滑剂。内润滑剂熔化后可渗入PVC微粒内分子链之间减小分子间引力降低熔体粘度促进树脂塑化。外润滑剂熔化后不能进入PVC微粒内分子链之间分布于PVC微粒和物料与机筒螺杆表面之间外润滑剂量增多物料受到的剪切作用小起始熔融的时间推后熔融时间长螺杆负荷减小螺杆负荷减小可加大喂料量提高挤出产量。润滑剂量过多尤其是外润滑剂时制品的抗冲击性能下降物料与机筒间润滑膜太厚则物料不能粘附在机筒内表面物料受到剪切作用很弱塑化效果很差。4填充料填充料种类和品种多性能相差悬殊。填充料对物料熔融的影响可从填充料表面活性对物料的润滑性和稳定性等方面分析。填充料表面活性较大时填充料对润滑剂吸附量增加填料颗粒间及与机筒螺杆的摩擦热较大物料塑化时间缩短或塑化速度加快。填充料表面活性较低时填料分散在PVC粒子之间妨碍其融合塑化时间推后塑化速度减慢。挤出加工时应适当提高加工的工艺温度。多数碳酸钙、滑石粉对PVC有辅助稳定作用滑石粉还有外润滑剂的作用。制品性能要求不同时填充料用量不同用量过多制品的拉伸屈服强度、抗冲击性能下降。5改性剂加工助剂ACR和抗冲改性剂CPE的加入常会使螺杆扭矩增加物料受到的剪切加强塑化开始时间早、塑化时间短ACR和塑料助剂2003年第1期总第37期39CPE加入量由于对物料的熔融和扭矩影响较大因而也会影响到产量。对于挤压系统剪切能力强的设备CPE用量减小。由于实际生产中各厂商配方中的助剂种类及各种助剂使用量不同在同一加工条件下的塑化流变化行为有很大差异。表1是通过对13个厂家共37个配方所作的扭矩流变试验得出的参数统计表。表型材配方扭矩流变试验有关参数统计表美国Crompton公司推出的新化学结构的PP聚丙烯成核剂/透明剂Moldpro931是一种可熔融混合的添加剂价格比可熔融混合的山梨醇DBS类衍生物透明剂和不能熔融混合的有机磷酸酯类透明剂便宜得多Moldpro931价格为5美元/磅而其他成核剂为1220美元/磅。Moldpro931是FDA认可的产品牌号无味、无臭。PP中加入Moldpro931后在129结晶这与DBS型透明剂作用相当或更好并能缩短成型周期提高制品刚性。PP树脂中残存铝催化剂含量一般大于25mg/kg残存铝使Mold