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本文從熱熔融擠出、微納層叠擠出、反應擠出、特種加工和擠出加工線上檢測技術發展和多螺杆擠出介紹了國內擠出加工技術的應用進展。


熱熔融擠出技術擠出過程。
熱熔融擠出技術擠出過程。
相片: 123
近年來,擠出生產線能逐漸成為中國擠出巿場主力的主要原因是輔助設備與模具技術的不斷成熟與發展。

塑料製品的擠出加工技術主要分為兩類:一種是以單螺杆擠出為主,用於一般薄膜、異型材、電線等成型加工;另一種是以雙螺杆擠出為主,以共混方式得到製品。

除了這兩類主要的擠出技術之外,隨着高分子材料的發展,尤其是聚合物共混改性的飛速發展,多螺杆擠出技術也得到了更好地發展。

熱熔融擠出

熔融擠出成型(FDM)工藝的材料一般是熱塑性材料,如ABS、PC、尼龍等,以絲狀供料。

材料在噴頭內被加熱熔化。噴頭沿零件截面輪廓和填充軌跡運動,同時將熔化的材料擠出,材料迅速固化,並與周圍的黏結。每一個層片都是在上一層上堆積而成,上一層對當前層起到走位和支撐的作用。

隨着高度的增加,層片輪廓的面積和形狀都會發生變化,當形狀發生較大的變化時,上層輪廓就不能給當前層提供充分的定位和支撐作用,這就需要設計一些輔助結構“支撐”,對後續層提供定位和支撐,以保證成型和順利實現。

太原工業學院材料工程系的張偉等人採用熔融擠出法製備了聚丙烯/粘土/三元乙丙橡膠(PP/Clay/EPDM)複合材料。通過研究表明:複合材料的衝擊強度隨着EPDM含量的增加呈先增大後減小的趨勢,小含量時韌性明顯提高,當EPDM質量含量為15%時,材料的衝擊強度最佳,斷面為韌性斷裂;複合材料的熱氧穩定性提高,而拉伸強度、耐熱性略有下降。

中國石油化工股份有限公司上海石油化工研究院的況軍等人通過雙螺杆熔融擠出共混製備得到不同含量比聚乳酸(PLA)/醋酸丁酸纖維素酯(CAB)共混物。經過研究發現:CAB在PLA基體中主要以納米顆粒狀的形式分散,平均尺寸約為160nm,並且CAB在質量含量較高時可形成逾滲網絡結構。CAB及其網絡結構能夠有效抑制PLA鏈段的運動,從而降低其結晶速率。

近年來熱熔融擠出技術的應用越來越廣泛,主要是指藥物、聚合物載體等在熔融狀態下混合,以一定的壓力、速度和形狀擠出形成無定形產品的一種技術具有連續化操作、減少粉塵、操作簡單、不使用有機溶劑等特點。

南京中醫藥大學藥學院、江蘇省中藥高效給藥系統工程技術研究中心、江蘇省中藥資源產業化過程協同創新中心等單位聯合研究出當螺杆轉速為100 r/min,機筒溫度為130~160℃,冷卻方式為液氮冷卻時對固體分散體的最佳熱熔擠出技術製備工藝,當以此條件製備薑黃素固體分散體時,藥物以無定形態分散在載體中藥物與載體間形成較強的相互作用。

微納層叠擠出

微納層叠擠出系統主要有多台擠出機構成的塑化共擠部分、匯流單元、分流單元、層倍增單元、擠出口模及成型裝置等輔助設備組成,其中核心部件為層倍增單元,也是各種微納層疊技術的創新所在。層倍增單元通常需滿足分割效率高、分層過程壓力損失小、可應用的聚合物範圍廣、同時儘量避免流道存在滯留區域等要求。

北京化工大學機電工程學院戴坤添等人通過研究得出微納層叠擠出過程中的剪切及拉伸作用使碳納米管(CNTs)在高抗沖聚苯乙烯(HIPS)基體中發生取向,且當層數增加時,其取向效果越明顯,但碳納米管的取向造成導電網絡被破壞,從而導致了交流電導率輕微的下降,但在這種情況下可形成更多的微電容結構,從而提高了複合材料的介電常數。最終可得出微納層叠擠出技術對複合材料介電與導電性能是有影響的。

北京化工大學機電工程學院劉程林、楊衛民、焦志偉等人採用實驗室自主設計的微納層叠擠出成型設備,製備了1層、9層和81層的線性低密度聚乙烯(LLDPE)實驗樣品。

研究得出9層、81層LLDPE的結晶度較1層LLDPE結晶度的38.56%分別提高到50.62%和54.42%,從而可知微納層叠技術,提高了LLDPE的結晶度。

除此之外,通過此技術還可以提高LLDPE沿擠出方向(MD)和垂直於擠出方向(TD)的取向度和拉伸強度,具有雙向拉伸作用,且扭轉層叠單元的使用個數越多,雙向拉伸效果越明顯。

反應擠出
反應擠出所用設備雙螺杆擠出機。
反應擠出是近20年來迅速發展起來的高新技術,同時也是高分子材料反應加工學科的重要組成部分。它主要應用於現有聚合物的功能化、聚合物製備、材料的高性能化改性等領域。

所謂反應擠出(reactiveextrusion又名反應性擠出、擠出反應),是把擠出機作為連續化的微背混式柱塞流反應器,使欲反應的混合物在熔融擠出過程中可以同時完成指定的化學反應。

反應擠出還是理想的高粘度物料熔態反應方法,原因是,其對擠出機螺杆螺筒上的各個區段進行獨立的溫度控制、物料停留時間控制和剪切強度控制,使物料在各個區段傳輸過程中,完成固體輸送、增壓熔融、物料混合、熔體加壓、化學反應、排除副產物和未反應單體、熔體輸送和泵出成型等一系列化工基本單元操作,除此之外它還具有利用擠出機處理高粘度聚合物的獨特功能。

大連理工大學化工學院高分子材料系王益龍等人通過反應擠出可以對聚丙烯(PP)進行微交聯改性。研究的結果表明:DCP是最佳的PP微交聯引發劑,當其加入量僅為0.04%時,即能使其產物中有少量β晶生成,改善其力學性能。同時,DVB(用量0.5%)與PP發生微交聯反應,生成0.51%的凝膠,使產物的熔體強度比原料提高4倍,結晶度和維卡軟化溫度也有一定程度的提升。聚合物成型加工工程教育部重點實驗室華南理工大學聚合物新型成型裝備國家工程研究中心在製備聚烯烴熱塑性彈性體接枝苯乙烯時,是以聚烯烴熱塑性彈性體(POE)作為基體材料,苯乙烯(St)作為唯一接枝單體。通過研究得出:合適的轉速、加工溫度、引發劑用量以及單體用量的情況下,最高的接枝率可達7.81%。

特種加工

火炸藥加工

火炸藥加工主要是通過雙螺杆擠出工藝技術來實現的。雙螺杆擠出工藝可實現加工製備發射藥、推進劑、炸藥和煙火劑等多種不同產品,並實現連續化、自動化,減少生產環節和運輸步驟,縮短了生產週期。

國外在火炸藥加工方面的研究比國內要成熟一些,在2004年前後,美國海軍地面武器研究中心與德國火炸藥研究所(ICT)通過聯合攻關將線上監測儀器應用到了37mm雙螺杆擠出機上,實現了線上檢測溫度、壓力等參數,顯著提高了雙螺杆擠出機生產安全性,並成功製備了海軍用的兩種塑料粘結炸藥PBXN-106和PBXN-109。

除此之外國外也已經完成了火炸藥雙螺杆擠出自動化試製線的建設,並且進行了PAX-3 炸藥的試製。

異型材擠出

近年來,塑料異型材因節能環保的優點而具有較高的使用率。塑料異型材主要是由擠出模加工成型,首先將擠出機擠出的熔融塑料經過模頭加熱、分流、成型,然後通過定型模和水箱的定型及冷卻得到需要的產品。

合肥工業大學機械工程學院胡延平等人針對塑料異型材擠出模結構隨形設計較多、冷卻系統設計複雜,整體設計效率低的問題,開發出了一種塑料異型材擠出模數字化系統。通過對型材截面分析,系統搭載了基於智能直通演算法以及S形水路演算法的3種水路,進行冷卻系統設計,通過實踐證明,該系統對有效的提高擠出模的設計效率與質量有重要意義。

擠出加工線上檢測技術

隨着高性能聚合物材料的發展,聚合物混合加工不再是獨立於聚合反應及結構性能表征的單純物理成型過程,而是決定聚合物複合材料最終性能的核心環節。

聚合物擠出加工能有效地將聚合物熔融和機械混合的優勢結合在一起,是製備高性能聚合物材料的重要手段。然而,擠出機複雜的幾何結構和瞬態流動特征導致了擠出加工過程中的流動和混合非常複雜。因此, 擠出加工過程,開發即時的線上檢測技術尤為重要。

化學工程聯合國家重點實驗室、浙江大學化學工程與生物工程學院聯合研發,從聚合物熔體的流動、混合和反應等角度綜述了近些年來聚合物擠出加工過程中各種線上檢測技術,從而可知聚合物線上檢測技術已將光譜技術、超聲技術和螢光技術等檢測技術應用於線上測量擠出停留時間、複合體系相形態和擠出反應與降解。

多螺杆擠出

多螺杆擠出機通常指機筒中有三根以上螺杆的擠出機。螺杆可配置成一字形或V字形。從工作機理方面來講,雙螺杆擠出機與多螺杆擠出機是一樣的,故雙螺杆擠出機相對於單螺杆擠出機來說有時也被稱作多螺杆擠出機,而多螺杆擠出機使聚合物熔體有較大的比表面,有利於揮發物從熔體中脫出,主要用於混配、反應擠出、聚合物精製、聚合物溶液濃縮等操作。

多螺杆擠出機以其優異的混合特性、較好的產能比、較小的長徑比已在功能塑料的製備、高亮度塗料的製備和富有營養及色香味具佳的新型方便食品的加工領域得到很好的應用。多螺杆擠出對擠出技術的研究具有實際的應用意義。

北京化工大學機電工程學院、教育部高分子材料加工裝備工程研究中心的姜李龍等人採用短切玻纖製備纖維增強聚苯醚(PPO)複合材料,研究了三螺杆擠出機的加工工藝對玻璃纖維增強PPO性能的影響。

經過研究表明:加工工藝參數對複合材料的力學性能具有一定的影響,適宜的加工工藝可以使玻纖和基體本身的優良性能更充分的表現出來。對比等剪切強度的雙螺杆、三螺杆擠出機因中心區拉伸場的存在,進一步促進了玻纖的分佈,進而提升了複合材料的性能。

北京化工大學楊昆曉等人通過三螺杆擠出機模擬機對熔體替代料進行擠出實驗。對三角形排列三螺杆擠出機、一字形排列三螺杆擠出機及雙螺杆擠出機的熔體輸送能力進行了系統評價。通過研究表明,相對於其他類型擠出機來說,三角形排列三螺杆擠出機有更高的熔體輸送能力及能耗水準,且無量綱參數評價體系具有更廣泛的適用性和更高的可靠性,可用於擠出加工設備的選擇。

結語

近年來,塑料擠出技術取得了顯著的進步,其發展總趨勢是不斷滿足高分子製品向高產量、高度精密化、高度集成化等方面發展的要求,實現對製品材料的組織形態、聚集態、相形態等方面的控制,或實現對製品進行異質材料的複合。從而最大程度地發揮了聚合物的特性,達到製品高性能的目的。因此深入研究塑料擠出技術,克服製品中出現的缺陷,對科技進步與人們高標準的生活要求有重要意義。

要點總結:
  • 熱熔融擠出技術具有連續化操作、減少粉塵、操作簡單、不使用有機溶劑等特點
  • 微納層叠擠出系統核心部件為層倍增單元,也是各種微納層疊技術的創新所在
  • 反應擠出還是理想的高粘度物料熔態反應方法
  • 雙螺杆擠出工藝可實現加工製備發射藥、推進劑、炸藥和煙火劑等多種不同產品,並實現連續化、自動化,減少生產環節和運輸步驟
  • 塑料擠出技術不斷發展,以滿足高分子製品向高產量、高度精密化、高度集成化等方面發展的要求。

(李哲1,孫靖堯1*,黃堯1,鄭秀婷1,許紅1,莊儉1,劉穎2,吳大鳴1,2 / 1. 北京化工大學機電工程學院,2. 北京化工大學有機無機複合材料國家重點實驗室)



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