一種改進(jìn)型利于環(huán)保的PP混料多層絲卷取裝置設(shè)計(jì)測試

姜國聚,陳廣娟,吳崇峰

(1.煙臺(tái)職業(yè)學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264670；2.天津科技大學(xué)，天津 300457)

20世紀(jì)早期，Jaeque通過對(duì)聚氯乙烯進(jìn)行薄膜拉伸研究實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了裂膜纖維和生產(chǎn)切割纖維絲2項(xiàng)新技術(shù)。在20世紀(jì)50年代初期，Rasmussen研究出利用塑料薄膜的擠出后再拉伸的方法，生產(chǎn)編織用的塑料扁絲。到20世紀(jì)60年代以后，用來進(jìn)行大批量生產(chǎn)編織工業(yè)包裝用的塑料編織袋的單向拉伸扁絲在歐洲一些國家已開始進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)。

我國自20世紀(jì)60年代后期開發(fā)出塑料扁絲編織袋至今，扁絲的產(chǎn)品質(zhì)量已達(dá)到國外同類產(chǎn)品的水平，并且產(chǎn)品規(guī)格齊全，品種多樣。隨著大型柔性集裝袋的不斷開發(fā)和應(yīng)用，塑料編織集裝袋廣泛用于海上，交通運(yùn)輸包裝、食品包裝、巖土工程、旅游運(yùn)輸、抗洪救災(zāi)，鐵路公路的修建、日常生活用品等領(lǐng)域[1]；塑料扁絲的發(fā)展也進(jìn)入到一個(gè)嶄新的時(shí)期。

塑料編織袋主要生產(chǎn)工藝是利用塑料原料經(jīng)過擠出薄膜、切割薄膜、單向拉伸為扁絲，扁絲經(jīng)過經(jīng)緯編織等工序得到產(chǎn)品，即稱為編織袋。塑料扁絲是生產(chǎn)塑料編織物的基礎(chǔ)材料，扁絲加工工藝是塑料編織物生產(chǎn)的第一道工序，也是最重要一道工序[2〗。

目前，塑料編織袋的材料主要有聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)以及為了產(chǎn)品的性能改善在PP中加入少量的PE而形成的PP/PE共混改性材料等。材料的成分以及加工工藝對(duì)扁絲產(chǎn)品的性能起決定性作用[3]。國內(nèi)外很多研究人員在優(yōu)化加工工藝參數(shù)和改進(jìn)加工設(shè)備等方面都進(jìn)行了相應(yīng)地研究，并取得了一定進(jìn)展。本研究將根據(jù)各種編織用扁絲的性能特點(diǎn)，從環(huán)保和提高產(chǎn)品機(jī)械性能的角度，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一種PP混料多層卷絲裝置，并通過實(shí)驗(yàn)初步進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 編織用塑料扁絲的種類及性能特點(diǎn)

1.1 窄而厚的絲

塑料扁絲是由特定品種的塑料樹脂經(jīng)熔融擠出成膜后，縱向切成條，然后對(duì)其每條同時(shí)加熱、牽引拉伸、取向后定型，最終卷繞成扁絲紗錠，用來織造編織物。這種扁絲極易形成窄而厚的絲[4]。其特點(diǎn)：(1)縱向切條后的厚絲因截面積大，加熱拉伸時(shí)，絲的表面和內(nèi)部溫差太大，受熱不均，在低溫下不易拉伸[5]，或者說拉伸系數(shù)很小，達(dá)不到產(chǎn)品使用要求。(2)塑料扁絲厚度如果較厚，絲會(huì)變得很脆很硬，相對(duì)強(qiáng)度也會(huì)下降[6]；因而要得到滿足一定強(qiáng)度要求的塑料編織產(chǎn)品，就要提高編織產(chǎn)品單位面積的質(zhì)量，這又會(huì)使編織產(chǎn)品變得更加脆硬，并使后面的編織、裁剪、縫紉等工序的加工難度增加，材料和制造等成本也相應(yīng)提高，太厚太硬，美觀感也降低[7]。

1.2 打緯擠絲

20世紀(jì)80年代末，國外一些發(fā)達(dá)國家對(duì)高強(qiáng)度塑料編織制品的研究投入了大量的人力物力財(cái)力，開發(fā)出寬而薄的塑料絲，通過打緯和擠絲使扁絲寬度在編織時(shí)變窄，這樣就取代了單根窄而厚的絲[8]。扁絲相對(duì)于厚絲，編織布的強(qiáng)度提高了，柔軟性也改善了。但是，在織造過程中，進(jìn)行打緯和摩擦，容易使絲起毛或劈裂等[9]，影響正常的編織生產(chǎn)，布的表面比較粗糙，毛絲遍布；另外，在加工過程中為使塑料扁絲更加柔軟擠緯變窄，常常用針刺開網(wǎng)制成纖化絲，就會(huì)產(chǎn)生表面起毛、相對(duì)強(qiáng)度降低的缺陷。尤其對(duì)一些有清潔度要求的就無法滿足包裝的需求，如醫(yī)藥、化工、食品等產(chǎn)品的包裝[10]。

1.3 PP折疊絲

折疊絲是塑料絲在拉絲過程中，通過專用的折疊裝置，使塑料坯絲有規(guī)律的進(jìn)行折疊，并完成定型后，然后進(jìn)行牽引和拉伸取向，最后完成拉絲工序。30多年前，塑料機(jī)械制造廠家在編織前，開始嘗試?yán)脤挾〉谋饨z將其3層對(duì)折得到“e”字形折疊絲，具體如圖1所示。然后再進(jìn)行定型和拉伸取向，極大地改善了編織制品的性能。其優(yōu)點(diǎn)主要有：(1)強(qiáng)度有較大的提高，同等單位質(zhì)量的編織布，絕對(duì)強(qiáng)度能提高 15%～25%。(2)降低了單位面積的質(zhì)量，節(jié)約原材料成本15%～25%。(3)編輯布的表面光滑、柔軟平整、無毛絲。(4)改善了后續(xù)的織造工序，尤其是較大地提高了編織效率，減輕了擠出折疊絲的打緯力量和摩擦，降低斷絲率[11]。

圖1 “e”字形折疊絲示意圖Fig.1 The schematic diagram of"E" shaped folding wire

該折疊扁絲主要用于生產(chǎn)克重較大的塑料編織基布，如用于柔性集裝袋、帳篷布、人造草坪基布、地毯基布、土工布等高要求的塑料編織制品[12]。同時(shí)，“e”形純PP折疊絲，可以回收利用，無破壞環(huán)境之虞。但在大型柔性集裝袋的使用中，強(qiáng)度有時(shí)達(dá)不到使用要求[13]。

1.4 PP和PE共混擠出扁絲

目前，為了提高大型集裝袋的強(qiáng)度，塑編業(yè)常采用聚丙烯和聚乙烯共混擠出的塑料扁絲。雖然PP具有較高的縱向拉伸強(qiáng)度、優(yōu)良的耐熱性能、耐腐蝕性等特點(diǎn)；但它的收縮較大，還具有低溫脆性，耐環(huán)境應(yīng)力開裂性也較差等缺陷[14]。

在拉絲生產(chǎn)過程中，常在聚丙烯中添加少量的聚乙烯，通過共混改性改善其性能[15]。(1)增加韌性抗沖擊性，因?yàn)槎呦嗳菪暂^好，研究發(fā)現(xiàn)：在PP中，加入10%左右的HDPE時(shí)，其抗低溫性能提高很多，在溫度-200 ℃條件下的沖擊強(qiáng)度可比純PP提高7～8倍以上；另外，當(dāng)加入5%的HDPE時(shí)，扁絲的伸長率稍有提高，生產(chǎn)出的編織袋明顯變軟。(2)減少扁絲起毛，在PP中加入3%～8%的HDPE時(shí)，扁絲的起毛現(xiàn)象和粉塵中扁絲的毛刺都明顯減少。(3)減少扁絲劈裂絲，在PP中加入3%～8%的HDPE時(shí)，扁絲劈絲現(xiàn)象明顯減少。低溫冷卻時(shí)薄膜也變得柔軟些，分絲時(shí)也不容易斷絲。(4)編織時(shí)斷絲率明顯減少，由于前述3點(diǎn)，使編織時(shí)斷絲率大大降低[16]。

PP和PE共混擠出的塑料扁絲存在主要問題：(1)在PP中添加少量PE，對(duì)扁絲拉伸強(qiáng)度影響不大，但是超過10%，扁絲的拉伸強(qiáng)度會(huì)有所下降。(2)由于PP和PE二者存在著相容問題，產(chǎn)品在使用過程中容易起毛，強(qiáng)度變差，繼而影響到后續(xù)使用[18]。(3)由于2種材料混合到一起，無法回收，浪費(fèi)較大，不利于可持續(xù)發(fā)展，對(duì)環(huán)境影響較大。

2 PP混料多層絲卷取裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理

2.1 設(shè)計(jì)思路

目前塑編行業(yè)經(jīng)常使用的各種扁絲還存在以下問題：(1)PP和PE共混料擠出的扁絲機(jī)械強(qiáng)度雖能夠滿足要求，還存在起毛現(xiàn)象；尤其是不能回收利用，對(duì)環(huán)境影響較大，還浪費(fèi)了成本[18]。(2)純的PP折疊絲在使用過程中往往強(qiáng)度達(dá)不到要求，影響某些場合的應(yīng)用，如大型集裝吊裝等。(3)打緯擠絲易起毛、相對(duì)強(qiáng)度降低、產(chǎn)品不清潔，因此不利于醫(yī)藥、食品等某些特殊包裝場合。(4)擠出的窄厚絲，高溫時(shí)膨脹體積大，低溫下拉伸系數(shù)低或不利于拉伸；另外，由于厚度較厚，相對(duì)強(qiáng)度也會(huì)下降，編織產(chǎn)品變得又脆又硬，增加了原料和制造成本。為了使扁絲產(chǎn)品盡量避免上述缺陷，提高機(jī)械強(qiáng)度，滿足使用要求，便于塑料編織產(chǎn)品的回收利用達(dá)到保護(hù)環(huán)境的目的，我們和山東煙臺(tái)魯星塑料機(jī)械有限公司合作，設(shè)計(jì)研發(fā)了一種PP多層卷絲裝置。

2.2 PP多層絲卷取裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與原理

圖2所示為成型多層卷絲的工藝流程圖。

1-擠出主機(jī)；2-擠出模頭；3-擠出的PP膜片；4-冷卻裝置；5-分絲裝置；6-數(shù)組多層卷絲裝置；7-加熱裝置；8-拉伸牽引卷曲等裝置圖2 PP多層卷絲工藝流程圖Fig.2 The flow diagram PP multilayer coiling process

從圖2可以看出，工藝過程：從模頭擠出的PP膜片經(jīng)過冷卻定型后，由分絲裝置分成多個(gè)PP片，每個(gè)PP片分別由多層塑料卷絲裝置卷為多層PP卷絲，具體如圖3所示。卷出的絲可以經(jīng)過7裝置進(jìn)行加熱、8拉伸牽引卷曲成為所需的具有一定強(qiáng)度的塑料扁絲，也可以從中間平分為2部分后，再經(jīng)過7、8這2個(gè)裝置加熱、拉伸變成編織所需的塑料扁絲。

圖3 多層PP卷絲示意圖Fig.3 The schematic diagram of PP multilayer coiling

圖4所示為多層卷絲裝置示意圖。

圖4 多層卷絲裝置示意圖Fig.4 The schematic diagram of multilayer coiling device

從圖4可以看出，1為分割后的PP膜片；2為圓柱，在圓柱的圓周上有條供卷絲用的3為長槽；長槽是由2條相對(duì)的4為凸起螺旋構(gòu)成。凸起螺旋根部在圓柱的軸切面的投影分為3段：a、b、c，a段螺旋槽根部比較寬，與軸切面的夾角為鈍角；b段與軸切面垂直；c段根部較窄，與軸切面夾角為銳角。

其工作原理是：當(dāng)膜片經(jīng)過a段時(shí)，膜片逐漸呈鈍角向上卷起；經(jīng)過b段時(shí)，被卷起的膜片與軸切面呈直角，經(jīng)過c段后膜片向內(nèi)銳角卷起多層，最后便得到圖3所示的多層卷絲；至于多層的層數(shù)由c段的長度確定。

圖5是多層卷絲裝置的三維立體造型示意圖。

圖5 多層卷絲裝置的三維立體造型示意圖Fig.5 Three-dimensional modeling schematic diagram of multilayer coiling device

從圖5可以看出，A部分對(duì)應(yīng)圖4中a部分；B部分對(duì)應(yīng)圖4中的b部分；C部分對(duì)應(yīng)圖4中的c部分。

PP多層卷絲經(jīng)過圖2的工藝流程后，完全避免了窄厚絲和打緯擠絲產(chǎn)生的各種缺陷，PP多層卷絲與PP 3層“e”絲相比，絲的機(jī)械強(qiáng)度也提高了很多。最關(guān)鍵的問題是：由于該裝置加工的材料為純PP料，后續(xù)的回收利用沒問題了，既節(jié)省了能源，又不會(huì)對(duì)環(huán)境造成影響，又可解決環(huán)保問題。

3 測試結(jié)果分析

利用剛研發(fā)的PP混料多層卷絲裝置進(jìn)行了PP多層絲卷取的加工實(shí)驗(yàn)，并對(duì)加工出的PP扁絲的性能進(jìn)行了測試，最后和PP單向取向、PP/HDPE(10%)共混生產(chǎn)的扁絲性能進(jìn)行了對(duì)比，該產(chǎn)品基本達(dá)到質(zhì)量要求，滿足了拉伸強(qiáng)度條件。

本次的實(shí)驗(yàn)條件：材料為拉絲機(jī)用的PP料(T30S-W，MFR 2.0～4.0 g/min)，普通的單螺桿擠出機(jī)(SJ-120*30，大連生產(chǎn))，常規(guī)擠出拉絲薄膜的擠出溫度、壓力和速度等擠出工藝參數(shù)，拉伸性能測試按GB/T 1040—1992標(biāo)準(zhǔn)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：塑料扁絲拉伸強(qiáng)度如表1所示。

表1 塑料扁絲拉伸強(qiáng)度Tab.1 The tensile strength of plastic flat wire cN/dtex

4 結(jié)語

聚丙烯PP混料高溫單向取向拉伸能達(dá)到要求，但存在體積大的問題，低溫拉伸取向強(qiáng)度較高，在95～105 ℃拉伸取向比130～140 ℃拉伸取向高20%；但因?yàn)楦叩?shù)時(shí)，硬度高無彈性，為了提高柔韌性，低溫拉伸時(shí)就要加上PE，二者共混后，強(qiáng)度能滿足要求，但存在產(chǎn)品不能回收利用的弊端。采用聚丙烯PP混料多層卷取后再拉伸得到的扁絲，既能保證拉伸強(qiáng)度達(dá)到使用要求，又能將該產(chǎn)品材料回收利用，從而解決了環(huán)保問題。