CN1115280A - 超高分子量聚合物的挤出成型机 - Google Patents

Abstract

本发明是一种超高分子量聚合物的挤出成型机。可用于超高分子量聚乙烯或高胶粘性物料的挤出成型。该机包括组合式螺杆、机筒和挤出机头。本挤出机的螺杆表面及机筒内壁上有一层聚四氟乙烯填充改性材料的覆着层；螺杆采用小升角、大直径结构参数；组合螺杆的螺纹相错，不连续。因此本挤出机克服了超高分子量聚合物因极大的粘附力和受剪切易降解而不能挤出成型的难题，使超高分子量聚合物的连续挤出成型成为现实。

Description

超高分子量聚合物的挤出成型机

本发明涉及到塑料加工机械，特别是涉及到超高分子量聚合物及高胶粘性物料的螺杆挤出机。可用于超高分子量聚乙烯的挤出成型。

超高分子量聚合物(如超高分子量聚乙烯)具有优越的机械物理性能及化学稳定性，但其粘度高、熔体指数极低，接近于零，流动性能差，在高剪切速率下极易降解，故长期以来对超高分子量聚乙烯的加工是塑料加工界角逐的热点之一。

目前对超高分子量聚乙烯的加工，多数采用烧结法成型，也有用柱塞式挤出机来推挤生产出制品，但这些制品多为形状简单的棒材。用螺杆挤出机挤出成型这类制品还不多见。因为通常的螺杆挤出超高分子量聚乙烯是十分困难的，一般挤不出来，即使挤出后消耗的功率相当大。原因是这种物料的粘性极高，很容易粘附在金属螺杆及机筒的接触面上，摩擦阻力过大。而建立在剪切塑化理论上的普通螺杆参数使超高分子量聚乙烯在高剪切速率作用下极易发生降解，物料挤出不易成型。EP007851专利中提出一种高粘度低密度聚合物的挤出方法，主要是在螺杆的加料段涂有低摩擦系数的涂覆层，如聚四氟乙烯，而在机筒上用金属101合金涂覆。与之相近的专利还有JP53－6366，JP4－18321等。以上各专利并不是针对超高分子量聚乙烯的加工要求提出的技术方案，而是解决线性低密度聚乙烯在固态颗粒状或粉末状时加料流动性差、输送效率低的问题，所以主要是降低物料对螺杆的摩擦系数，特别是加料段对螺杆的摩擦系数，这与超高分子量聚乙烯的加工特性要求相差较远，因为：

(1)正如文献中记载的线性低密度聚乙烯熔体指数为1，流动速率≥22到≤32，而超高分子量聚乙烯是聚烯烃类的特殊料种，熔体流动速率极低接近于零，而其高粘性表现在熔融或临界熔融状态，此时若加工中的外摩擦力过大，特别是粘附作用所造成的外摩擦力过大，使物料外表和内里产生强烈剪切，并造成滞留边界层的增厚。这对于不耐剪切速率的超高分子量聚乙烯极易引起降解。若按对比文献的方案，仅在加料段涂有覆层显然仍不能解决上述加工问题。

(2)虽然根据挤出原理可知，物料的挤出是靠摩擦力由螺杆的螺棱推进，但实验研究证明物料的推进关键不在各表面摩擦系数的的绝对值，而在于物料对螺槽的总摩擦力与物料对机筒的总摩擦力的差值，即两表面摩擦系数要有一定差值，以保证物料能贴靠着机筒内壁被推进。对一般粘性的线性低密度聚合物而言，这一差值越大，越有利于改善物料的推进速率。但是对超高分子量聚合物在塑化状态的高粘度下，这一差值过大，如对比文献中仅在螺杆上涂有覆层，机筒内壁仍保持较大摩擦系数，则将造成机筒内壁过厚的物料滞留边界层，不利于物料推进，加宽了物料在机内停留时间的分布。

(3)上述专利并没有对建立在剪切塑化理论上的螺杆参数做出改进，势必在挤出超高分子量聚合物挤出时受到剪切而产生降解现象。

本发明的任务就是要提供一种符合超高分子量聚合物加工要求的螺杆挤出机，保证处于熔融塑化时的高粘性物料对螺杆和机筒接触面不粘附胶粘，且均有好的滑动性，避免超高分子量聚合物物料受高剪切作用，使物料充分塑化搓滚分切混合，连续挤出成型。

为实现上述目的，本发明采取如下技术方案。

本发明主要部件包括机筒和装在机筒内的组合式螺杆。其特征在于：

(1)至少在螺杆与塑化物料接触段表面及相应的机筒内壁上分别有聚四氟乙烯填充改性复合材料的覆层，螺杆表面覆层的摩擦系数小于机筒内壁覆层的摩擦系数。这一措施的目的是同时增加处于熔融状态的高粘性物料对螺杆及机筒的滑动性，使物料与螺杆及机筒表面不发生胶粘。对超高分子量聚合物的挤出来说，解决物料对机件表面的粘附比改善摩擦系数，功率等更重要。这样可以避免螺槽中的团料由于与螺杆的粘附造成上、下速度差，产生额外的剪切而降解。还防止了物料对机筒的过分粘附而形成较厚的边界滞留层。对连续挤出超高分子量聚合物是十分有利的。螺杆及机筒表面的摩擦系数大小通过调整覆层中填料的比例得到。

(2)螺杆参数采用小升角、大直径结构，升角取8－12°，直径在φ200－φ400mm，螺杆长径比为4－6。由于直径大，螺杆转速取低速，为5－20rpm。以上参数的选择与通常的塑化剪切理论是大不相同的。它在不降低线速的前提下，增加了螺棱对物料的推力，减少了横流，避免物料受横向剪切而降解。小升角则保证在摩擦系数稍有变化时的稳定挤出。

(3)螺杆由多个螺纹元件组合而成，组合时各螺纹元件相错一角度，使整个螺杆上的螺纹不连续。这样，前段螺槽中的料团在进入后续螺纹中被分成两半，将料团核心暴露出来，而即将熔融的原表面被后续螺纹合为一股，成为料心，因此物料在整个螺杆推进过程中保持着塑化混合状态，经反复“分”、“合”流，物料的核心不断更新，达到混均目的。

本发明的特征还在于：

上述的螺杆及机筒上的覆层，采用聚四氟乙烯填充改性复合材料，其填充物组成为：(按体积比)

青铜粉            35－60％玻璃纤维或玻璃粉      15－20％

石墨、二硫化钼    ≤5％

螺杆表面和机筒内壁的覆层均在以上组分中选择；只要选择不同的组分配比，即可保证使螺杆表面的摩擦系数小于机筒内壁的摩擦系数。一般来说，选择较多的玻璃纤维(或玻璃粉)或/和较少的石墨即可得到较大的摩擦系数，反之则得到较小的摩擦系数。青铜粉的加入可以改善表面的导热性。

上述螺杆上的螺槽为带大圆角根角的近于正方形截面，使物料在螺槽中整体翻滚，团合。

本发明的效果：

由于同时在螺杆表面和机筒内壁有聚四氟乙烯填充改性复合材料覆层，增加了物料对各表面的滑动性，解决了具有极高粘性的超高分子量聚合物挤出的难点之一——粘合力带来的额外剪切及机筒内壁上的物料界滞留问题。

螺杆结构参数的选择有效地避免、降低了横流剪切，解决了超高分子量聚合物受剪切易降解的问题。

总之，本发明在挤出机机理上已有别于通常的挤出机的剪切塑化理论，而采用了低速捏合、整体滚搓、分合流塑化混合；使超高分子量聚合物的连续挤出成型成为自然的现实。目前对超高分子量聚乙烯已成功地进行了挤出成型。

下面结合附图对本发明详细公开。

图1是本挤出机螺杆、机筒部件结构图。

图2是本挤出机组合螺杆结构示意图。

如图1－2所示：本螺杆挤出机主要部件包括组合螺杆和装在螺杆外的机筒11，以及挤出机头10，其中组合螺杆是由多段螺纹元件1、2、3、4、13组成。中间有一空心传动轴5，各段螺纹元件通过导向长键6组装在空心轴12上，由空心轴带动转动，转速在5－20rpm之间。空心轴中间还活动穿装一可转动的芯轴7，它的转动方向及转速通过另一传动***或电机调节。

为了克服在即熔状态的具有极高粘性的超高分子量聚合物(超高分子量聚乙烯)粘附螺杆及机筒，本挤出机至少在螺杆与塑化的物料接触段1、2、3表面及相应的机筒段内壁上，有一层聚四氟乙烯填充改性材料覆着层。具体地说，除了螺杆的加料段外，螺杆的其他部分及相应的机筒内壁上均有这种覆层。该覆层含有青铜粉、玻璃纤维或玻璃粉、石墨、二硫化钼等填料。它使螺杆表面及机筒内壁均有很好的不粘性，同时又保持了良好的抗压蠕变、耐磨性。而青铜粉的存在改善了表面的导热性，对散发高粘度物料挤出时因消耗较大功率而产生的热是必要的。为保证螺杆表面覆层的摩擦系数低于机筒内壁覆层的摩擦系数，本机的螺杆及机筒表面覆层含有如下填料配比：(按与聚四氟乙烯的体积比)

        螺杆表面覆层    机筒内覆层青铜粉           30％          40％玻璃纤维         20％          20％及玻璃粉石墨、二硫化钼   5％           3％根据不同物料要求，以上配比可以调节。以上覆层是用一般的烧结法覆合上去的，也可用粘贴方法覆合上，这一点普通的技术人员即可实施。

另外，为了符合超高分子量聚乙烯不宜剪切受的加工要求，本挤出机改变了常规的按剪切塑化理论而建立的螺杆参数，采用小升角、大直径结构，螺杆是升角在10°的多头螺杆，长径比4－5，直径为φ250mm。螺纹升角从加料段开始到挤出段逐渐减小。小升角的目的是增加螺棱对物料的向前推力稳定挤出。减少横流分量或横向剪切力。在一定意义上提高产量。螺杆采用组合螺杆，各螺杆螺纹元件组合时，相错一定角度，可错开半个螺槽宽，使整个螺杆上的螺纹不连续。前面螺槽出来的料团被后续螺棱劈成两半，料心与表面被后续多头螺纹不断更新，使处于即熔状态的物料始终处于塑化状态混合、搓滚均化，直至挤出。

螺杆上的螺槽开的较深，深度在2/3－1螺距。采用带有大圆角根角的近于正方形截面结构，使物料受整体滚搓，不受或降低剪切。

本挤出机除上述改进外，还有如下结构。

采用芯轴作为挤出管材的芯棒，使高粘度物料挤出成管材时没有分流线及接缝，挤出时芯轴低速转动，使熔融料均匀流动。

整个组合螺杆从加料段到挤出段螺纹升角逐渐变小，螺槽逐渐变窄，以适应料的性能变化。螺杆前端是带螺旋槽的过渡锥头8，与对应的机筒锥形端9形成间隙。芯轴端头伸入机头10亦与其形成间隙。这样，由转动芯轴和间隙结构造成物料通过时有一定的机头阻力，起到调节料流的作用。

为保证物料的前进、翻滚、搓合，在机筒内壁开纵向沟槽使物料与机筒螺杆在指定方向上增大其机械性微观碰撞等外摩擦。

芯轴端部也可开有螺槽，以对物料补充塑化。

机头做成管状或片状，用于挤出不同的形状的制品。机头内腔亦可有聚四氟乙烯填充改性复合材料覆层，减少物料粘附。管状机头可转动，配合芯轴的转动消除螺杆带来的流纹。

Claims (6)

1、一种超高分子量聚合物的挤出成型机，包括组合式螺杆、套装于螺杆外的机筒(11)挤出机头(10)，其特征在于：

(1)至少在螺杆与开始塑化状态的物料接触表面及相应的机筒(11)段内壁上有一层聚四氟乙烯填充改性材料的覆着层，且螺杆表面覆层的摩擦系数小于机筒内壁面覆层的摩擦系数，

(2)螺杆采用小升角、大直径结构，升角在8°－12°，螺杆直径为φ200－φ400mm，螺杆长径比4－6，

(3)螺杆由多个螺纹元件(1)、(2)、(3)、(4)、(13)组合而成，各螺纹元件上的螺纹组合时相错一个角度，使整个螺杆上的螺纹不连续。

2、根据权利要求1所述的挤出成型机，其特征在于：螺杆表面及机筒内壁面上的覆着层是含有下述填料配比的聚四氟乙烯填充改性材料，(按聚四氟乙烯的体积比)青    铜    粉           35－60％玻璃纤维或玻璃粉          15－20％石黑、二硫化钼            ≤5％

3、根据权利要求1所述的挤出成型机，其特征在于，螺杆上的螺槽为带大圆角根角的接近于正方形截面，螺槽深度为2/3－1螺距。

4、根据权利要求1所述的挤出成型机，其特征在于：螺纹元件采用多头螺纹。

5、根据权利要求1所述的挤出成型机，其特征在于：螺杆前端是带螺旋槽的过渡锥头(8)，与对应的机筒锥形端(9)形成间隙。

6、根据权利要求1所述的挤出机，其特征在于：机头(10)内腔亦有聚四氟乙烯填充改性材料的覆着层。

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