聚醚醚酮單螺桿擠出機(jī)的設(shè)計(jì)

曾天忠， 李景峰 ，李海明

(1.天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院有限公司，甘肅 蘭州 730060;2.中國石化儀征化纖有限責(zé)任公司，江蘇 儀征 211900)

聚醚醚酮是芳香族結(jié)晶型熱塑性高分子材料,屬于特種高分子材料。它具有耐熱等級高、耐化學(xué)藥品、沖擊強(qiáng)度高、耐磨性好、耐疲勞性好等特點(diǎn)，已經(jīng)在機(jī)械、航空航天、醫(yī)療、電子電氣、能源、電力、汽車等領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用[1]。

聚醚醚酮自從聚合成功以來,就被認(rèn)為是一種重要的國防軍工材料，許多發(fā)達(dá)國家都限制其出口。隨著高分子材料工業(yè)的發(fā)展,中國也實(shí)現(xiàn)了聚醚醚酮的生產(chǎn)。隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,各種需求的聚醚醚酮管材、棒材、片材、薄膜等日益增長，但是我國的聚醚醚酮開發(fā)能力薄弱,在產(chǎn)品的研發(fā)和實(shí)際應(yīng)用方面與國外還有一定差距,嚴(yán)重影響聚醚醚酮的應(yīng)用和發(fā)展[1]。

1 聚醚醚酮單螺桿擠出機(jī)

長期以來,單螺桿擠出機(jī)是塑料擠出成型最為經(jīng)濟(jì)實(shí)用的加工設(shè)備[2]，可加工薄膜、片材、管材、異型材等。擠出成型是利用擠出機(jī)將物料熔化并連續(xù)穩(wěn)定擠入模具。牽引裝置將成型制品連續(xù)地從模具中拉出，并冷卻定型，制得所需形狀的制品。塑料擠出成型的生產(chǎn)工藝流程如圖1所示。

圖1 單螺桿擠出工藝示意圖

聚醚醚酮采用常規(guī)單螺桿擠出遇到了一些困難:

（1）擠出過程中，聚醚醚酮與空氣接觸后可能吸收大氣中的水分，影響產(chǎn)品質(zhì)量[1]。

（2）由于具有剛性的主鏈分子結(jié)構(gòu)和分子間、分子內(nèi)的強(qiáng)相互作用力，聚醚醚酮加工溫度高且熔化過程時(shí)間長，常規(guī)擠出機(jī)不能使其熔化充分。

（3）聚醚醚酮與金屬表面的粘接性特別好[1]，螺桿拆卸困難。

（4）聚醚醚酮熔化過程中具有較高的黏度,常規(guī)擠出機(jī)不能提供高扭矩完成物料輸送。

針對聚醚醚酮擠出過程中的技術(shù)難題,國內(nèi)外許多研究者一直致力于研發(fā)易加工聚醚醚酮的單螺桿擠出機(jī)。聚醚醚酮專用單螺桿擠出機(jī)是實(shí)現(xiàn)材料到實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵性裝置。它由主電機(jī)、傳動(dòng)箱、給料系統(tǒng)、螺桿、筒體、加熱器、模具等組成（如圖2）。主電機(jī)提供螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)力能源。給料系統(tǒng)向螺桿提供物料。螺桿旋轉(zhuǎn)把物料向前輸送，并提供穩(wěn)定的壓力以保證物料順利進(jìn)入模具。物料在輸送過程中與筒體進(jìn)行熱量交換并熔化。傳動(dòng)箱將高速旋轉(zhuǎn)的電機(jī)軸降為低速，并承受螺桿輸送物料帶來的反作用力。模具是將熔化的物料變成所需形狀的管材、棒材、片材、薄膜,并冷卻定型。表1是擠出機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)。

圖2 聚醚醚酮專用單螺桿擠出機(jī)

表1 擠出機(jī)的主要參數(shù)

2 聚醚醚酮單螺桿擠出機(jī)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

根據(jù)聚醚醚酮工藝特點(diǎn)，聚醚醚酮單螺桿擠出機(jī)在給料系統(tǒng)、螺桿、溫度控制系統(tǒng)、螺桿拆卸等方面進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)。

2.1 給料系統(tǒng)

常規(guī)給料系統(tǒng)是直接把料斗安裝在螺桿下料口處。聚醚醚酮雖然自身不是吸濕性材料,加工前也進(jìn)行了干燥處理,但是在普通料斗中與空氣接觸后還是會(huì)吸收少量的水分。由于聚醚醚酮工作溫度高于350 ℃，殘留的水分會(huì)產(chǎn)生較高的蒸氣壓，導(dǎo)致制品起泡、空洞、表面凸凹、鼓脹、裂紋等缺陷。這些水分必須去除以降低物料的含水量，提高制品質(zhì)量。針對這個(gè)情況，料斗設(shè)計(jì)了除濕裝置（如圖3）。它由風(fēng)機(jī)、加熱裝置、料斗、管路等組成。風(fēng)機(jī)將經(jīng)過加熱后的熱風(fēng)從料斗底部吹入。熱風(fēng)將原料中的水分帶走，從而達(dá)到去除水分的目的。料斗內(nèi)設(shè)計(jì)了熱風(fēng)分散裝置，將熱風(fēng)均勻地分散，保持料斗內(nèi)塑料除濕徹底。熱風(fēng)的溫度可根據(jù)環(huán)境、天氣等因數(shù),在控制在70～120 ℃之間。

圖3 帶除濕裝置的料斗

2.2 螺桿構(gòu)型

螺桿是擠出機(jī)核心工作部件,關(guān)系著擠出產(chǎn)品的質(zhì)量。螺桿的長徑比和結(jié)構(gòu)都影響著物料在擠出機(jī)里的停留時(shí)間和產(chǎn)量。停留時(shí)間過長物料易發(fā)生分解，時(shí)間短則影響物料熔化效果。螺桿長徑比是螺桿長度與螺桿直徑的比值，其值直接影響物料停留時(shí)間。經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)，螺桿長徑比選擇在24～30之間。

螺桿在輸送物料過程中還需完成熔化物料、建壓和穩(wěn)定擠出功能，這就要求單螺桿必須有合理的結(jié)構(gòu)。螺桿根據(jù)功能,分成了進(jìn)料段、壓縮段和均化段(如圖4)。進(jìn)料段主要是對物料進(jìn)行輸送和壓實(shí)[3]。由于聚醚醚酮熔化溫度高且熔化過程需要時(shí)間長，螺桿的進(jìn)料段要求比常規(guī)螺桿長，使物料在進(jìn)料段的停留時(shí)間更充分，以便溫度接近熔點(diǎn)。如果加料段短，溫度還沒有達(dá)到熔點(diǎn)，物料就進(jìn)行壓縮，造成物料輸送不匹配,螺桿卡死。壓縮段主要是實(shí)現(xiàn)物料熔化。螺桿的螺槽由深變淺。物料受到擠壓,與筒體進(jìn)行熱交換而漸漸熔化。螺桿的壓縮比是螺桿壓縮段內(nèi)第一個(gè)螺槽的容積與最后一個(gè)螺槽的容積比值。螺桿壓縮比的設(shè)計(jì)應(yīng)與同等質(zhì)量的物料在常溫下和熔融后體積的比值相適應(yīng)。聚醚醚酮螺桿的壓縮比一般為2～3。壓縮比不合理會(huì)造成輸送不匹配，螺桿卡死或物料熔化不充分等現(xiàn)象。均化段主要是保證物料混合均勻，穩(wěn)定擠出。螺桿的螺槽深度要淺,并且無變化,以保證穩(wěn)定擠出。

圖4 螺桿結(jié)構(gòu)圖和溫度區(qū)分圖

2.3 螺桿和筒體的材質(zhì)

常規(guī)螺桿和筒體的材質(zhì)一般選用38CrMoAlL氮化處理。在擠出過程中，聚醚醚酮有時(shí)會(huì)與螺桿、筒體粘合得很牢固，甚至可以把氮化層從金屬表面剝落。針對這個(gè)情況，聚醚醚酮螺桿和筒體的材質(zhì)可選用鉻合金工具鋼、高鎳合金材料[1]。螺桿的構(gòu)型變化應(yīng)循循漸進(jìn)，圓滑過渡無死角，表面高度光滑。

2.4 螺桿的清理

聚醚醚酮在加工過程中重復(fù)使用擠出機(jī)時(shí)會(huì)產(chǎn)生黑斑。為了避免加工時(shí)產(chǎn)生黑斑，在每次使用前都需要拆下螺桿并對其進(jìn)行清理。常規(guī)方法是在機(jī)頭處將螺桿從筒體中拉出或從傳動(dòng)箱后側(cè)內(nèi)孔頂出。物料與螺桿、筒體粘接得很牢固。螺桿很難從筒體中拔出，拆卸過程困難且時(shí)間長。針對這一現(xiàn)象，我們將設(shè)計(jì)了螺桿拆卸工具（如圖5）。它由手動(dòng)泵、液壓缸、頂拉桿、支撐座、管路等組成。手動(dòng)泵驅(qū)使液壓缸活塞桿前后移動(dòng)?；钊ㄟ^頂拉桿與螺桿連接,促使螺桿前后移動(dòng)。頂拉桿設(shè)計(jì)成分段結(jié)構(gòu)，在支撐座的空隙處加長或縮短頂拉桿,從而調(diào)節(jié)螺桿前后移動(dòng)的距離。

圖5 螺桿拆卸工具

3 聚醚醚酮單螺桿擠出工藝

在聚醚醚酮擠出生產(chǎn)過程中，除合理的上述結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之外，螺桿轉(zhuǎn)速和溫度控制尤為重要，對物料的穩(wěn)定擠出產(chǎn)生明顯的影響。

3.1 螺桿轉(zhuǎn)速

螺桿轉(zhuǎn)速是影響熔化效果的主要因素。由于聚醚醚酮熔化溫度高并且在熔化過程中流動(dòng)差，螺桿需要在高溫、高壓和高扭矩下運(yùn)行。螺桿轉(zhuǎn)速一般選擇在低速下運(yùn)行，以獲得較長的停留時(shí)間和較高的扭矩。擠出機(jī)的最大轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)在50 r/min。擠出機(jī)可以調(diào)整螺桿轉(zhuǎn)速，使其達(dá)到最佳效果。圖6為生產(chǎn)異型材時(shí)，擠出機(jī)產(chǎn)量與螺桿轉(zhuǎn)速的關(guān)系。

圖6 擠出機(jī)產(chǎn)量與螺桿轉(zhuǎn)速的關(guān)系

3.2 溫度控制系統(tǒng)

聚醚醚酮的擠出過程是一個(gè)復(fù)雜的溫度變化過程,溫度由低到高。聚醚醚酮熔點(diǎn)是334 ℃，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度是143 ℃[1]。在擠出過程中，加熱器必須保證筒體溫度在350 ℃以上。聚醚醚酮雖然在溫度高于熔點(diǎn)時(shí)具有良好的流動(dòng)，但低于熔點(diǎn)后會(huì)固化造成物料輸送困難，螺桿卡死。針對這一情況，擠出機(jī)筒體采用分區(qū)溫度控制，由五區(qū)組成（如圖4）。第一區(qū)為進(jìn)料段，其溫度應(yīng)控制得較低。第二區(qū)和料斗的熱量會(huì)傳導(dǎo)到第一區(qū),使其溫度升高。物料靠自身重力進(jìn)入擠出機(jī)，溫度升高會(huì)使下料口的物料粘接,造成“架橋”現(xiàn)象,影響物料進(jìn)入擠出機(jī)。針對這個(gè)情況,第一區(qū)筒體設(shè)計(jì)了冷卻流道孔，通入冷卻水以便快速帶走熱量。其余每區(qū)筒體由單獨(dú)的加熱器、冷卻風(fēng)機(jī)和熱電偶來控制溫度。加熱器的材質(zhì)可采用鑄銅加熱器、鑄鐵加熱器或電磁加熱器。表2是擠出機(jī)各區(qū)段溫度設(shè)置。

表2 擠出機(jī)各區(qū)段溫度設(shè)置 ℃

4 結(jié)束語

聚醚醚酮是發(fā)展高端科學(xué)技術(shù)不可缺少的重要材料。單螺桿擠出機(jī)成功用于聚醚醚酮的成型加工，解決了擠出過程中制品起泡；加工溫度過高；螺桿拆卸等難點(diǎn)問題。隨著聚醚醚酮的應(yīng)用和發(fā)展，該擠出機(jī)必將發(fā)揮重要作用，具有廣闊的市場前景。