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優(yōu)化螺桿組合及雙螺桿擠出機(jī)工藝！增強(qiáng)改性進(jìn)一步有效提升！

目前，聚烯烴類(lèi)化合物的應(yīng)用要求逐步提升，繼續(xù)推動(dòng)PP、PE升級(jí)性能極限，以提高 機(jī)械性能，如彎曲模量、拉伸強(qiáng)度和熱變形溫度等；美學(xué)特性，如表面質(zhì)量； 加工特性，如粘度；而且，一如既往地需要降低成本。

獲得這些性能可能需要復(fù)雜的化合物配方，總是涉及添加纖維和/或礦物填料增強(qiáng)。

增強(qiáng)改性都要填充啥？

對(duì)于許多材料，一種（或幾種）物理或美學(xué)特性可以通過(guò)摻入纖維和/或礦物填料來(lái)改善，而其他特性有時(shí)會(huì)顯著降低。

一個(gè)例子是向PE中添加大量碳酸鈣。隨著填料加載量的增加，拉伸強(qiáng)度和彎曲模量均增加。然而，與此同時(shí)，增加負(fù)載會(huì)降低極限伸長(zhǎng)率。另一個(gè)例子是玻纖填充PP。同樣，拉伸強(qiáng)度和彎曲模量會(huì)隨著玻璃纖維的添加而增加，而伸長(zhǎng)率下降。生產(chǎn)填充和/或增強(qiáng)復(fù)合材料的目的是在特定應(yīng)用中平衡性能以獲得佳性能。

使用礦物填料時(shí)需要考慮幾個(gè)參數(shù)， 其中一些參數(shù)會(huì)影響材料與基礎(chǔ)聚合物的相容性。必須考慮粒度分布、表面能和表面處理。然而，關(guān)鍵屬性是縱橫比，它被定義為顆粒長(zhǎng)度與其厚度的比值。對(duì)于縱橫比在1到10之間的材料，填料僅作為聚烯烴中的“增量劑”，因此僅增加材料的剛度。當(dāng)縱橫比大于10時(shí)，填料也會(huì)增強(qiáng)聚合物。這將增加抗拉強(qiáng)度以及其他性能。

雖然高縱橫比填料提供了一定的增強(qiáng)作用， 但玻璃、碳和近的天然纖維是用于提供更高撓曲模量和拉伸強(qiáng)度的主要材料。雖然大多數(shù)增強(qiáng)化合物基于?英寸?；?/8英寸短切纖維（主要是玻璃纖維），高縱橫比結(jié)合的新發(fā)展是在線(xiàn)加工長(zhǎng)纖維技術(shù)（LFT）。在這個(gè)過(guò)程中，玻璃或其他連續(xù)粗紗被送入擠出機(jī)，與聚合物基質(zhì)混合并潤(rùn)濕，以將纖維長(zhǎng)度保持在5至25毫米范圍內(nèi)。

納米復(fù)合材料已顯示出與玻璃和其他纖維改性聚合物競(jìng)爭(zhēng)改善彎曲和拉伸性能的潛力。雖然納米復(fù)合材料通常含有不超過(guò)5%的有機(jī)粘土負(fù)載量，但它們呈現(xiàn)出獨(dú)特的復(fù)合挑戰(zhàn)組合，而其他礦物或纖維填充的化合物則不會(huì)面臨這些挑戰(zhàn)。對(duì)于含有滑石粉、碳酸鈣、二氧化鈦等的化合物，必須將填料分布，然后分散成不小于大約一微米的顆粒。即使這些填料以50%或更高的負(fù)載量存在，或者以亞微米顆粒形式引入，它們?nèi)匀幌鄬?duì)容易加工。

復(fù)合納米復(fù)合材料的挑戰(zhàn)是將直徑約8微米的粘土顆粒均勻分散（嵌入和剝離）到高達(dá)一百萬(wàn)納米厚的片晶中。主要困難是粘土，即使經(jīng)過(guò)處理，也很可能與聚合物不完全相容。因此，分散納米粘土的難度類(lèi)似于試圖將巖石破碎成灰塵，然后將灰塵溶解在水中。

為使增強(qiáng)有效，纖維和礦物（標(biāo)準(zhǔn)或納米級(jí)）各有特定的復(fù)合要求。纖維，無(wú)論是粗紗還是短切纖維，都需要在復(fù)合過(guò)程中松開(kāi)并保持臨界長(zhǎng)度。礦物，根據(jù)其結(jié)構(gòu)，需要分布和/或分散。同向雙螺桿混煉機(jī)長(zhǎng)期以來(lái)一直是此類(lèi)混煉功能的首選設(shè)備。

然而，改性企業(yè)仍然面臨加工挑戰(zhàn)，例如 如何加入高負(fù)載的低堆積密度礦物填料并仍然保持經(jīng)濟(jì)上可行的生產(chǎn)率？如何在高粘度、高礦物質(zhì)填充配方中較大化纖維長(zhǎng)度？如何消除（或至少小化）成品中出現(xiàn)黑點(diǎn)等污染物的可能性？以及如何提高生產(chǎn)力？

下面介紹了應(yīng)對(duì)將 聚烯烴與礦物和纖維復(fù)合的具體挑戰(zhàn)的方法。 （由于篇幅長(zhǎng)度限制，我們將原文分為上下兩篇，本篇將分析各類(lèi)礦物填料增強(qiáng)改性中雙螺桿擠出機(jī)的混煉工藝，下篇將著重闡述擠出纖維填料的內(nèi)容以及對(duì)真空排氣性能的優(yōu)化）

加工礦物填料

許多不同類(lèi)型的礦物被用作聚烯烴的填料。碳酸鹽被廣泛使用，其中常見(jiàn)的是 CaCO 3 ，其密度通常為2.7g/cm3。CaCO 3 提高了終產(chǎn)品的撓曲模量和沖擊強(qiáng)度。剛度和撕裂強(qiáng)度也可以得到改善。碳酸鹽通常用于食品包裝，尤其是PE。在LDPE和LLDPE食品包裝中，碳酸鹽還可以改善水氣阻隔性能和印刷適用性。

另一種經(jīng)常用作聚烯烴填料的礦物是 高嶺土，也稱(chēng)為水合硅酸鋁或粘土。這些顆粒通常具有六方晶體結(jié)構(gòu)，粒徑在1至10μm之間?？v橫比往往低于 10，這意味著該材料通常用作非增強(qiáng)填料。高嶺土可以提供良好的電氣性能，通常被添加到玻璃增強(qiáng)化合物中。

云母和氫氧化鎂- Mg(OH) 2 - 通常用作聚烯烴的增強(qiáng)填料。云母廣泛用于汽車(chē)化合物，通常與聚丙烯一起使用。通常結(jié)果是拉伸強(qiáng)度、彎曲模量和HDT的增加。 然而，隨著填充量的增加，抗沖擊性顯著下降，因?yàn)樵颇笗?huì)降低材料的彈性，使其更脆。

滑石是用作聚烯烴填料的柔軟的礦物?？v橫比為2-20，可用于補(bǔ)強(qiáng)?？梢杂没鄹倪M(jìn)的一些典型特性是HDT和耐磨性?；哂惺杷砻?，因此與有機(jī)化合物的相容性非常好，在汽車(chē)應(yīng)用中通常與PP一起使用。 使用亞微米、未壓實(shí)的滑石粉時(shí)，經(jīng)常會(huì)遇到進(jìn)料限制。有必要去除大量空氣以便更容易地有效地供給材料，因?yàn)樗菀琢骰?br />
在生產(chǎn)中，我們可以通過(guò)多種方法將填料添加到聚合物里：

? 將所有填料與未熔化的聚合物一起添加到上游。

? 將一部分填料與顆粒一起添加到上游，并將剩余部分添加到熔化段的下游。

? 在上游供給聚合物，然后在下游添加填料。

雖然將所有填料與未熔化的聚合物一起添加可能非常有效，但也有一些缺點(diǎn)。 在許多情況下，填料可能具有磨蝕性，可能會(huì)導(dǎo)致螺桿和機(jī)筒元件磨損。此外，如果填料易于流化或體積密度低（如上文滑石粉所述），則可能會(huì)導(dǎo)致進(jìn)料量受限。此外，如果填料的負(fù)載量非常高，則可能會(huì)得到純填料袋，然后在螺桿的捏合部分形成團(tuán)聚物。分布然后分散這些附聚物可能非常困難。

另一方面，在熔化段下游添加填料也可能存在困難。如果熔融聚合物的熔體粘度太低，則混合部分中的剪切應(yīng)力可能不足以打散填料附聚物。如果附聚物被包裹在聚合物中，“膠囊”就更難在基質(zhì)中破碎。

使用低堆積密度填料必須解決的另一點(diǎn)是去除夾帶的空氣。雖然與混合沒(méi)有直接關(guān)系，但夾帶的空氣可能會(huì)限制可以使用的混合設(shè)計(jì)類(lèi)型。

一個(gè)例子是具有強(qiáng)烈反混的配置（即中性或反向螺紋元件，用作密封），它將所有空氣推回通過(guò)添加劑入口。這會(huì)導(dǎo)致添加劑在螺桿和進(jìn)料區(qū)域流化。流化限制了系統(tǒng)的摻入水平和總吞吐率。為了獲得較大的成功，首先將添加劑分布在聚合物中，然后在幾乎瞬間的密集操作中將其分散。捏合塊或其他螺桿元件的佳組合取決于特定的聚合物和填料。但是，這些組合的設(shè)計(jì)應(yīng)允許空氣向下游流動(dòng)。

通常用于將非常高填充量的填料加入聚烯烴中的料筒設(shè)置。 在此設(shè)置中，填料在熔化段下游的兩個(gè)階段被添加。聚合物預(yù)混物連同一些添加劑被送入機(jī)筒1，然后在機(jī)筒2和3中熔化。第一側(cè)進(jìn)料器位于機(jī)筒4，大部分填料被添加到該機(jī)筒中。機(jī)筒5是上游混合區(qū)。機(jī)筒7處的第二個(gè)側(cè)進(jìn)料器用于剩余的填料。由于機(jī)筒6中有一個(gè)排氣口，來(lái)自機(jī)筒4和7中填料的空氣可以使用該端口排放到大氣中。填料分散發(fā)生在機(jī)筒8和9中。即使不需要在下游添加第二份填料，下游的排氣口也是有益的。

通常，具有高縱橫比的填料需要與具有低縱橫比的填料不同的加工參數(shù)。 低縱橫比填料需要高程度的分散才能打散附聚物。使用的螺桿配置取決于加入聚烯烴中的填料和負(fù)載水平。帶有窄圓盤(pán)的捏合塊元件，長(zhǎng)度約為?D，用于首先分配填料。為了在分散填料之前使熔體中的顆粒隨機(jī)化，該步驟是必要的。根據(jù)摻入的填料類(lèi)型，然后使用較寬的捏合塊元件（通常為1.5D）將填料分散在聚合物中。

另一方面， 縱橫比較高的填料需要更溫和的處理。對(duì)于此類(lèi)填料，需要低剪切以避免損壞填料結(jié)構(gòu)。

窄盤(pán)捏合塊可能是常用于摻入高縱橫比或結(jié)構(gòu)化填料的元件。椎間盤(pán)的機(jī)械強(qiáng)度限制了它的厚度。避免強(qiáng)度問(wèn)題的一種方法是使圓盤(pán)的尖端變窄，但讓根部變厚。圖2 顯示了來(lái)自此類(lèi)元素的單個(gè)圓盤(pán)。該元件通過(guò)使相反螺桿軸上的元件的圓盤(pán)偏移來(lái)進(jìn)一步降低壓力。這樣，當(dāng)元件旋轉(zhuǎn)時(shí)，兩個(gè)波峰在穿過(guò)頂點(diǎn)時(shí)發(fā)生偏移。

即使采用機(jī)筒配置和特殊的螺桿/捏合元件，低堆積密度填料的加入也會(huì)受到進(jìn)料速率的限制，因此擠出機(jī)的運(yùn)行速度低于經(jīng)濟(jì)上可行的生產(chǎn)率。然而，更新的進(jìn)料增強(qiáng)技術(shù) (FET) 使混煉商能夠以經(jīng)濟(jì)的吞吐率混煉高負(fù)荷的低堆積密度填料——在某些情況下，甚至在新一代高扭矩混煉擠出機(jī)的扭矩極限下。

FET 的目標(biāo)是通過(guò)增加進(jìn)料和筒壁之間的摩擦系數(shù)來(lái)提高輸送效率，從而增加難以進(jìn)料材料的進(jìn)料區(qū)吞吐量，從而較大限度地減少或消除壁滑移。

提高摩擦系數(shù)和輸送效率是通過(guò)對(duì)進(jìn)料區(qū)的筒壁的特殊設(shè)計(jì)部分施加真空，將一層原料材料“粘附”到筒壁的一部分來(lái)實(shí)現(xiàn)的，該部分是多孔且可滲透氣體而不是飼料產(chǎn)品。筒壁的多孔部分的孔徑相對(duì)于粉末的粒徑是至關(guān)重要的。應(yīng)用于設(shè)備的真空度取決于原料的粒度和形狀。

如果顆粒要穿透孔隙，則該過(guò)程的功效會(huì)降低。然而，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)為通過(guò)真空管路施加壓力將顆粒反沖出孔隙。雖然粉末滲入多孔筒壁可能會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題，但更關(guān)鍵的是聚合物熔體或其他流體的存在。這兩種材料都會(huì)涂抹在多孔表面上，甚至?xí)B入孔隙并堵塞多孔結(jié)構(gòu)。

通過(guò)多孔筒材料施加真空，聚合物或填料周?chē)目諝庠谄渫ㄟ^(guò)FET筒段插入件時(shí)被抽空。當(dāng)空氣被吸向插入物時(shí)，它會(huì)將顆粒帶向插入物表面?？諝馔ㄟ^(guò)但是材料會(huì)留在后面以覆蓋表面。致密粉末的這種涂層或?yàn)V餅具有增加壁表面和大部分材料之間的摩擦系數(shù)的作用。由于真空而粘附在筒壁上的材料層通過(guò)旋轉(zhuǎn)的螺桿不斷更新。此外，當(dāng)粉末通過(guò)螺桿時(shí)，其堆積密度會(huì)增加。這兩種作用相結(jié)合，提高了輸送效率。

合并FET可以提高配混線(xiàn)的整體生產(chǎn)率。 然而，該技術(shù)還有其他影響。例如，在其他所有因素保持不變的情況下提高配混線(xiàn)的速度會(huì)降低單位產(chǎn)品生產(chǎn)的總能耗。較低的單位能量轉(zhuǎn)化為較低的產(chǎn)品溫度，這反過(guò)來(lái)意味著材料發(fā)生降解或穩(wěn)定劑消耗的可能性較小。