楊衛(wèi)波 周延輝 肖書平 喻慧文 徐百平*

(1.五邑大學智能制造學部,廣東 江門,529020；2.廣東輕工職業(yè)技術學院,廣東省高分子材料先進加工工程技術研究中心,廣東 廣州,510300)

捏合塊是擠出機中廣泛使用的一種元件,其和機筒之間形成了若干分隔的通道,當物料向前經(jīng)過捏合盤時,會分流、合流和回流,從而提高了物料的混合效果[1]。但捏合塊存在高剪切、積料及自潔功能較差等問題,且在高速旋轉(zhuǎn)下,捏合塊會因物料擠壓而偏離理想位置,造成相互摩擦,引起局部升溫。為克服這些缺陷,徐百平課題組研制了一種攝動環(huán)同向差速螺紋元件[2],利用新型元件的徑向強拉伸作用替代捏合塊的側(cè)向嚙合強剪切作用,進一步提高自潔功能。數(shù)值模擬、可視化研究和試驗表明這種新型雙螺桿具有優(yōu)異的混合能力[3-4]。在不使用任何相容劑的情況下,對固定配比的聚丙烯(PP)與丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)簡單共混,通過掃描電子顯微鏡(SEM)表征和力學性能測試,探究新型攝動環(huán)元件替代捏合塊的可行性及攝動環(huán)元件的混合加工性能,為制備性能更加優(yōu)異的高分子材料提供新方法和新設備。

1 試驗部分

1.1 主要原料及儀器設備

PP,PPH-T03,熔體流動速率(MFR)為3.0 g/10 min,中國石油化工股份有限公司茂名分公司；ABS,PA-757,MFR為1.8 g/10 min,臺灣奇美實業(yè)股份有限公司。

同向非對稱差速雙螺桿擠出機,J WP35,廣東輕工職業(yè)技術學院、廣東省高分子材料先進加工工程技術研究中心與五邑大學智能制造學部聯(lián)合研制；注塑機,CJ110E II,震德塑料機械有限公司；電子萬能試驗機,CMT4204,新三思材料檢測有限公司；沖擊試驗機,XJU5.5,承德市金建檢測儀器有限公司；掃描電子顯微鏡(SEM),Pheno m pure+,荷蘭Pheno m公司。

1.2 樣品制備

將PP與ABS置于干燥箱中80℃干燥8 h,再在高速混合機中混合5 min后得到預混料,其中,共混體系中分散相ABS質(zhì)量占比為10%。將預混料放入差速雙螺桿擠出機中擠出PP/ABS共混物樣條并造粒。將PP/ABS共混物粒料置于干燥箱中80℃干燥4 h后,注塑成標準樣品用于力學性能測試。擠出過程中,螺筒至機頭的溫度設置為170,180,190,190,195,200,200,200,195,190℃(機頭)。

1.3 同向差速雙螺桿攝動環(huán)結構及排布改造

攝動環(huán)元件所組裝成的螺桿結構示意如圖1所示,黃色部分為攝動環(huán)面,左螺桿和右螺桿分別是單頭螺桿和雙頭螺桿,當2個螺桿做差速旋轉(zhuǎn)運動時,嚙合區(qū)相互刮擦,加工過程中可實現(xiàn)自潔功能。如圖1(a)所示,虛線為攝動環(huán)相切圓,單頭螺桿的小徑、大徑和攝動圓弧半徑分別由DE,FA,BC構成,截面構型沿垂直路徑旋轉(zhuǎn)拉伸,DE和D1E1,D2E2相互嚙合形成攝動環(huán)結構[5]。螺桿橫截面對稱性被攝動圓弧的引入進一步打破,擠出過程中攝動環(huán)元件在嚙合區(qū)發(fā)生周期性的交錯嚙合,使螺桿與機筒間產(chǎn)生明顯的空間變化從而加速物料的熔融和混合。這次試驗采用攝動環(huán)元件改裝排氣段上游部分螺桿元件,螺紋元件內(nèi)、外徑分別為25.0,35.0 mm,單頭攝動環(huán)半徑為13.0 mm,對應雙頭攝動環(huán)半徑為17.0 mm,單、雙頭導程分別為16.0,32.0 mm,螺桿安裝中心距為30.2 mm,立體幾何結構如圖1(b)所示,上、下嚙合區(qū)及物料回流示意如圖1(c)和圖1(d)所示。

螺桿結構和改裝前后螺紋排布如圖2所示。

圖2中,差速雙螺桿長徑比為40,螺桿總長1 380 mm,混煉段長約301 mm,約占螺桿總長21.8%。為探究攝動環(huán)元件取代捏合塊的可行性及攝動環(huán)元件的混合加工性能,采用2種方案對混煉段進行改裝。方案一使用正向輸送攝動環(huán)元件替代改裝段中的部分差速螺紋元件和捏合塊,改裝后的攝動環(huán)元件總長96 mm,約占螺桿總長的7%。方案二使用正向與反向輸送的新型攝動環(huán)元件替代改裝段中所有螺紋元件和捏合塊,改裝后的攝動環(huán)元件總長220 mm,約占螺桿總長的16%。

1.4 試驗方案

2種方案的試驗參數(shù)如表1所示,其中編號A1～A6,B1～B6為低螺槽填充率,A7～A9,B7～B9為高螺槽填充率。表1中轉(zhuǎn)速為單頭螺桿(主軸)轉(zhuǎn)速,雙頭螺桿轉(zhuǎn)速是單頭轉(zhuǎn)速的1/2。

表1 2種方案的試驗參數(shù)

1.5 測試與表征

SEM分析:將擠出的PP/ABS樣條在液氮中浸泡5 min后脆斷,斷面噴金處理,觀察斷面結構。

拉伸性能按照GB/T 1040.2—2006測試；彎曲性能按照GB/T 9341—2008測試；沖擊強度按照GB/T 1843—2008測試。

2 結果與討論

2.1 PP/ABS復合材料的形貌及粒徑分布

圖3為部分樣條斷面的SEM分析。從圖3可以看出,ABS分散相總體上均勻分布,且大多數(shù)呈現(xiàn)球形或橢球形。

2種方案制備的PP/ABS復合材料脆斷面平均粒徑與主軸轉(zhuǎn)速關系如圖4所示。

由圖4可知,在低頻喂料、低速區(qū)100～400 r/min時,攝動環(huán)長度從7%增加到16%時,PP/ABS復合材料分散相的平均粒徑明顯減小；但是在高速區(qū)500～600 r/min,7%長度攝動環(huán)結構的混合效果更好。在高頻喂料時,與7%長度攝動環(huán)結構相比,16%長度攝動環(huán)結構的混合效果更好。

攝動環(huán)元件可同時實現(xiàn)上嚙合區(qū)橫向、縱向均開放,下嚙合區(qū)軸向封閉,在擠出過程中形成分流道,螺桿旋轉(zhuǎn)過程中上、下嚙合區(qū)封閉與開放交替變化,物料通過攝動環(huán)產(chǎn)生分流,從而返回上一個螺槽達到二次混合的效果,物料每經(jīng)過一個攝動環(huán)導程都將產(chǎn)生二次分割回流,故改裝段最多可發(fā)生26～214次分割回流。攝動環(huán)長度增加,物料的停留時間更長,混合更均勻,攝動環(huán)面上產(chǎn)生新的拉伸與剪切作用,使混合物粒徑更小。低轉(zhuǎn)速時,物料緩慢前進,有更多的機會產(chǎn)生回流,物料得以充分混合。但隨著轉(zhuǎn)速升高,物料在7%長度攝動環(huán)結構捏合塊區(qū)的剪切作用次數(shù)增加,ABS分散相的粒徑更小。

對于7%長度攝動環(huán)結構,由于改裝段存在捏合塊,增加喂料頻率使螺槽物料的充滿度提高,導致物料受到的平均剪切應力降低,混合效果變差。16%長度攝動環(huán)結構,通過去除混煉段捏合塊,增加攝動環(huán)長度,在轉(zhuǎn)速不變情況下,增加喂料頻率,螺槽物料的充滿度提高,由于攝動環(huán)的存在,回流物料增加,同時,攝動環(huán)與機筒間形成的狹窄間隙起到了強剪切及拉伸作用,雖然停留時間減少,但16%長度攝動環(huán)結構隨著喂料頻率增加,ABS分散相的平均粒徑減小,且小于7%攝動環(huán)結構的平均粒徑。

圖5為部分工況下PP/ABS復合材料的粒徑分布情況。

從圖5可以看出,與A1/B1相比,A2/B2工況下,2種螺桿構型復合材料分散相的粒徑分布范圍均較窄,且基本集中在1μm以下區(qū)域,其他工況與A2/B2類似。2種螺桿構型復合材料分散相的平均粒徑變化趨勢總體一致。16%長度攝動環(huán)結構在A2/B2下復合材料分散相的平均粒徑最小。在速度較低、喂料頻率較高的工況下,攝動環(huán)元件越多,越能獲得更好的混合效果,證明了攝動環(huán)元件代替捏合塊的可行性。

2.2 PP/ABS復合材料的力學性能

2種螺桿構型在不同轉(zhuǎn)速和喂料頻率下制備的PP/ABS復合材料力學性能如表2所示。

表2 PP/ABS復合材料的力學性能

從表2可以看出,PP/ABS復合材料的力學性能變化不大,故認為在固定材料配比下,這次試驗工況的改變對復合材料力學性能影響較小。另外,分散相的平均粒徑越小,復合材料的沖擊強度越好。

3 結論

a) 研制了一種新型差速雙螺桿攝動環(huán)元件,取消了捏合塊組合,在不使用任何相容劑的情況下,對PP/ABS體系進行了研究。

b) PP/ABS復合材料分散相的粒徑受螺桿轉(zhuǎn)速和喂料頻率的影響較大,轉(zhuǎn)速高有利于分散。

c) 2種螺桿構型PP/ABS復合材料的分散相粒徑在不同工況下的變化趨勢總體一致；在低頻喂料的低速區(qū)和高頻喂料下,16%長度攝動環(huán)結構復合材料的分散相平均粒徑更小。2種螺桿結構PP/ABS復合材料的力學性能受工況的影響較小。