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雙螺桿擠出機\玻纖增強熱塑的工藝流程

 

    玻纖增強作用的好壞,與它在聚合物混合料或制品中的長度、分散狀態或分布均勻性、取向以及被聚合物潤濕性有關。玻纖在制品或混合料中長度太短,只起填料作用,不起增強作用;太長,會影響玻纖在混合料或制品中的分散性、成型性能和制品的使用性能。一般認為,增強熱塑性塑料中玻纖的理想長度應為其臨界長度的5倍。所謂臨界長度,是指對于給定直徑的纖維增強熱塑性塑料中玻纖承受的應力達到其沖擊斷裂時的應力值所必需的最低長度。因為在玻纖增強塑料中,玻纖只有達到一定長度才能傳遞應力,起到增強材料的作用,而低于臨界長度時只起填料作用。一般說來玻纖增強塑料中的玻纖平均長度在0.1?1.0mm之間為好,這既能保證良好的制品性能,又能使玻纖具有良好的分散性。
    影響玻纖在制品中的平均長度的因素很多,如塑料和玻纖的種類、玻纖加入量及其表面處理、混合設備和工藝等。玻纖分散性好的標志是:玻纖以單絲而不是以原紗存在于制品中;制品任意單位體積內的玻纖含量大致相等;制品中玻纖長度分布范圍大致相同。分散性不但影響制品的外觀,而且影響制品的性能。影響分散性的因素有:合適的玻纖(單絲直徑及支數)及浸潤劑、玻纖含量(粒料中玻纖含量越大,制品中玻纖分散性越差)、合理的造粒工藝和合理的注射工藝。
    嚙合同向雙螺桿擠出機以其優異的混合性能、方便而靈活的積木式結構、高的生產能力、自動化操作而在玻纖增強粒料的生產中得到廣泛應用。其中以下幾個問題特別重要:玻纖的加人、螺桿構型的設計、混合工藝(操作條件)的選擇。
    (1)玻纖的加入
    玻璃纖維有長纖維和短切纖維之分,將它們加入到雙螺桿擠出機時,可采用不同的方法。短切纖維一般用計量加料裝置加入,但并不是所有計量加料裝置都能用來加人玻纖,特別是當短切玻纖長度大于6mm時??梢圆捎谜駝佑嬃考恿涎b置,將聚合物和短切纖維的預混物由加料口一起加入,否則會造成纖維和樹脂的分離。通過調節振動速度來控制加入量, 但難以精確。為提高加入量,可采用側加料裝置由側加料口加入。在雙螺桿擠出機上多采用長纖維(也叫粗紗),它比較容易加人,不需要特別的加料裝置,只要把架掛起來的粗紗卷的紗條引入雙螺桿的加料口,將粗紗繞到螺桿上,紗條會自動由粗紗卷上放開,被旋轉的螺桿自動地拉到機筒中(圖-),加入量可以控制,知道粗紗單位長度的重量、股數和螺桿轉數后,就可知道玻纖的加入量,因為玻纖加入量和螺桿轉數成正比。
    (2)玻纖加入的部位
    一般情況下,聚合物是在第一(主)加料口加入,待其熔融塑化后,再將玻纖在下游的加料口加入,即采用后續加料。這是因為,如果把玻纖和固態聚合物都由第一加料口加入,會造成在固體輸送過程中玻纖過度折斷,螺桿和機筒內表面也因與玻纖直接接觸而造成嚴重磨損。采用后續加料,因玻纖是加到已熔融的聚合物中,熔體與纖維混合后,把纖維包起來,起到潤滑保護作用,減少了纖維的過度折斷和螺桿、機筒的磨損,而且有利于玻纖在熔體中的分散和分布。加入玻纖時,要控制聚合物和玻纖的溫度,確保聚合物黏度變化最小,為的是避免聚合物在玻纖上冷硬,引起額外的玻纖折斷。方法是將聚合物加熱到正常水平以上,或將玻纖加熱后再加人。
    (3)玻纖增強塑料的螺桿構型和機筒配置
適于玻纖塑料的雙螺桿構型設計和機筒配置的總目標是:防止基體樹脂降解,螺桿構型應能將每根纖維均勻分布于基體樹脂中,把纖維束分散開;在確保粘接性良好的條件下,使每根纖維都被聚合物熔體所潤濕,將纖維切短到合適的長度,使混合物達到最高的增強效果;把擠出過程中產生的揮發物排除干凈;盡力減少對螺桿、機筒的磨損。最佳螺桿構型和機筒配置取決于所用聚合物的性質、纖維類型、相容劑和纖維添加量。螺桿構型和機筒配置應考慮以下幾點。
    ①玻纖加入處的螺桿構型玻纖加入處的螺槽應采用大導程,使聚合物在此處為半充滿狀態,以留出空間容納加入的玻纖。為避免玻纖加入口被聚合物熔體堵死,短切玻纖用反螺紋元件導入,玻纖可用至少一對捏合盤元件導入。
    ②玻纖的切斷和分散玻纖加入口下游的螺桿構型設計應主要著眼于有利于玻纖長度的變化和均化。長纖維是無頭的,加入螺桿后必須切成一定長度并與熔體艮好混合,混合段應當由分布混合元件組成,或是薄捏合盤,或是齒形混合元件。長纖維加入后,被位于加料口下游。待其熔融塑化后,再將玻纖在下游加料口加入,即采用后續加料。這是因為,如果把玻纖和固態聚合物都由第一加料口加入,會造成在固體輸送過程中玻纖過度折斷,螺桿和機筒內表面也因與玻纖直接接觸而造成嚴重磨損。采用后續加料,因玻纖是加到已熔融的聚合物中,熔體與纖維混合后,把纖維包起來,起到潤滑保護作用,減少了纖維的過度折斷和螺桿、機筒的磨損,而且有利于玻纖在熔體中的分散和分布。加入玻纖時,要控制聚合物和玻纖的溫度,確保聚合物黏度變化最小,為的是避免聚合物在玻纖上冷硬,引起額外的玻纖折斷。方法是將聚合物加熱到正常水平以上,或將玻纖加熱后再加人。
   被位于加料口下游的捏合盤元件切成一定長度。其平均長度取決于聚合物和玻纖的比例,也取決于剪切、混合元件的選擇。至少應安裝一組捏合盤元件。黏度高的聚合物或加有高玻纖含量(質量分數>40%)的螺桿構型比低黏度聚合物或玻纖含量低的螺桿構型提供的剪切要柔和一些。對于短切纖維,不需要像長纖維那樣強的剪切,而主要是靠熔體將纖維潤濕和分散開來,故混合段可由薄的捏合盤組成的捏合塊或在螺棱上開槽的螺紋元件或齒形盤元件組成。適于玻纖增強的螺桿元件一般是二頭的,因為它們的剪切比較柔和,對玻纖不會造成過度的折斷。
    (4)排氣段的設置
    因為玻纖是經過預處理的,無捻纖維是經強化劑處理的。在一定溫度下,在玻纖與熔體混合后,玻纖上的浸漬劑和強化劑在擠出過程中受高溫后會變成揮發組分,需設排氣段予以排出。排氣段應位于纖維加入口的下游。為使排氣有效,在排氣段上游接近排氣口處,應設置密封性螺桿元件,以防止真空泵作用下粒子被抽出,如反向螺紋元件或反向捏合塊。反向螺紋元件或反向捏合塊上游應采用小導程的建壓螺紋元件。排氣口對著的排氣段的螺桿區應采用大導程的螺紋元件,使含有玻纖的熔體半充滿螺槽,有較大的自由空間,使物料有表面更新的機會,以利排氣。
    (5)螺桿的最后區段(均化和建壓段)
    為使混合物擠出口模造粒,應采用小導程正向輸送螺紋元件,以建立擠出壓力。在排氣口和螺桿最后區段之間,有時要設置齒形盤元件,對纖維進行均化,保證玻纖均勻分布。
    (6)聚合物的熔融塑化
    聚合物的熔融塑化以及與聚合物一起自第一加料口加入的其它助劑(如阻燃劑、顏料、穩定劑等)的混合,是第一加料口和排氣區之間的螺桿區段的主要任務。為促進熔融和混合,這一段的螺桿構型除應有下向螺紋元件(減導程)進行輸送外,還應當采用捏合塊,反向螺紋元件等熔融塑化元件和齒形盤等均化混合元件。
    用于玻纖增強塑料的典型工藝及螺桿構型見圖1、圖2-所示。由圖1、圖2可見,整根螺桿自第一加料口向下游依次分為預熱和固體輸送、熔融塑化、排氣、玻纖加人、玻纖混合、脫揮計量、壓力建立等區段。在熔融段采用由不同厚度捏合盤組成的捏合塊,在玻纖入口和排氣口之間的螺桿區采用了兩個由薄捏合盤組成的捏合塊,對纖維進行均化、混合、排氣,下游到出料端,皆采用正向螺紋元件,對物料進行計量和建立壓力。在短纖維增強尼龍工藝中,采用側加料口加入玻纖,在螺桿出料端采用了小導程螺紋元件和齒形元件。

 

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