適用新型茂金屬聚乙烯加工的螺桿設計

蔡成鵬 李潤豐

（廣東金明精機股份有限公司）

聚乙烯是一種傳統(tǒng)熱塑性塑料，茂金屬聚乙烯，是使用茂金屬(MAO)為聚合催化劑生產出來的線性聚乙烯，性能上比傳統(tǒng)的Ziegler-Natta催化劑聚合而成的LLDPE優(yōu)越不少。

一、茂金屬的發(fā)展現(xiàn)況

薄膜作為茂金屬聚乙烯中一類極其重要的應用，主要包括食品包裝膜、拉伸纏繞膜、重包裝膜、固體包裝材料等，其中包裝薄膜（含食品包裝、非食品包裝、重包裝袋）為最大的應用領域。茂金屬聚乙烯在韌性、透明度、低溫熱封、低氣味等方面等優(yōu)勢明顯，在多個方面慢慢取代高壓和線性聚乙烯。茂金屬聚乙烯雖然在性能上具有明顯的優(yōu)勢，但由于其相對分子質量分布很窄，受剪切粘度大，給加工帶來很大困難。主要表現(xiàn)在產量不高，塑化質量難以保證，也因為價格的因素，茂金屬聚乙烯的使用受到一些限制；因此，茂金屬的改良升級也在不停進行中。

隨著環(huán)保要求和循環(huán)經濟概念推動，近年來原料廠家向減薄和可回收方向尋求突破，通過采用先進的催化技術、工藝研究和應用專業(yè)技術，和專有的茂金屬催化劑相結合，開發(fā)出一系列新型茂金屬聚乙烯產品，滿足市場需求；旨在為各種薄膜應用提供非凡的性能并提高生產效率，簡化薄膜原材料配方。用這些新型茂金屬聚乙烯產品吹制的薄膜較原先的材料厚度減小，但強度更高，在工業(yè)產品、個人護理品、食品等領域實現(xiàn)新的減量化包裝解方案。

二、新型茂金屬的流變性能

新型茂金屬聚乙烯產品不僅物理性能上有大的提升，可加工性能方面也進行優(yōu)化；合成工藝上通過選用不同茂金屬催化劑或混合催化劑，加寬茂金屬聚烯烴樹脂的相對分子質量分布或生成分子量分布雙峰類型，或在分子主鏈中引入長支鏈等方法進行分子結構優(yōu)化設計，改進茂金屬聚烯烴樹脂的加工性能；新型茂金屬聚乙烯基本上都有明顯的剪切變稀特性，簡單用熔體流動比率來體現(xiàn)，可以從材料物性表上數(shù)據計算得出；熔體流動比率，是將茂金屬聚乙烯在21.6 kg和2.16 kg兩個條件下的熔融指數(shù)做比值，這個值能大概表示材料在高低兩種剪切速率下的粘度變化；數(shù)值越高，材料剪切變稀能力越明顯；通過對比我們發(fā)現(xiàn)，新型茂金屬聚乙烯這個數(shù)值普遍高于普通茂金屬聚乙烯，顯示出較好的剪切變稀能力。我們收集了多個新型茂金屬牌號資料，并選取幾個材料進行熔體流變實驗和擠出測試，進行數(shù)據收集分析和驗證。

新茂金屬聚乙烯熔融指數(shù)相對較低，多數(shù)牌號基本在1 g/10 min以下，最低的達到0.2 g/10 min；低熔融指數(shù)說明材料在低剪切速率下粘度較大，流動性較差，在擠出生產時螺桿低轉速下的扭矩和熔體壓力都普遍高于普通茂金屬；新茂金屬聚乙烯產品得密度范圍也寬，在超低密度到中密度之間，從0.908～0.940 g/cm3都有相應牌號，適合不同應用要求。

表1 機筒熔體壓力與過濾網熔體溫度

圖1 流變曲線

我們選取10-1000 s-1剪切速率范圍進行流變測試，這個范圍是擠出工藝典型的剪切速率范圍，覆蓋材料在擠出螺桿的受剪切速率值。幾個粘度曲線對比圖（見圖1）可以看到，新茂金屬聚乙烯在低剪切速率區(qū)域的剪切粘度要明顯高于普通茂金屬聚乙烯，這表現(xiàn)為加工時機筒內熔體壓力都高于普通茂金屬聚乙烯；這與在擠出過程中擠出機機筒上各段壓力傳感器檢測的數(shù)值相吻合，見表1。

高壓力下原料對螺桿表層的摩擦增大，長時間會擦除螺桿鍍層，造成螺桿褪色，表面被腐蝕；螺桿在低速轉動狀態(tài)下承受較大的扭力，需配置大功率電動機和選擇好的螺桿材料，減少被扭斷的風險。隨著剪切速率的升高，新茂金屬聚乙烯表現(xiàn)出明顯的剪切變稀性能，在高剪切速率區(qū)域，剪切粘度快速降低，接近或低于高熔指普通茂金屬聚乙烯，甚至低于某些牌號的線性聚乙烯，顯示很好的加工性能，這種剪切變稀特性對比高壓聚乙烯，從流變曲線的斜率看已經很接近（見圖1）。明顯的剪切變稀能力使其在螺桿高轉速下能保持螺桿的扭矩和熔溫穩(wěn)定，不會有過高的上升，實現(xiàn)熔體高速擠出和膜泡穩(wěn)定性。

三、螺桿的改進設計

近年來吹塑設備朝多層，高產方向發(fā)展，利用五層、七層設備做非阻隔產品，每小時生產500kg的薄膜都已不是什么新鮮事物；另外，生產原料配方也悄悄發(fā)生改變，由過去機筒里的原料大雜燴轉變成各層擠出機使用單一材料或少量共混，這種改變除了設備升級方面的原因，也有自身優(yōu)勢的驅動，一是可以盡量減少混料帶來的材料優(yōu)勢性能下降，滿足產品減薄后的性能要求；二是避免多種材料間的流動性差異導致的塑化不良或分散不均的問題；三是隨著多層設備的普及，配方設計更加靈活，擠出各層的功能性更加明顯，不需要在一個機筒中混多種材料來實現(xiàn)多個功能。所以，螺桿加工高含量甚至是純茂金屬材料，且做到高速擠出的生產狀況會越來越普遍，如何解決在高擠出產量下產生的高壓高摩擦熱和塑化不良等問題也是擠出螺桿設計的難點。當然，高產量下的能耗也是薄膜生產商們重點關注的另一個方面。

總結以上各點，就是高產量、低溫擠出、低能耗是目前市場對單螺桿擠出的普遍要求，并隨著多層共擠設備的普及，可加工高含量甚至純用純茂金屬聚乙烯的擠出生產方式也要能夠滿足。多年來，基本的螺桿設計一直保持相對穩(wěn)定，所以，對近年推出的新材料和適應薄膜生產商更高的生產需求，螺桿應進行適當?shù)母倪M設計。

螺桿結構上我們選擇目前加工多采用的帶強制進料的分離型螺桿，基本能滿足加工需要，可以取得較好的效果。

進料段的設計主要對擠出機的產量及能耗有著重要的影響，基于固體輸送理論，采用強制進料的螺桿，進料段可產生高壓，并一直影響延續(xù)至后面幾段結構，這時，模頭壓力再也不是影響產量的主要因素，同時進料段形成的高壓能減輕擠出波動情況；對于強制進料螺桿來說，產量主要是隨著螺桿轉速的增加呈線性增長趨勢。

可以說，進料段的結構基本決定原料輸送量，直接關系到產量高低；從理論上講：螺距大，螺棱對物料向前輸送的推力增大，軸向輸送能力提高；其實螺距增大也增加了原料沿圓周方向轉動趨勢，降低進料效率；因此選擇強制進料螺桿，在機筒內壁上設計軸向直槽，能改變固體顆粒和筒壁之間的摩擦力，減少原料沿筒向的運動；設計時也可以適當增大加料段的螺距，一般普通的強制螺桿的螺距為0.8 D，可適當增加至1 D，提高產量和建壓能力。而且強制進料螺桿的螺槽深度越深輸送量不一定大，螺槽深度設計除考慮強度外，主要取決于原料的形狀，根據經驗，螺槽的深度應該取原料粒徑的3倍時輸送的效率最佳；加料段的長度考慮進料段的強輸送能力，能很快向前輸送物料并壓實，可以比常規(guī)螺桿短一些，5 D基本足夠。

進料段螺桿的設計需有合適的開槽機筒相配套，才能達到提高產量的效果；機筒壁開溝溝槽形狀一般有矩形、半圓形、三角形等，一般選用矩形即可，溝槽深度逐漸變淺，使物料順利被推出構槽，不影響轉換配方。螺槽的深度根據原料尺寸來設計，原則上必須比顆粒的最大尺寸再大一些；螺槽數(shù)量與寬度可結合螺桿直徑來設計；強制進料段會制造高壓，螺桿轉動時產生摩擦熱，長時間生產不斷積累熱量，使溝槽段原料軟化，甚至熔融粘附在溝槽內或其他未熔原料，降低輸送效率。因此，機筒強制進料段的帶溝槽段一周需設計冷卻水圈，避免該段溫度過高。

加料段結束后螺桿的深度從約在1 D內迅速變深，主要考慮減少物料進入熔融段壓力；這一點和常規(guī)螺桿的設計有著很大的不同，沒有明顯的壓縮比甚至是反壓縮比；當物料從加料段進入熔融段后，機筒開槽溝槽和螺槽中的原料都被送進螺桿螺槽，此時如按常規(guī)思路設計，螺槽應逐漸變淺，通過壓縮對物料進行擠壓使其熔融；對強制進料螺桿來說，物料往前輸送的量和壓力沒有直接關系，截面積變小產生的高壓阻力對進料沒有影響，物料會被硬擠入熔融段中，短時間內受到更大壓縮，使驅動螺桿功率驟增，螺桿所受扭距加大，同時也會產生更大磨損。所以螺槽的深度在熔融段要逐漸變深，以增大螺槽容積，釋放掉部分壓力有利于降低電流，節(jié)省能源和保護螺桿。

產量的提升需要提高螺桿的塑化能力，通過采用分離螺紋結構，將熔體與固體分離，使未熔相能夠更好接受螺桿剪切，也減少螺棱對熔融物料的摩擦；通過合理分配固液在螺槽中的比例，從而進一步提升塑化效率。鑒于新茂金屬聚乙烯的高粘度，流動粘度會比較高，螺槽內剪切會較加工普通茂金屬更大一些；設計時可以適當增大液相槽的起始寬度，允許一部分未熔物進入液相槽內，通過耗散效應而不是靠剪切使這部分未熔物在液相槽中融化，降低液相槽溫度和提高熔融效率，這也減輕了分離段起始端的壓力；為控制進料段出口的壓力不至于過大和減少扭矩，和避免因物料輸送時阻力過大所造成的產量下降和能耗過高，熔融段的設計都采用小壓縮比，原料在該段沒有受到過度壓縮和剪切；原料熔融的能量大部分來自機筒的加熱，熔融效率偏低。為了減少分離段前未熔物的比例，可以在熔融段末端適當減少螺槽的深度，通過壓縮來加快材料融化。副螺棱與機筒的間隙也可適當增大，機筒內材料輸送產生的背大，新牌號原料粘度高，適當?shù)拈g隙不會減小拉伸流動對熔體的分散效果，反而能釋放物料向前的壓力，有利于擠出和控制熔溫。液相槽的深度適當減少，促進熔體向前輸送，減少熔融物料受過多剪切。固相槽的深度變化要平緩，螺槽末端深度不必過淺，機筒內的高壓已制造足以熔融需要的剪切，盡量降低扭矩和溫升。

分離段末端連接一個斜槽屏障混煉元件Maddock，采用多螺槽以及反向螺槽，通過不斷變換熔融物料的位置來實現(xiàn)低溫升下的均勻混合。該元件采用位移不斷變化結構，具有銷釘分流和屏障混合的雙重優(yōu)點，對熔體的混煉作用可使塑化不良物得到充分得熱交換，促進其熔融，也能提高螺桿的自潔性。屏障棱能起到阻擋未熔物的作用，如有塑化不良的小顆粒，從進料槽越過屏障棱間隙進入出料槽時會受到拉伸和剪切雙重作用，顆粒在這里被熔融消除；對于流動性好的材料這種設計確實可以起到消除塑化不良物的作用，且減少間隙可以控制通過顆粒直徑；但對于粘度高的材料，間隙減少會增加熔體通過時的壓力和造成溫升的問題，過小的過流面積只會制造高壓高剪切，增加熔體通過時間，熔體受到過度剪切后，熔溫被提高，在高壓環(huán)境下容易促進超高分子量凝膠的形成，起到相反的作用所以對于流動粘性大的材料，特別是加工新型茂金屬聚乙烯時，得考慮相反的設計思路，盡量避免使用減少截面積的方法去消除未熔物，所以適當?shù)卦龃筮@個間隙，并去掉屏障元件兩端的密封段，控制該段熔壓保持在適當?shù)姆秶鷥?，并使熔體順利通過。

螺桿的末端可根據配方中添加劑的含量適當添加混合元件，提高顏色或助劑分布，比如銷釘或偏心波狀螺紋等，通過分割料流或不?？s放的形式提高混合效果。

四、擠出試驗

按照以上思路我們設計了一根直徑80 mm的螺桿并進行投產測試；螺桿結構為進料段約5.5 D，熔融段12 D，分離段約8 D，屏障段2.5 D，混合段3 D；進料段螺距0.9 D，分離段主螺距1.15 D，附螺棱螺距約1.3 D，并通過模擬軟件優(yōu)化各段細節(jié)參數(shù)；選用熔融指數(shù)為0.2 g/10 min、密度0.940 g/cm3的茂金屬材料進行擠料測試，擠出機電動機功率100 kW，螺桿最大轉速100 r/min。

新螺桿在75 r/min轉速時產量達到232 kg/h，電流132.2 A，電流占比66.4%，每轉產量3.1 kg/h，熔融溫度205℃；對比之前測試數(shù)據，未修改螺桿64 r/min的產量只有161 kg/h、電流118.9 A，電流占比59.7%，每轉產量2.51 kg/h，熔融溫度215℃。在產量和熔溫方面，新設計螺桿產量比之前提高23.5%，料溫降低10℃。