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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，聚烯烴類化合物的應(yīng)用要求逐步提升，繼續(xù)推動PP、PE升級性能極限，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？

對于許多材料，一種（或幾種）物理或美學(xué)特性可以通過摻入纖維和/或礦物填料來改善，而其他特性有時會顯著降低。

一個例子是向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，增加負(fù)載會降低極限伸長率。另一個例子是玻纖填充PP。同樣，拉伸強(qiáng)度和彎曲模量會隨著玻璃纖維的添加而增加，而伸長率下降。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。

使用礦物填料時需要考慮幾個參數(shù)， 其中一些參數(shù)會影響材料與基礎(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，它被定義為顆粒長度與其厚度的比值。對于縱橫比在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，填料也會增強(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)展是在線加工長纖維技術(shù)（LFT）。在這個過程中，玻璃或其他連續(xù)粗紗被送入擠出機(jī)，與聚合物基質(zhì)混合并潤濕，以將纖維長度保持在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爭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面臨這些挑戰(zhàn)。對于含有滑石粉、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θ菀准庸ぁ?br />
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)一百萬納米厚的片晶中。主要困難是粘土，即使經(jīng)過處理，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）各有特定的復(fù)合要求。纖維，無論是粗紗還是短切纖維，都需要在復(fù)合過程中松開并保持臨界長度。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)長期以來一直是此類混煉功能的首選設(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。 （由于篇幅長度限制，我們將原文分為上下兩篇，本篇將分析各類礦物填料增強(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)容以及對真空排氣性能的優(yōu)化）

加工礦物填料

許多不同類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档筒牧系膹椥?，使其更脆?br />
滑石是用作聚烯烴填料的柔軟的礦物。縱橫比為2-20，可用于補(bǔ)強(qiáng)。可以用滑石粉改進(jìn)的一些典型特性是HDT和耐磨性。滑石具有疏水表面，因此與有機(jī)化合物的相容性非常好，在汽車應(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，經(jīng)常會遇到進(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。雖然與混合沒有直接關(guān)系，但夾帶的空氣可能會限制可以使用的混合設(shè)計類型。

一個例子是具有強(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添加劑入口。這會導(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)計應(yīng)允許空氣向下游流動。

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處的第二個側(cè)進(jìn)料器用于剩余的填料。由于機(jī)筒6中有一個排氣口，來自機(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。帶有窄圓盤的捏合塊元件，長度約為?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。對于此類填料，需要低剪切以避免損壞填料結(jié)構(gòu)。

窄盤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。椎間盤的機(jī)械強(qiáng)度限制了它的厚度。避免強(qiáng)度問題的一種方法是使圓盤的尖端變窄，但讓根部變厚。圖2 顯示了來自此類元素的單個圓盤。該元件通過使相反螺桿軸上的元件的圓盤偏移來進(jìn)一步降低壓力。這樣，當(dāng)元件旋轉(zhuǎn)時，兩個波峰在穿過頂點(diǎn)時發(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)是通過增加進(jìn)料和筒壁之間的摩擦系數(shù)來提高輸送效率，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)和輸送效率是通過對進(jìn)料區(qū)的筒壁的特殊設(shè)計部分施加真空，將一層原料材料“粘附”到筒壁的一部分來實(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，則該過程的功效會降低。然而，該系統(tǒng)設(shè)計為通過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產(chǎn)生問題，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)。

通過多孔筒材料施加真空，聚合物或填料周圍的空氣在其通過FET筒段插入件時被抽空。當(dāng)空氣被吸向插入物時，它會將顆粒帶向插入物表面。空氣通過但是材料會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旋轉(zhuǎn)的螺桿不斷更新。此外，當(dāng)粉末通過螺桿時，其堆積密度會增加。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的速度會降低單位產(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，這反過來意味著材料發(fā)生降解或穩(wěn)定劑消耗的可能性較小。