熱縮材料造粒工藝概述

涂文敏 劉磊 楊昭云 邢福發(fā) 王佰茂 王思聰

摘要：本文介紹了熱縮材料造粒的工藝流程，對(duì)單螺桿、雙螺桿擠出造粒設(shè)備及工藝參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)講解，方便了解雙螺桿擠出造粒幾個(gè)重要工序?qū)υ炝５挠绊?。并?duì)切粒工序、方式及優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)介紹。對(duì)核級(jí)電纜附件原料造粒工藝選擇進(jìn)行了概要性說明。

關(guān)鍵詞：熱縮材料、造粒工藝、雙螺桿擠出、切粒、核級(jí)電纜附件

Abstract：This paper introduces the process of heat shrinkable material granulation，single screw，twin screw extrusion granulation equipment and process parameters are explained accordingly，it is convenient to understand the twin screw extrusion granulation several important processes on the impact of granulation.And the cutting process，methods and advantages and disadvantages are introduced in detail.The selection of granulation technology for raw materials of nuclear grade cable accessories is summarized.

Key words：heat shrinkable material，granulation process，twin screw extrusion，granulation，nuclear cable accessories

一、前言

工程塑料材料生產(chǎn)工藝，當(dāng)前常規(guī)工藝仍是采取先將原料混合一起進(jìn)行造粒，再用造好的母粒進(jìn)行擠出、注塑生產(chǎn)為各種產(chǎn)品。原料混合進(jìn)行造粒，作為工程塑料產(chǎn)品生產(chǎn)的第一道環(huán)節(jié)，優(yōu)越造粒質(zhì)量對(duì)材料性能及穩(wěn)定性是首要保障，對(duì)后續(xù)產(chǎn)品生產(chǎn)工藝控制穩(wěn)定性與一致性非常關(guān)鍵。

熱縮材料作為一種主要用于電子、電力行業(yè)的絕緣防護(hù)新型工程塑料，在絕緣防護(hù)方面的運(yùn)用越來越廣泛與深入。核級(jí)電纜附件就是熱縮材料用于核電站建設(shè)內(nèi)部線路連接安全防護(hù)的必要產(chǎn)品。作為需在嚴(yán)酷惡劣環(huán)境中長久穩(wěn)定耐用的高性能高要求產(chǎn)品，每一道生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)精準(zhǔn)控制對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量性能至關(guān)重要。本文主要對(duì)熱縮材料生產(chǎn)環(huán)節(jié)中造粒環(huán)節(jié)進(jìn)行介紹。

二、熱縮材料造粒工藝流程

2.1造粒工藝流程

熱縮材料造粒生產(chǎn)工藝總體流程為原料稱重-混合-塑化-造粒，具體細(xì)化到設(shè)備類型有下邊幾種形式：

A，配方稱重-密煉塑化-單螺桿擠出造粒-稱重封包;

B，配方稱重-原料混合-密煉塑化-單螺桿擠出造粒-稱重封包;

C，配方稱重-原料混合-密煉塑化-錐雙喂料-雙螺桿擠出造粒-稱重封包;

D，配方稱重-原料混合-密煉塑化-錐雙喂料-雙螺桿塑化擠出-單螺桿擠出造粒-稱重封包;

E，配方稱重-原料混合-密煉塑化-單螺桿擠出造粒-混合-雙螺桿擠出造粒-稱重封包;

F，配方稱重-原料混合-雙螺桿擠出造粒-稱重封包。

配方稱重從原始的人工計(jì)量稱進(jìn)行逐個(gè)原料稱重，到現(xiàn)在發(fā)展到按原料配方進(jìn)行全自動(dòng)計(jì)量配混。常規(guī)原料混合方式采用較多的就是高速混合機(jī)、臥式攪拌機(jī)，也有中間螺桿低速旋轉(zhuǎn)從底部將物料螺旋提升高處流向四周循環(huán)高低流動(dòng)的混合機(jī)，混合機(jī)樣式比較多樣化。

密煉塑化工藝主要是密煉機(jī)對(duì)物料進(jìn)行塑化，常規(guī)密煉是批次式（間歇式）密煉。從工藝流程中可以看出，密煉工藝也是在大部分工藝流程中使用，是為成熟通用的混煉工藝流程。密煉機(jī)通過兩個(gè)大轉(zhuǎn)子在密煉槽內(nèi)部差速異向轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)物料進(jìn)行攪拌、剪切，加上壓錘加壓，物料在密閉的空間內(nèi)溫度急劇上升達(dá)到樹脂熔融溫度，最終形成煉熟物料。近年來連續(xù)密煉機(jī)的運(yùn)用與發(fā)展也進(jìn)入快速階段;國際上主要以法雷爾連續(xù)密煉機(jī)為主[1]，國內(nèi)較多新型塑膠行業(yè)設(shè)備廠家開始連續(xù)密煉機(jī)的研制。

單螺桿擠出或雙螺桿擠出造粒是為造粒不可缺少的工藝環(huán)節(jié)，是為造粒工藝流程的核心。第四種工藝流程，雙螺桿與單螺桿擠出前后聯(lián)系組合，也簡稱為雙階造粒流程。常用雙螺桿擠出造粒是平行同向雙螺桿擠出機(jī)，后面工藝要素重點(diǎn)介紹。

核級(jí)電纜附件原料造粒的生產(chǎn)應(yīng)當(dāng)確保原料各組分能夠充分分散與分布均勻，達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。工藝流程的選擇應(yīng)遵循這一目標(biāo)，達(dá)到混煉、塑化最全面。

2.2造粒方式

熔體經(jīng)過擠出機(jī)的機(jī)頭流道在螺桿推送壓力傳遞下被擠出，通常是通過多孔長條形口?；蛘叨嗫讏A形模面形成料條。料條出來后有進(jìn)行先冷卻再切粒，或者先切粒再冷卻，或者冷卻與切粒同時(shí)進(jìn)行三種形式。

A、先冷卻再切粒：有水槽冷卻與風(fēng)機(jī)冷卻兩種。將料條進(jìn)入水槽于冷卻水充分接觸冷卻（如圖1），根據(jù)冷卻需要配置相應(yīng)長度與水溫，料條達(dá)到冷卻溫度范圍，吹干機(jī)吹除水分進(jìn)入切粒機(jī)進(jìn)行切粒;風(fēng)機(jī)冷卻也是料條在長長的不粘網(wǎng)帶面上被牽引，同時(shí)配置多個(gè)風(fēng)機(jī)進(jìn)行吹風(fēng)冷卻，達(dá)到冷卻溫度范圍進(jìn)入切粒機(jī)切粒。

B、先切粒再冷卻：此種方式主要為水環(huán)切粒（如圖2），熔體經(jīng)圓形模面孔出來被旋轉(zhuǎn)的切刀切成小段，經(jīng)旋轉(zhuǎn)刀片的帶動(dòng)，切成小段的料條粒子被甩到罩子圓周方向，圓周方向流動(dòng)的水環(huán)將粒子的帶走同時(shí)進(jìn)行冷卻，最后進(jìn)入到振動(dòng)篩、離心機(jī)進(jìn)行除水。

C、冷卻與切粒同時(shí)進(jìn)行：此種方式主要為風(fēng)冷模面切粒（圖3）或者水下切粒。模面處于冷卻風(fēng)或者冷卻水包圍之中，熔體經(jīng)過模面孔出來就開始進(jìn)行冷卻，同時(shí)切刀將熔體切成小段，并在冷卻風(fēng)或者水中繼續(xù)進(jìn)行冷卻，直至冷卻到工藝溫度要求。

以上三種方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，用水冷卻的方式比較快捷，能耗相對(duì)比較低，但是料粒的含水率通常相對(duì)高一些，通常含水率在2%以上;如果要求降低含水率，需要增加額外的干燥工藝與設(shè)備。風(fēng)冷卻的方式通常需要多級(jí)風(fēng)冷，足夠長的風(fēng)道與多級(jí)料管進(jìn)行冷卻，因?yàn)槿垠w本身自含水分非常低，而風(fēng)機(jī)吹風(fēng)中水分因?yàn)榻佑|時(shí)間非常短，料粒中的含水率可以保證在極其低水平，基本忽略不計(jì);但也因?yàn)樾枰嗉?jí)風(fēng)機(jī)、料管，能耗、噪音及粉塵廢氣污染量增加，需要增加相應(yīng)環(huán)保措施。隨著產(chǎn)品性能對(duì)低含水率的要求越來越高，風(fēng)冷切粒方式的選用比例越來越多。核級(jí)電纜附件原料造粒，為了保證極低的含水率，選用風(fēng)冷切粒方式進(jìn)行造粒比較合適。

三、熱縮材料單螺桿與雙螺桿造粒

3.1單螺桿擠出造粒

單螺桿擠出造粒主要對(duì)熔融物料進(jìn)行輸送建壓，將熔體從機(jī)頭擠出，擠出機(jī)機(jī)頭連接切粒裝置及后續(xù)的冷卻輔助工藝設(shè)備，完成擠出造粒過程。。單螺桿擠出造粒機(jī)設(shè)備參數(shù)主要為螺桿直徑、長徑比、壓縮比等;生產(chǎn)工藝參數(shù)主要是螺桿轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速、喂料頻率、機(jī)筒各段溫度、機(jī)頭溫度、熔體溫度與熔體壓力。

單螺桿擠出造粒更多作用是在對(duì)熔體進(jìn)行輸送，其長徑比相對(duì)用來擠最終產(chǎn)品劑型來說比較小，對(duì)物料的進(jìn)一步剪切塑化程度是比較弱的。因此對(duì)于一些產(chǎn)品質(zhì)量要求不高，其熔體剪切塑化強(qiáng)度低些，常采用密煉及單螺桿造粒簡單工藝流程。而對(duì)于產(chǎn)品性能要求較高，不采用雙螺桿剪切塑化是達(dá)不到產(chǎn)品質(zhì)量要求的。

3.2雙螺桿擠出造粒

3.2.1雙螺桿結(jié)構(gòu)

雙螺桿擠出造粒主要通過同向嚙合雙螺桿的輸送、剪切塑化、脫揮，將熔體組分分散均勻，并經(jīng)機(jī)頭擠出造粒。雙螺桿擠出機(jī)設(shè)備主要參數(shù)為螺桿直徑（外徑）D0、長徑比L/D0，其性能指標(biāo)為容積率D0/D1、比扭矩Md/a3、最高轉(zhuǎn)速nmax。其中D1為螺桿底徑，Md為螺桿能夠傳遞的最大扭矩，a為螺桿中心距。容積率決定了螺桿剪切速率、喂料機(jī)排氣能力;比扭矩決定了擠出機(jī)的加工能力;轉(zhuǎn)速?zèng)Q定螺桿剪切水平及混合水平。如圖所示4所示。

雙螺桿的兩根嚙合螺桿，是兩條完全一樣的螺紋元件組合但相互之間相位相差90°螺桿，轉(zhuǎn)速相同，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)保持相互嚙合，因此雙螺桿有保持螺桿上不粘料的自潔性能[2，3]。雙螺桿包含螺紋元件、芯軸、螺桿頭，螺紋元件分為不同規(guī)格的輸送元件、剪切元件、混合元件，通過不同規(guī)格組合形成螺桿具有不同剪切塑化輸送能力。螺桿從尾部開始，可以分成加料段、熔融段、輸送段、混合段、排氣段、均化段、脫揮段、計(jì)量段。如圖5、6所示是雙螺桿三維圖及二位圖表示樣式。

3.2.2雙螺桿擠出造粒影響要素

雙螺桿擠出造粒影響要素主要為螺紋元件組合、機(jī)筒各級(jí)溫控與壓力、及真空度。通過調(diào)整螺桿組合，可以滿足不同配方物料的生產(chǎn);雙螺桿機(jī)筒每一段溫控對(duì)物料性能影響大，設(shè)定最優(yōu)溫度范圍并冷卻系統(tǒng)精準(zhǔn)控溫是保證熱縮材料性能一致性保證;真空脫揮對(duì)材料里面揮發(fā)成分的去除至關(guān)重要，否則已出現(xiàn)料粒含有揮發(fā)成分與氣孔，對(duì)后續(xù)產(chǎn)品擠出影響表觀及相關(guān)性能。

另外，螺桿與機(jī)筒之間的間隙直接影響到物料的剪切塑化能力，同時(shí)影響螺桿的自清潔性能，嚴(yán)重時(shí)候無法正常生產(chǎn);通過對(duì)生產(chǎn)的持續(xù)觀察，螺桿直徑在磨損1mm以上，對(duì)熱縮材料生產(chǎn)造成非常不利影響，產(chǎn)能降低、真空冒料或堵料，料粒存在氣孔等，因此需要及時(shí)更換螺紋元件才能保證產(chǎn)品質(zhì)量。

四、總結(jié)

1、熱縮材料造粒工藝流程有多種形式，主要為密煉、單螺桿擠出、雙螺桿擠出不同配置形式組成，形成不能加工能力以滿足不同性能產(chǎn)品造粒需求。

2、密煉塑化后單螺桿擠出造粒，適合對(duì)剪切塑化要求不高產(chǎn)品造粒;雙螺桿擠出造?？蓾M足對(duì)剪切塑化要求高的產(chǎn)品需求。

3、切粒方式多樣化可滿足生產(chǎn)多方面需求。

參考文獻(xiàn)

[1]E.L.Canedo and L.N.Valsamis，in PLastics Compounding：Equipment and Processing，edited by D.B.Todd，Hanser，Munich（1998）.

[2]M.Ullrich in Co-Rotating Twin Screw Extruders，edited by K.Kohlgruber，Hanser，Munich（2007）.

[3]M.L.Booy，Polym .Eng.Sci.，18，978（1978）.

課題編號(hào)：2019ZX06002019

課題名稱：嚴(yán)酷環(huán)境1E級(jí)電纜接頭及終端套件研制