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高分子材料配混挤出技术及成套装备

日期:2019-10-28点击数:80赞数:0

高分子材料配混挤出技术及成套装备

    配混挤出过程是高分子材料特别是塑料从产品问世走向产业化的必经之路,现代高分子材料正在向高性能高分子结构材料、新型高分子功能材料以及通用高分子材料的低成本化和高性能化方向发展。

    高性能高分子结构材料具有比强度高、耐腐蚀、耐磨损性能优异和易加工等特点,对国民经济的发展和 安全具有重要意义; 新型高分子功能材料由于其特有的功能型和专用型,在生态环境保护、信息功能化、生物医用器材、物质分离膜、能量转换和储能技术等工业领域有着极为广泛的应用; 通用高分子材料的高性能化和工程塑料的低成本化,仍然是当前高分子材料领域研究、开发的 ,同时也是扩大通用塑料和工程塑料应用范围的一个重要措施。

    新型高分子材料除了具有传统高分子材料的某些加工性能外,在产品的物理、化学性能等方面又有很多不同之处。随着新型高分子材料的不断问世,应用领域的不断拓展,给高分子材料的配混挤出也提出了更高的要求,采用传统的配混工艺和装备已不能很好地适应某些新型高分子材料的配混要求,因此,开发新型配混挤出技术及装备,以满足新型高分子材料走向产业化的需要,同时配混装备的成套化,也是当今高分子材料加工装备发展的必然趋势。

    1. 双螺杆配混挤出技术应用

    现代配混挤出技术是将已有的高分子材料通过与多种聚合物共混或添加其它材料,将不同的材料优化组合于一体,使材料性能得到明显改善,或赋予原材料所不具有的崭新性能,为聚合物家族增加了新的品种。在整个塑料工业中约有 60% 的塑料须经过配混改性制备成新材料,这类复杂的工艺加工过程绝大多数是在以同向双螺杆挤出机为代表的混炼装备上完成的。使用同向双螺杆配混挤出具有如下优点:

    ( 1) 优异的混炼塑化性能,可充分保证各物料混炼后的分散均匀性和性能均一性,适用于各种树脂、塑料的填充、共混、玻璃纤维增强以及反应挤出、脱除挥发分等复杂作业。

    ( 2) 筒体和螺杆可实现“积木式”组合,做到一机多用,一机多能。

    ( 3) 螺杆间相互啮合,自清理效果好; 物料在其中实现优越的表面更新效果,排气性能优异,可将混炼塑化过程中产生的气体或单体排除。

    ( 4) 螺杆转速高,生产能力大,单产功耗低,节能效果明显。

    基于以上优点,使得同向双螺杆配混挤出技术在高分子材料加工装备中具有不可替代的优势,在高分子材料改性生产中占据了主导地位。

    目前,新型双螺杆配混挤出技术的 应用主要表现在以下方面: 纳米材料改性制备的高分子材料、高刚性高韧型低成本的聚合物合金材料、电磁屏蔽高分子材料、新型降解塑料、电子封装用高分子材料,新型色母料及各种功能母料等,也可用于新型复合材料( 如木塑复合材料) 等新材料的生产和制备,此外,还可用于聚合物的接枝、缩聚等反应型挤出。所涉及的产业领域有家用电器、汽车、通信、电子技术、国防、航空航天、环保、化工、建材、电力等。

    2 .新型高分子材料同向双螺杆挤出技术开发

    目前,以纳米材料、降解塑料、改性沥青、木塑复合材料为主的新型高分子材料成为开发方向,围绕这些材料的产业化,其同向双螺杆挤出技术就成为实现产业化的关键。这些材料同普通聚烯烃材料相比在物料体系构成及分子结构、流变性能等方面有很大不同。

    ( 1) 纳米材料正成为世界各国竞相开发的新型材料,从纳米母料的制备,到纳米改性塑料的生产,双螺杆挤出机在纳米塑料领域产业化中具有无可替代的作用。首先,由于纳米材料的颗粒度分布特点,对混炼挤出和分散效果的要求高; 其次,纳米母料的制备因非粘性熔体特点、极低的韧性、内部含有大量的气体以及挤出过程中的添加剂分解产物的排出、与传统聚合物截然不同的塑化状态下的高温脆性等特点,冷却和成品工艺流程与普通聚烯烃母料的工艺不同。从双螺杆挤出机混炼塑化挤出工艺到冷却方式、造粒,都需进行多方面的创新性开发。因此,不能采取熔融聚合物通用的冷却方式,需借鉴中试技术成功的经验。采用带粉料收集的密闭式加料方式、螺杆中采用新型高效密炼式转子元件、筒体设置缓冲型排气方式,料条冷却及粉碎采用带式输送和冷却相结合、预破碎与粉碎相结合的路线,生产出 终产品。

    ( 2) 淀粉填充型降解塑料、双降解塑料、全淀粉热塑性塑料开发中都含有大量的淀粉,除对其进行塑化混炼之外,挤出过程中的排气脱水、停留时间分布等,成为混炼挤出造粒时需要解决的问题。因此,应根据具体物料选择适宜的主机螺杆长径比、排气位置及数量、螺杆结构及排列方式、助剂加入方式及加入点等进行试验,确定配置; 同时,操作工艺及技术也成为降解塑料双螺杆混炼挤出的关键性问题。以上技术关键可借助于已有的成功经验,结合挤出工艺实验和结果分析, 终确定挤出工艺设备配置。

    ( 3) 改性沥青成为高分子材料改性的一个新的方向,围绕其在公路建设、机场改扩建等工程中的应用,提高其耐温性及低温脆裂性是提高其使用价值的主攻方向。由于构成沥青的高分子的结构及分子量分布的广泛性,对其改性一直少有突破。沥青的改性非常特殊,既具有属于橡胶塑料共混的特点,又具有油品后处理的内容,对双螺杆挤出机的输送、混炼元件的开发、挤出造粒等都提出了新的要求,需要创新开发新型结构的螺杆元件、主机及配置,试验选定双螺杆部分的各项参数,如螺杆长径比、排气段数目及位置、剪切速率、挤出造粒形式及结构等。

    ( 4) 在材料科学方面,木塑复合材料是一种很具潜力的新型材料。据报道,在国外,由于植物纤维复合材料具有较高的力学性能、比硬度、比强度、吸音、可降解等优点,已经被广泛用于汽车工业、建筑业、运输业、航空业等。在木材纤维、木粉等与树脂母体进行混合时,不同的混合方法所得到的复合材料中木纤维的分散均匀性差异很大,要实现木塑复合材料这种新材料的工业化生产的关键是其挤出工艺路线和挤出机的特殊结构形式,该技术创新点在于采取分段加料方式、特殊的螺杆结构、TME 和 ZME 型元件、高扭矩齿轮传动系统、较大的螺杆长径比和 D/Di = 1. 55 的自由容积,实现一步法双螺杆挤出生产。



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