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直接混炼:塑料加工新方向

时间: 2011-07-15 06:03 来源: 作者: 点击:

通常来说,树脂生产(聚合)的步骤、树脂配混与树脂加工是按先后顺序(图1)分别进行的。对于加工商来说,配混常是很复杂的,要去避免这个复杂性。另外一方面,因为要满足终端产品的要求,针对每个特定用途来获得合适的混料就要付出越来越多的努力。加工商必须至少了解配混机的语言,因为否则他将不能估计出成分与工艺对产品性能产生的作用。而且,加工商必须能讲配混机的应用语言,目的是把他顾客的需要转化为混料将要满足的要求。这代表着获取必要技艺的第一步。以此方法,加工商获得了开始内部自行配混所必需的工具。


图1:制造、混炼、加工的细节

树脂制造商有着更大的生产设施(世界级)。与通常消耗相反,这些设施生产的不仅是单纯的通用树脂,而且更多的还是具有特殊分子结构的树脂。分子结构呈“梳形分子”。根据分子结构,相同分子量可以表现出明显不同的零剪切粘度值。低剪切率下的粘度可以按几种量级顺序而变化,并影响模头出来的熔体的延伸加工过程。

现代催化技术能在大规模生产设施中生产出定制的分子,这是新东西。所以,现在出现了大数量的特殊产品。然而,日常操作需要大得多的多样性,以满足多样的特殊要求。但是所需要的不只是昂贵的特种产品。根据用途,可以通过掺入聚合型填料生产这些产品,所需终端产品的性能可用合理价格、以最小的满意度而获得。这些方法已经为许多加工商所熟知,他们在把各成分定量加入到挤出机中的同时将它们混合。这就是通向直接挤出之路的第一步。

在独立配混厂进行的配混代表着一个中间步骤。他们有着与加工商和终端用户共同开发针对某一用途的配方的技能。对于许多中小型挤出与注塑操作来说,这通常是一种最为经济的解决方案。大型加工企业也可以考虑内部自行配混。操作越是专业化与越大,直接挤出的经济性就越是良好。除了工艺以外,质量与成本也是直接在加工企业的控制之下。内部自行配混的成本节省约为10%,而直接挤出约为30%。每一种情况都是不同的,只有分别计算才会提供精确的结果。

机器上的要求

配混可以在单螺杆或多螺杆挤出机上完成。然而,除了特殊情况以外,单螺杆挤出机被限制于简单配混操作当中。通过利用互啮自清扫型螺杆与组合式结构,同向旋转双螺杆挤出机具有很多的优点。对于每个加工作业来说,定制的套筒与螺杆形状可以被组装。紧密互啮的同转双螺杆挤出机已经被成功应用于多种聚合物当中,除了PVC-U。除此以外,还有多种特殊机器在直接挤出领域的重要性还不大。行星型辊子挤出机占据了特别的地位。它将齿啮合严重变形引起的良好分散与独一无二的散热结合在一起了。

迄今为止,当使用双螺杆而不是单螺杆时,加工量相同情况下的成本要高出许多。因为双螺杆的加工量随功率而提高,所以关系随尺寸增加而改善。自从双螺杆技术的初期以来,已经做出了套筒部分短的组合式系统。用一套组合式系统来处理尽可能多的加工作业已使这些系统价格不菲。在K2004展览上,出现了接受灵活性受限的初次尝试,目的是实现更为优惠的成本。除了用于中小规格的4D标准套筒长度以外,6D和8D套筒具有优势。对于类似在直接挤出中常碰到的单一用途系统,可以用上更长的套筒,在极端情况下甚至可用上一件式的套筒。在反转式双螺杆挤出机中,一件式的长套筒是标准件。螺杆也可以一件式地被做出来,但这只是在确实知道加工任务和出现的磨损少时才实用。

单独或预混地、以所谓分开加料技术把各成分加入到料斗及系统中对于直接挤出是典型的(图2)。聚合物与所有固体成分通过套筒口进入,它们占系统加工量的15-30%。紧接着熔融之后,占加工量30-60%的填料与增强物在一侧或更多侧喂料装置的帮助之下被添加进来。因为这些材料含有大量的气体,所以需要排气。接着就进行润湿以及与聚合物的融合。融合代表着典型的配混操作:混合、剪切与拉长。通常来说,挥发性成分必须通过真空被清除掉。最后的加工步骤是通过产生形状的模头,为过滤与排料积累压力。在这里,双螺杆有着不足。为此,齿轮以及偶尔甚至是单螺杆挤出机被用于积累压力。双螺杆螺纹越深,压力积累能力就越小。除了反转双螺杆挤出机以外的所有其它配混系统也需要压力积累装置,把熔体顶着模头而排出来。

必须注意到混炼机常见的很多细节。以细粉或粗粉的添加及在加料段的作用为例,这个问题将会更为清楚地被显示出来(图3):粗糙填料含有的气体少,可以在上游就被排掉。颗粒尺寸小的轻质填料含有大量的气体。如果气体在上游被清除,它会阻碍加料,并且干扰输送。当排气在下游进行时,小颗粒开始在捏炼模块中熔融,形成一种烧结块,所以挤出能以无尘的方式在高加工量的情况下进行。

在混炼中,螺杆形状对成功与否有着影响。熔融借助捏合块进行。在这里,会出现局部高压,把块状物压入到通常不会再破碎的所谓二次块结物之中。专门的混合段被用于混合。专门的捏合块组合确保在混合各种聚合物以及分散性混合添加物时,熔体具有一定的剪切率与拉伸率。螺杆流道中混合与剪切的效率约比专门混合与剪切段的低上两个数量级,这一般是正确的。这是混炼企业的技艺派上用场之处。

各种成分的添加

重要的成本因素与把各种成分加入到混炼机进料口与后续侧面加料装置有着联系。在这里也可以发现技艺的主要部分。实际上在定量加料时,每种成分的表现各不相同。只有圆形与大个的颗粒可以被简单地定量加入。多数添加物细小且带尘,呈小板或针形,需要有关处理方面的专门知识。对于储存、输送、向称重式喂料器的填充与排空,还很少有良好解决方案,太多的都是不足够的。在每一个行业展览会上,复杂散料处理的系统种类与制造企业以及持续进展都是一种惊喜。差动称重式加料器对固体与液体材料的称量极为准确。根据散料不同,排料系统有单螺杆或双螺杆、螺旋形、振动喂料器与泵。对于换色,易清洁或快换型加料斗找到了用武之地。

当称量各个成分时,精度是最为优先考虑的事情。差动称重式喂料器与也可被定义为批量混料器的所谓正式称重满足了这个要求。差动称重式喂料器对于每种成分都需要单独的称重系统,导致了比各个成分被定量加入的中央称重箱要高出许多的投资。以中央称重箱,可以节省到约一半的成本。当配方成分必须以很小量添加时,推荐进行预混料。如果各个工作台沿混料螺杆排列,预混料就可能连续发生,或者如果出现向批量混料器的定量加料,预混料就可能非连续进行。多种少量的各种成分常被混合在混料容器中,并被批量地定料加料。


图4:差动称重加料器沿混料螺杆的排列,量最少的成分被最后添加,并即刻粘合成混合物

沿混料螺杆排列的几个差动称重喂料器如图4以图表形式被表现出来。开始时加入了主要成分,接着是较少量的成分,如阻燃剂、着色剂和稳定剂。最后是加入最少量的成分,它们即刻粘合形成混合物。在这种排列(图5)当中,称重式加料器以节省空间的方式被置于混料螺杆的两侧。在这个图中,混料螺杆直接向左输送到喂料口当中。通过使用混料螺杆,系统由不带预混料的定量加料转化为带有预混料的定料加料,这使复杂过程能显著的稳定下来。经常会听到对定量加料工位高度的抱怨。带预混料的定量加料工位也可以位于挤出机的侧边。依靠螺丝钻,混合物被输送到挤出机中,不会出现分离。


图5:差动称重加料器在混料螺杆两侧的排列,直接向加料口中喂料

通过侧边加料机制向后面的熔体中添加填料与增强物是有优点的,因为聚合物可以首先熔融,然后固体被添加到部分填满的流道当中。为了避免附加的块结料,加料应当几乎无压力地进行。今天,添料是在两步之下进行。称重式加料器把填料与增强物输送到侧边加料装置的加料口中,侧边加料装置会体积测定地向部分填充的流道里加料。当加料由重量测定向体积测定转变时, 不注意操作者会导致侧边加料螺杆的加料口上方没有观察点的加料斗发生堵塞。事实上,称重加料器上的排料装置应当直接向双螺杆混炼机加料。除了过程控制更好以外,这也意味着更少的投资,即便差动称重式加料器是要贵出一点。系统也会更低,高度是另一个成本因素。

系统的控制

系统的控制元件是齿轮泵。它以恒速运转,提供流量一定的物料,积累把熔体排出模头所需的压力。稳定的压力在齿轮泵进口或在螺杆顶与换网器之间被保持。计量变化流经螺杆的极限时间需要一个等候期。螺杆速度的变化引起瞬间的反应,但随后螺杆空转,系统不正常反应。当重新起动时,混炼机可以逐级地被升至全速,目的是防止几乎空转的螺杆在低加工速度下运转。

配方的灵活性

在由定制配混厂得到配方方面,内部自行配混具有相同的自由度。自然必须考虑人工成本。一个优点是开发者能将注意力完全集中于他的产品、顾客及要求。外部配混厂的开发者常常有着来自多种应用的较丰富知识,但不一定有深度。这对不算昂贵的方法来说尤其如此。建议与所有的原材料和添加剂供应商进行密切的合作,以避免“象牙塔”式的开发。个人经验显示,在一种问题情况下,直到访问了约25个供应商,才找到解决方案。只有制造商才拥有高度专业化的技能与对所有细节和相互关系的足够认识。

进料的检验

供应商有着最多的知识与最好的机会来检查产品。建议针对每次发货都要求有工厂证书形式的生产控制数据。在发货时,树脂类型的证明是强制性的。不应当低估在供应商或在加工商自己的工厂里弄混淆的可能性。加工商自已的质量控制部门应当鉴别出树脂类型,并确定出产品的典型值,以证实供应商生产的均一性。花钱不多的测试方法用于此目的是足够的。由供应商提供的数据和内部确定好的数据应当通过统计工艺控制技术来比较稳定性。
在运输过程中的污染(特别是油轮中)并不是不常见的,必须进行检查。强烈推荐使用到货检测屏。

储存成本

当采购即用型混料时,必须注意最小的交货量与交货时间。为确保可用,一个大仓库必须备有货。因为规范变化或产品性能的一点改进需要对混料进行修正,所以这样的备货总是变得陈旧。如果可以用上标准材料,就可以降低成本与交货时间。这也意味着可以提供针对添加剂的最新技术,并保持灵活性上的优点。

回收材料的加入

在每个生产操作中都会有回收材料。依靠正确的机器技术,回收料可以被再引入与熔化。融合有时是困难的,特别是对于高粘度混料来说。当对废料进行破碎时,总会有细料可以在进行内部混炼时被回收。

通常,被回收料以一定数量的融合是可能的和经济的。通常,因为各成分在第二步加工操作中被分布得更好,所以重新引入不会产生问题。因重复熔融而引起的产品分解是很少看到的。

品质保证的成本

必须验证生产的质量,它涉及到一定的成本。例如,在收货时必须检查和测试所有的成分。另外一方面,各个成分的检测要比对复合物的检测较为简单,这可能会有问题,但不允许原因被指定。测试设备必须以鉴别为目标。制造商进行的质量控制测试也应当被参考(见“进料的检验”部分)。

也必须有对工艺稳定性与可靠性的验证。统计过程控制技术在这方面是很实用的。一个分级系统有助于确定生产的稳定性。

总结:直接挤出能节省加工步骤。它常有利于只有单一加热的作业,防止重新加热步骤。在估计有聚合物分解或高填充树脂的熔融有困难的地方,直接挤出绝对是有必要的。消除一个熔融步骤能把因为预加热而可能被分解或在第一位置难于熔融的聚合物与增强物结合在一起。

几乎总是有成本上的节省。直接挤出在高加工速率下尤其的经济。但是,必须把与配方和质量保证有关的额外支出铭记在心。

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