超高分子量聚乙烯挤出管材成型设备与技术.docx

超高分子量聚乙烯挤出管材成型设备与技术薛平何继敏何亚东何顺伦(北京化工大学塑料机械塑料工程研究所 ,北京 100029)摘要论述了用单螺杆挤出机成型超高分子量聚乙烯管材的成型技术 ,包括专用螺杆的设计 、管材模具的设计 、挤出配方的设计 ,以及成型工艺的特点 、管材冷却定型技术 等 。关键词 :超高分子量聚乙烯单螺杆挤出机管材合作生产出大口径 ( 200 mm) 超高分子量聚乙烯管材 ,使我国 u hm w p e 加工技术水平 跨上一个新台阶 。本文重点介绍 u hm w p e 管材成型技术 。前言超高分子量聚乙烯 ( u hm w p e) 具有普通聚乙 烯 和 其 它 工 程 塑 料 无 可 比 拟 的 耐 磨 性 、耐冲击性 、耐腐蚀性 、自润滑性 、吸收冲击能 、耐 低 温 性 等 优 异 的 综 合 性 能 。所 以 用 u hm w p e 成型的管材可广泛用于粮食加工 行业 、化 工 、煤 炭 、矿 山 、电 厂 等 行 业 各 种 粉 粒 、流体及固液混合物的耐磨 、耐腐蚀输送 , 如 :面 粉 谷 物 、矿 粉 矿 浆 、砂 土 泥 浆 、电 厂 灰渣 、化工原料 、工业三废 、石油燃气等 ,可用作 电厂排 灰 管 、清 砂 工 程 管 道 、水 煤 浆 工 程 管 道 、矿石 、矿砂运输管道等 ,从而取代原有的 金属管道或其它塑料管道 。由于 u hm w p e 熔融高粘度特性 ,所以长期以来人们都认为用单螺杆挤出机成型加工 u hm w p e 是不可 能的 ,国内 u hm w p e 制品仅限于压制烧结 板材和柱塞推压棒材与片材等 ,生产效率非 常低下 ,产品质量很难得到保证 ,管材几乎无 法成型 。北京化工大学塑料机械及塑料工程研究所在中国石油化工总公司的支持下 , 经 过数年的摸索 ,成功地研制出 u hm w p e 专 用单螺杆挤出机和管材 、棒材成型生产线 ,能 够连续稳定高效的生产 u hm w p e 管材和棒 材 ,同时与北京华傲荣达科技有限责任公司01专用挤出机及螺杆设计目前国内加工 u hm w p e 主要方法是压制烧结 , 生产的制品占 90 %以 上 , 并 且 以 板材为主 。还有少量的柱塞推压成型的制品 。 与这些方法比较 , 单螺杆挤出成型 u hm w2p e 技术虽然难度较大 ,但由于实现了连续生 产 ,因而生产效率高 ,是最为经济实用的一种 加工手段 。以单螺杆挤出机为主机 , 再配以 不同的模头和辅机 ,可以连续挤出管材 、棒材和异型材等 ,从经济性和实用性的观点来看 , 单螺杆挤出成型技术被认为是最具有实用价 值的 。在自行研制的 u hm w p e 单螺杆挤出机 工业化机组上成功的挤出了 110 4 和 1106 mm 的管材 。该机的主要指标如下 :螺杆直径 : 1. 0 ( kgmin/ hr) ,对于 65 挤出机来说这是 一个比较好的比流量值 。根据试验得知螺杆 12000 年 1 月中国塑 料83段应有足够长度 ,保证物料在此段缓慢被压缩 ,逐步建立压力 ,以消除机头熔接痕 。压缩 比是非常重要的参数 ,根据设计的数套模具 实验的结果 , 压缩 比 合 理 的 值 为 3 6 , 压 缩比过大 ,树脂容易在压缩段堵塞 ,造成挤出中 断 。加热定型段主要目的是将 u hm w p e 熔 融料从高温开始顺序降温 ,同时在此段熔点 以上的物料能够得到稳定固型 。该段长度的 设计十分重要 ,过短物料出口模不能形成完整的管坯 ,过长机头内物料形成的压力增大 ,容易造成挤出机主电机过载 。图 4 螺杆 1 的螺杆转速与挤出产量之间的关系的单耗 n / q = 0. 330. 4 ( kwh/ kg) ,而螺杆2 的单耗 n / q = 0. 40. 5 ( kwh/ kg) 。3311挤出原料及挤出工艺挤出原料的准备由于 u hm w p e 分子量极高 , 其熔体为管材模具的设计特殊的管材机头设计 : 分流支架机头与 加热机头组合式管机头 ,物料通过挤出机分 流板而分流 ,在支架式机头和加热机头入口 之间熔融压缩 ,并在加热中物料是由高温到 低温逐渐固型 。我们将机头分为扩张段 、分 流支架段 、压缩段 、加热定型段四段 。实际试 验中共设计了四套机头 。机头 1 没有得到连 续的管材 ,主要原因是分流支架宽度小 ,分流 筋数量少 ,在较长的芯棒作用下 ,造成芯棒下 垂发生偏心现象 ;再加上模具压缩比较大 ,压 缩段长度短 ,挤出压力大 ,主机电流过大 , 无 法进行稳定连续的挤出 。机头 2 与机头 3 由 于是在机头 1 的试验基础上设计的 ,所以在 试验中取得了较好的效果 ,能挤出质量优良 的超高分子量聚乙烯管材 。机头 4 与机头 3 相比 ,只是压缩比较大 ,其它参数基本相同 , 试验中也无法获得合格产品 ,这说明压缩比 在超高分子量聚乙烯管材模具的设计中是非 常关键的参数 。扩张角的设计不宜过大 , 否则料流阻力 过大 ,甚至造成物料在此停留 ,对 u hm w p e 取 3045。分流支架宽度及分流筋数量都是非常关键的参数 ,小管取 34 根 ,大管取 68 根 。宽度应尽量取大值 , 保证支架有足 够的强度支撑芯棒而不发生偏心现象 。压缩29高粘弹体 , 10 泊 ,几乎没有流动 ,给加工带来极大的困难 ,主要表现为内摩擦力极大 ,难以挤出 ,即便挤出 ,也容易粘附机头 , 所以 必须进行改性 ,改善其熔融特性和可加工性 。加工 助 剂 的 选 择 : 前 提 是 不 能 降 低u hm w p e 本身所具有的优良特性 。 挤出配方为 : u hm w p e + 流动改性剂 +成核剂 + 复合润滑剂 。31111流动改性剂要求与 u hmwpe 有较好的相容性 ,即溶 度参数接近 ;本身具有较好的流动性 ,以便提 高体系的熔体流动速率 ,同时与 u hmwpe 能 形成共晶 ,因此选择了高分子量聚乙烯 。添加流动改性剂的比例是非常关键的 ,比例过大 , 会使 u hmwpe 制品的性能下降 ,比例过小 , 则起不到加工改性的作用 ,通过实验证明 ,添 加聚乙烯合适的比例为 5 15 份较为合适 。 加入聚乙烯后 ,加工成型温度普遍降低 510。由于聚乙烯与 u hmwpe 有高度的均化 混合性并形成共晶 ,所以制品的力学性能如耐 磨性和低摩擦系数 ,抗冲击强度等重要参数基 本不降低 ,仅拉伸强度和弯曲弹性模量略有下 降 ,其 制 品 作 为 耐 磨 材 料 其 实 用 效 果 与 纯 u hmwpe 相当 。超高分子量聚乙烯挤出管材成型设备与技术8431112 成核剂添加成核剂的目的是改善由于流动改性 剂的加入而引起的 u hm w p e 的物理性能的 降低 ,促进 u hm w p e 和 p e 共晶的形成 ,并使晶胞尽量变小 。用作成核剂的物质通常有 无机盐 、无机酸 、脂肪酸 、脂肪盐及大分子成 核剂等 ,常用的成核剂对制品冲击强度的影 响见图 5 所示 。图 6 复合成核剂含量对共混物耐磨性的影响以便降低 u hm w p e 分子链间的次价力 , 减 少内部摩擦力 ; 在挤出过程中具有溢出表面 的能力 ,以便在 u hm w p e 物料与螺杆 、机筒 形成界面 ,避免物料的粘附 。对此进行多次 试验 ,选用复合润滑剂 ha - , 添加量为 15 质量份时 ,达到了较好的效果 。312 挤出工艺挤出过程中需控制的参数很多 , 有挤出 温度 、挤出螺杆转速 、牵引机速度 、真空冷却定径的直空度等 。管材挤出的工艺流程为 :助剂混料 专用挤出机 成型u hm w p e模具 真空冷却定型 牵引切割装置 管材 制品 检验入库31211 挤出温度的设定挤出温度的设定见表 1 所示 。a :未加 b : 硬脂酸钙合成核剂 e :钛白粉c : 滑石粉 d : 复图 5 成核剂种类 (添加量均为 013对制品冲击强度的影响%)从图 6 可以看出添加复合成核剂效果最好 。随着复合成核剂含量的增加 , 冲击强度 显著提高 ,耐磨性逐渐增强 。这样就做到了 共混物 物 理 力 学 性 能 不 低 于 纯 u hm w p e , 又改善了其成型加工特性 。31113 润滑剂要 求 与 u hm w p e具 有 较 好 的 相 容 性 ,表 1 挤出机温度设定温度控制 ( )挤出机机身温度机头温度第一段第二段第三段第四段第五段第六段第七段第八段 50100 150200 190270 200270 200270 200270 200250 160200 31212挤出机螺杆转速塑料的熔体流动状态与剪切应力和剪切 速 率 有 关 。通 过 熔 体 流 动 曲 线 模 型 将 u hm w p e 与其它聚乙烯加以比较 。如图 7 所示 。从 图 中 可 以 看 出 , u hm w p e 在 口 模中流动时 ,随着剪切速率的提高 ,经历 a 、b 、c 、d 四个区域 ,其流动依次表现为层流 、熔体 破裂 、滑流和喷射流四种不同状态 ,即 :a 区 ;为层流 ,它在剪切速率较低的范围内出现 ,和普通 p e 一样 ,树脂产生出模膨 胀现象 。b 区 : 开始出现熔体破裂 ,挤出物出现 表面缺陷 ,此时的剪切速率称为临界剪切速率 。c 区 :转变为滑流 ( 又称柱塞流) ,这是 由于流动速度较快 ,料流各层间不产生相对2000 年 1 月中 国塑 料8531214 真空定径冷却真空度在挤出常规聚乙烯管材和聚氯乙烯管材 时 , 真 空 度 控 制 得 比 较 小 , 一 般 为 - 0 . 02m pa 0 . 04 m pa 。而 在 挤 出 u hm w p e 管材时 ,真空度的控制十分重要 。如果真空度 过大 ,势必造成牵引力增大 ,增大牵引机的负 荷 ,甚至出现拖不动或管材与牵引机履带之 间打滑现象 。如果真空度过小 , 管坯外表面 的光洁度和管材的圆度就会受到影响 ,很难得到质量好的管材 。位移 ,和层流状态不同 ,它不产生离模膨胀现象 。d 区 :在高剪切速率下 ,流动激变为喷 射流 。例如 : 从注塑机喷咀射出 的 u hm w2p e 发生严重破裂 , 呈粉末飞散状态 , 通常认 为这种现象为 u hm w p e 所独有 。因此在挤 出时滑流状态最好 。管材定型冷却技术由于超高分子量聚乙烯材料受温度的影 响比较大 ,定型难度大 ,所以要求挤出管离开 冷却装置后 ,塑料管的平均温度必须低于其 热变形温度 ,见图 8 所示 。4图 7 u hm wp e 流动曲线模型可 以 看 出 , 随 着 剪 切 速 率 的 增 大 , u hm w p e 的流 动 状 态 发 生 了 过 渡 变 化 , 不 过极低剪切速率下出现的层流状态和高剪切 速率下 出 现 的 喷 射 流 破 坏 状 态 都 难 以 观 察 到 ,通常在挤出时能看到的 ,主要是熔体破裂 和滑流状态 。从图 7 中可以看到 u hm w p e 所需要的挤出速度较其它 p e 都低 , 而 且 在 实际挤出制品试验中也证实了这一点 。因此 在挤出 u hm w p e 时挤出速度控制要适当 。 如果螺杆转速过快管坯易出现不连续出料 , 在轴向上不能形成滑流状态 ,甚至出现熔体 破裂现象 。31213牵引机速度通常情况下 ,牵引速度一定要与挤出机 的挤出速度要协调一致 ,如果牵引速度太慢 ,管坯会 在 机 头 口 模 与 定 径 装 置 之 间 形 成 堆积 ,造成挤出中断 ; 如果牵引速度过快 , 管坯 就会被拉伸 ,直径和厚度发生变化 ,有时甚至被拉开裂 。在挤出 u hm w p e 管时 , 正确的控制方法是牵引速度稍大于挤出速度 。图 8 挤出管在定径和冷却过程中的冷却曲线411 管材定径方式41111 内定径内定 径 是 使 管 子 的 内 壁 与 定 径 芯 轴 接 触 ,由于超高管收缩 ,管子贴在热的或冷的芯轴上 。芯轴做成锥形的要适应 u hm w p e 的 收缩 率 。设 计 难 点 : 芯 轴 的 长 度 , 芯 轴 的 锥 度 ,定径套的内径 。由于重量和模具安装等 问 题 , 芯 轴 的 长 度 受 到 限 制 , 所 以 加 工 u hm w p e 树脂 时 , 通 过 有 限 长 度 的 定 径 套难以完成定型 ,管材离开定径套温度仍然很 高 ,由于自重和水冷压力而变形 ,很难做到稳 定地挤出 。在实际挤出管材中加热机头后接 冷却水套 ,并将芯轴延长出水套外 。在转速超高分子量聚乙烯挤出管材成型设备与技术86为 18 r/ min 条件下 , 连续均匀出管大约 015m 长后 ,在圆周方向上一边出料过快 ,一边出 料较慢 ,形成管边鼓胀 ,不能连续出管 。分析 其原因主要可能是 :冷却芯轴的收缩比不合适 , 管材向前 推进的阻力增大 ,造成推进力分布不均 ,导致 内芯与外套偏心 ,无法挤出 。挤出机出料出现波动现象 , 物料在模 具中前进过程中出现停留现象 ,随着轴向压力的增加 ,径向压力会造成不均 。通过冷却定径套 , 管材的温度没有降 到热变形温度以下 。从以上分析可知 :挤出机的螺杆设计和模 具设计非常关键 。在挤出机出料正常的前提下 ,模具的长度 、流道的压缩比 、流道表面的光 洁度 、芯轴的收缩比 、冷却套的长度和冷却水 温度等是得到较好管材的主要影响因素 ,整个 挤出过程很难控制 ,时常出现异常现象 。41112 外定径由于 采 用 内 定 径 很 难 得 到 质 量 较 好 的 u hm w p e 管材 , 所 以 采 用 了 真 空 水 槽 式 冷 却定径 ,并取得了很好的效果 。在管和定径套之间由于水膜的润滑作用 ,大大减少了定 径套与塑料管之间的摩擦力 ,所以这种定径 方式适合高速生产 ,并确保了管材的质量 。图 9 真空水槽法设计的关键参数有 : 定径套的长度和内 径的确定 ,根据不同尺寸模具设计经验和多 次实验的结果总结出推荐尺寸见表 2 所示 。表 2 uhmwpe 管材外真空定径套及口模的推荐尺寸定径套口模( 11011105) 管外径( 11011106) 管外径进口直径口模内径1101 管外径出口直径口模定型长度 ( 35) 管外径 ,大直径取小值 ,小直径取大值( 35) 管外径定径套长度本体材质 ,所以热合缝强度不低于本体材质性 能 , 该 技 术 的 研 究 成 功 将 进 一 步 扩 宽u hm w p e 管材的应用范围 。结束语通过对超高分子量聚乙烯单螺杆挤出成 型技术的研究工作 ,使我国超高分子量聚乙 烯成型加工技术得到进一步的提高 ,能够做 到连续稳定高效率的生产 u hm w p e 管材制 品 。目 前 研 制 的 机 组 已 能 够 生 产 外 径 200 mm 以下管材 , 在此 技 术 的 基 础 上 正 在 开 发 更大管径的管材和异型材成型技术 ,不断扩 大 u hm w p e 在实际生产中的使用范围 。同 时对 u hm w p e 管 道 的 连 接 问 题 进 行 了 研 究 ,同有关厂家联合开发出了 u hm w p e 热 熔焊接机 ,因熔接形成的热合缝系利用管材5参考文献kunst stoffe ,1983 (73) 1 , 28日本专利 :特开昭 47 - 34455日本专利 :特开昭 50 - 139159日本专利 :特开昭 51 - 92868h. 波坦特 . 挤出工程设计及计算 ,北京 :中国石化 出版社 ,1991 . 6c1 劳 温 代 尔 . 塑 料 挤 出 . 北 京 : 轻 工 业 出 版 社 ,1996 . 11林尚安 ,等 . 高分子化学 . 北京 :科学出版社 ,199812345672000 年 1 月中 国 塑 料87the equipment and technology f or uhmwpe pipe extrusionxue pi ng , he j i mi n , he yado ng and heshunlun( instit ute of plastics machinery and engineering , beijing u niversit y of chemical technology ,beijing 100029)abstractthis paper deals wit h u hm w p e pipe ext rusio n technology using special single2screw ext rud2 er , including t he design of special screw , die fo r pipes and fo r mulatio ns , as well as feat ures of p ro2 cessing technology , pipe cooling and sizing techniques etc.key words : u hm w p e , single screw ext ruder , pipe .欢迎加入全国塑料加工工业信息中心网全国塑料加工工业信息中心 (原全国塑料加工工业科技情报站) 业务上接受中国塑料加工工业协会和国家轻工业局信息中心的指导 。宗旨是广泛系统地收集 、分析和研究国内外塑料工业技术发展动向及市场经济 信息 ,为行业产品开发 、科技进步服务 。信息中心的前身情报站成产于 1985 年 ,同国内数千家塑料制品 、原料 、助剂 、加工设备生产厂和国外数百 家著名厂商和研究机构有着密切联系 。信息中心面向全国的塑料加工企业 ,是沟通行业内各专业厂家的枢纽 ,也是促进国内外厂商彼此合作的桥梁 。在信息处理计算机化的今天 ,信息中心已采用先进的