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双螺杆挤出机\玻纤增强热塑的工艺流程

 

    玻纤增强作用的好坏,与它在聚合物混合料或制品中的长度、分散状态或分布均匀性、取向以及被聚合物润湿性有关。玻纤在制品或混合料中长度太短,只起填料作用,不起增强作用;太长,会影响玻纤在混合料或制品中的分散性、成型性能和制品的使用性能。一般认为,增强热塑性塑料中玻纤的理想长度应为其临界长度的5倍。所谓临界长度,是指对于给定直径的纤维增强热塑性塑料中玻纤承受的应力达到其冲击断裂时的应力值所必需的最低长度。因为在玻纤增强塑料中,玻纤只有达到一定长度才能传递应力,起到增强材料的作用,而低于临界长度时只起填料作用。一般说来玻纤增强塑料中的玻纤平均长度在0.1〜1.0mm之间为好,这既能保证良好的制品性能,又能使玻纤具有良好的分散性。
    影响玻纤在制品中的平均长度的因素很多,如塑料和玻纤的种类、玻纤加入量及其表面处理、混合设备和工艺等。玻纤分散性好的标志是:玻纤以单丝而不是以原纱存在于制品中;制品任意单位体积内的玻纤含量大致相等;制品中玻纤长度分布范围大致相同。分散性不但影响制品的外观,而且影响制品的性能。影响分散性的因素有:合适的玻纤(单丝直径及支数)及浸润剂、玻纤含量(粒料中玻纤含量越大,制品中玻纤分散性越差)、合理的造粒工艺和合理的注射工艺。
    啮合同向双螺杆挤出机以其优异的混合性能、方便而灵活的积木式结构、高的生产能力、自动化操作而在玻纤增强粒料的生产中得到广泛应用。其中以下几个问题特别重要:玻纤的加人、螺杆构型的设计、混合工艺(操作条件)的选择。
    (1)玻纤的加入
    玻璃纤维有长纤维和短切纤维之分,将它们加入到双螺杆挤出机时,可采用不同的方法。短切纤维一般用计量加料装置加入,但并不是所有计量加料装置都能用来加人玻纤,特别是当短切玻纤长度大于6mm时。可以采用振动计量加料装置,将聚合物和短切纤维的预混物由加料口一起加入,否则会造成纤维和树脂的分离。通过调节振动速度来控制加入量, 但难以精确。为提高加入量,可采用侧加料装置由侧加料口加入。在双螺杆挤出机上多采用长纤维(也叫粗纱),它比较容易加人,不需要特别的加料装置,只要把架挂起来的粗纱卷的纱条引入双螺杆的加料口,将粗纱绕到螺杆上,纱条会自动由粗纱卷上放开,被旋转的螺杆自动地拉到机筒中(图-),加入量可以控制,知道粗纱单位长度的重量、股数和螺杆转数后,就可知道玻纤的加入量,因为玻纤加入量和螺杆转数成正比。
    (2)玻纤加入的部位
    一般情况下,聚合物是在第一(主)加料口加入,待其熔融塑化后,再将玻纤在下游的加料口加入,即采用后续加料。这是因为,如果把玻纤和固态聚合物都由第一加料口加入,会造成在固体输送过程中玻纤过度折断,螺杆和机筒内表面也因与玻纤直接接触而造成严重磨损。采用后续加料,因玻纤是加到已熔融的聚合物中,熔体与纤维混合后,把纤维包起来,起到润滑保护作用,减少了纤维的过度折断和螺杆、机筒的磨损,而且有利于玻纤在熔体中的分散和分布。加入玻纤时,要控制聚合物和玻纤的温度,确保聚合物黏度变化最小,为的是避免聚合物在玻纤上冷硬,引起额外的玻纤折断。方法是将聚合物加热到正常水平以上,或将玻纤加热后再加人。
    (3)玻纤增强塑料的螺杆构型和机筒配置
适于玻纤塑料的双螺杆构型设计和机筒配置的总目标是:防止基体树脂降解,螺杆构型应能将每根纤维均匀分布于基体树脂中,把纤维束分散开;在确保粘接性良好的条件下,使每根纤维都被聚合物熔体所润湿,将纤维切短到合适的长度,使混合物达到最高的增强效果;把挤出过程中产生的挥发物排除干净;尽力减少对螺杆、机筒的磨损。最佳螺杆构型和机筒配置取决于所用聚合物的性质、纤维类型、相容剂和纤维添加量。螺杆构型和机筒配置应考虑以下几点。
    ①玻纤加入处的螺杆构型玻纤加入处的螺槽应采用大导程,使聚合物在此处为半充满状态,以留出空间容纳加入的玻纤。为避免玻纤加入口被聚合物熔体堵死,短切玻纤用反螺纹元件导入,玻纤可用至少一对捏合盘元件导入。
    ②玻纤的切断和分散玻纤加入口下游的螺杆构型设计应主要着眼于有利于玻纤长度的变化和均化。长纤维是无头的,加入螺杆后必须切成一定长度并与熔体艮好混合,混合段应当由分布混合元件组成,或是薄捏合盘,或是齿形混合元件。长纤维加入后,被位于加料口下游。待其熔融塑化后,再将玻纤在下游加料口加入,即采用后续加料。这是因为,如果把玻纤和固态聚合物都由第一加料口加入,会造成在固体输送过程中玻纤过度折断,螺杆和机筒内表面也因与玻纤直接接触而造成严重磨损。采用后续加料,因玻纤是加到已熔融的聚合物中,熔体与纤维混合后,把纤维包起来,起到润滑保护作用,减少了纤维的过度折断和螺杆、机筒的磨损,而且有利于玻纤在熔体中的分散和分布。加入玻纤时,要控制聚合物和玻纤的温度,确保聚合物黏度变化最小,为的是避免聚合物在玻纤上冷硬,引起额外的玻纤折断。方法是将聚合物加热到正常水平以上,或将玻纤加热后再加人。
   被位于加料口下游的捏合盘元件切成一定长度。其平均长度取决于聚合物和玻纤的比例,也取决于剪切、混合元件的选择。至少应安装一组捏合盘元件。黏度高的聚合物或加有高玻纤含量(质量分数>40%)的螺杆构型比低黏度聚合物或玻纤含量低的螺杆构型提供的剪切要柔和一些。对于短切纤维,不需要像长纤维那样强的剪切,而主要是靠熔体将纤维润湿和分散开来,故混合段可由薄的捏合盘组成的捏合块或在螺棱上开槽的螺纹元件或齿形盘元件组成。适于玻纤增强的螺杆元件一般是二头的,因为它们的剪切比较柔和,对玻纤不会造成过度的折断。
    (4)排气段的设置
    因为玻纤是经过预处理的,无捻纤维是经强化剂处理的。在一定温度下,在玻纤与熔体混合后,玻纤上的浸渍剂和强化剂在挤出过程中受高温后会变成挥发组分,需设排气段予以排出。排气段应位于纤维加入口的下游。为使排气有效,在排气段上游接近排气口处,应设置密封性螺杆元件,以防止真空泵作用下粒子被抽出,如反向螺纹元件或反向捏合块。反向螺纹元件或反向捏合块上游应采用小导程的建压螺纹元件。排气口对着的排气段的螺杆区应采用大导程的螺纹元件,使含有玻纤的熔体半充满螺槽,有较大的自由空间,使物料有表面更新的机会,以利排气。
    (5)螺杆的最后区段(均化和建压段)
    为使混合物挤出口模造粒,应采用小导程正向输送螺纹元件,以建立挤出压力。在排气口和螺杆最后区段之间,有时要设置齿形盘元件,对纤维进行均化,保证玻纤均匀分布。
    (6)聚合物的熔融塑化
    聚合物的熔融塑化以及与聚合物一起自第一加料口加入的其它助剂(如阻燃剂、颜料、稳定剂等)的混合,是第一加料口和排气区之间的螺杆区段的主要任务。为促进熔融和混合,这一段的螺杆构型除应有下向螺纹元件(减导程)进行输送外,还应当采用捏合块,反向螺纹元件等熔融塑化元件和齿形盘等均化混合元件。
    用于玻纤增强塑料的典型工艺及螺杆构型见图1、图2-所示。由图1、图2可见,整根螺杆自第一加料口向下游依次分为预热和固体输送、熔融塑化、排气、玻纤加人、玻纤混合、脱挥计量、压力建立等区段。在熔融段采用由不同厚度捏合盘组成的捏合块,在玻纤入口和排气口之间的螺杆区采用了两个由薄捏合盘组成的捏合块,对纤维进行均化、混合、排气,下游到出料端,皆采用正向螺纹元件,对物料进行计量和建立压力。在短纤维增强尼龙工艺中,采用侧加料口加入玻纤,在螺杆出料端采用了小导程螺纹元件和齿形元件。