通过螺杆的协同作用完成长纤维的直接挤出

来源:本文翻译自KUNSTSTOFFE INTERNATIONAL杂志 作者:Prof. Dr.-Ing. Elmar Moritzer,Frank Altendorf,Marius Wittke

发布时间:2019年1月28日下午 11:01:24

长纤维增强复合物更易于加工,但也比单独使用纤维和颗粒更昂贵。在挤出过程中直接配混纤维和塑料不仅可以降低成本,而且由于纤维较长,还能够改善特性。简化工厂概念的秘诀在于螺杆。

材料约占挤出生产线大约80%的成本。通过选取不同的材料类型和使用方式,生产成本可大大降低。在一种直接配混的新方法中,德国帕德博恩大学的Kunststofftechnik Paderborn(KTP)与德国梅肯海姆的Arenz GmbH合作开发了一种用于挤出工艺的玻璃纤维增强塑料直接配混系统。Arenz专为塑料和橡胶加工行业生产螺杆和机筒。自1971年以来,该公司一直致力于为全球挤出和注塑市场开发、生产和销售塑化装置。

纤维长度是关键

玻璃纤维增强塑料可用于提高部件的比强度和刚度。以相同的机械性能要求为例,这意味着部件质量可以减轻。目前,纤维增强部件已成功应用于汽车和航空轻量化结构。

以更轻的重量获得相同的机械性能还能够节省挤出产品的成本。直接配混可通过两次调整来降低材料成本。

首先,它能够改善产品的机械性能。该性能在很大程度上取决于玻璃纤维增强塑料部件的纤维长度(图1)。塑化过程中的螺杆旋转会使纤维缩短,因而无法获得理论上可以达到的性能。但是,直接配混法仅在制造过程中直接添加玻璃纤维,因此纤维的缩短程度与传统挤出机相比大大降低。部件中的长纤维可用于改善机械性能(图1),从而降低产量和材料成本。

图1 玻璃纤维增强 PP在不同纤维长度 条件下的标准化机 械性能

图1 玻璃纤维增强PP在不同纤维长度条件下的标准化机械性能

其次,它能够降低可用原材料的材料成本。由聚丙烯(PP)制成的长玻璃纤维增强热塑性材料(棒状颗粒)的交易价格约为4欧元/每公斤。根据配方的不同,玻璃纤维和PP颗粒的材料总成本可低于2欧元/每公斤。

因此,系统工程投资可快速收回,材料成本得以降低。技术简便的工厂概念对于经济合理地使用直接配混方法而言至关重要。

利用特殊螺杆温和均化

将纤维加入单螺杆挤出机中的熔体需要特殊的螺杆结构。在传统的挤出机中,压力通常加至计量区,因此纤维无法直接加入熔体,因为加压的熔体会从纤维加料口流出。

通过新开发螺杆的部分填充区将纤维加入塑化的熔体是可行的。纤维加料采用重量法计量。接着,它们和熔体一起被压缩,随后可用于填充任何模具。通过计算流体动力学(CFD)模拟技术改装的可交换混合元件,能够温和地均化熔体中的纤维。

图2 KTP技术中心直接配混生产线的原型(© Kunststofftechnik Paderborn)

图2 KTP技术中心直接配混生产线的原型(©Kunststofftechnik Paderborn)

系统工程可根据客户的喜好改变纤维长度。纤维可以分切也可以整卷购买。常用于双螺杆挤出机的这种切割单元按工艺所需的长度提供纤维。涵盖不同的材料和配方的PP和HDPE在该系统加工,工艺行为正在进行验证描述。为此,Kunststofftechnik Paderborn加工实验室使用了上述工厂概念的原型(图2)。

以更低的成本生产更好的材料

传统的滑膛挤出机的产量取决于反压力。因为模具各不相同,将配方调整到特定的玻璃纤维比例(按重量百分比计)只能通过实验实现。每个模具的每转速产量都不一样,因此纤维质量流量也必须有所改变,才能保持恒定的纤维比例(按重量百分比计)。

图3 直接配混方法在不同反压下可以达到的纤维长度(转速n=40rpm,T=250℃)(来源: Kunststofftechnik Paderborn)

图3 直接配混方法在不同反压下可以达到的纤维长度(转速n=40rpm,T=250℃)(来源:Kunststofftechnik Paderborn)

Arenz最新开发的挤出机不受反压力的限制。针对已知的产量,按重量百分比计的玻璃纤维比例适用于任何反压力。产生这种效果的原因在于螺杆的部分填充区。根据模具中流动阻力的不同,螺杆填充的程度也会发生变化,但不会影响固体颗粒的吸入。德国LyondellBasell Polyolefine GmbH公司生产的两种聚丙烯和奥地利Borealis AG公司生产的HDPE的工艺行为正在研究之中。根据美国PPG Industries Inc.公司的制造商信息显示,其纤维尺寸可与相应的基材一起使用。

针对低粘度PP,其熔体可在10巴以上的低反压下充分均化。该压力可通过具有可变流动横截面的节流模具调节。纤维缩短程度从传统制造工艺中的50-80%下降到了约30%,同时还能获得纤维完全均化的恒定纤维比例(按重量计)。图3所示为4.5mm长玻璃纤维可以达到的纤维长度,它的玻璃纤维比例为20%(重量),基材为低粘度PP。

图4 在270℃的高温和40rpm的转速下可以达到的纤维长度(平均值)(来源:Kunststofftechnik Paderborn)

图4 在270℃的高温和40rpm的转速下可以达到的纤维长度(平均值)(来源:Kunststofftechnik Paderborn)

挤出机中的反压力不能无限制地增加。随着反压力不断增加,螺杆完全被填满,逐渐接近纤维加料口。螺杆的加压能力随之上升,对越来越高的反压力进行补偿。但是,这一过程只能持续到熔体流入纤维加料口,因为压力实在太高。

图5 纤维比例(按重量计)为30%时可以达到的纤维长度(平均值)(转速n=40rpm, T=270℃)(来源:Kunststofftechnik Paderborn)

图5 纤维比例(按重量计)为30%时可以达到的纤维长度(平均值)(转速n=40rpm,T=270℃)(来源:Kunststofftechnik Paderborn)

可以达到的纤维长度取决于挤出机的负荷点。事实证明,每种材料的均匀性都可以在高温条件下得到改善(图4)。从工艺技术的角度来看,一般建议以温度的上限加工材料。在熔体中加工纤维也有助于获得更高的纤维比例(按重量百分比计)。与纤维比例为20%(按重量计)的纤维相比,其可以达到的纤维长度更短(图5)。

通过反压力获得均匀的纤维分布

除了纤维长度,熔体中纤维的均匀分布对可获得的部件质量而言也至关重要。样品在多个反压力下挤出,并且通过侧面拍照来评估纤维分布情况。如果样品中没有可识别的纤维束,则纤维分布是均匀的。一般来说,每种材料都可以找到特定的反压力值来获得均匀的纤维分布。

图6 纤维比例为30%(按重量计)时可以 达到的均匀性(来源:Kunststofftechnik Paderborn)

图6 纤维比例为30%(按重量计)时可以达到的均匀性(来源:Kunststofftechnik Paderborn)

据观察,当纤维比例为30%(按重量计)时,纤维充分均化需要更高的反压力。虽然团聚体在纤维比例为20%(按重量计)时快速溶解,但只有在纤维比例为30%(按重量计)且反压力为14巴以上时才能充分均化。图6所示为挤出样品在两种不同的反压力条件下且纤维比例为30%(按重量计)时的侧面图。如图所示,样品中的团聚体在14巴的反压力下溶解更充分。

另据观察,对于高粘度基材材料而言,更高的粘度对纤维束溶解的作用更大。选用HP Moplen 500 N(PP,制造商:LyondellBasell)为基材时,纤维的缩短程度与HP Moplen 500 V相当。但是,它需要15巴以上的反压力使熔体充分均化。HDPE和玻璃纤维的直接配混也很成功。在粘度较高的情况下,反压力值也会增大而不会通过侧孔填满挤出机。较高的反压力(30巴以上)反过来能够形成充分均化的样品。

根据纤维比例(按重量百分比计)和基材粘度的不同,纤维束的溶解可通过添加剂或螺杆的剪切区来改善。分散剂等添加剂能够降低粘度,但会增加材料成本。尽管如此,添加剂也能降低同等均化所需的压力,而这对部件的纤维长度有着积极影响。剪切区能够通过机械方式溶解纤维束,但与具有混合区的螺杆相比降低了可以达到的纤维长度。

图7 在温度为270℃且玻璃纤维比例为30%的条件下,转速对平均纤维长度的影响(来源: Kunststofftechnik Paderborn)

图7 在温度为270℃且玻璃纤维比例为30%的条件下,转速对平均纤维长度的影响(来源:Kunststofftechnik Paderborn)

转速影响着材料的剪切速度及其在挤出机中的停留时间。转速越快,纤维越长,因为材料的停留时间过短。以纤维比例为30%(按重量计)的低粘度PP为例,转速对纤维长度的影响如图7所示。随着粘度的增加,剪切的效果决定了材料的停留时间。因此,高转速和短停留时间会导致纤维缩短。有鉴于此,转速应根据基材和温度进行选择。

展望

通过单螺杆挤出机生产长纤维增强塑料的生产阶段工艺预计将在未来三年内推向市场。建筑行业连续部件制造商中发现了在挤出过程中直接配混的典型应用。直接配混方法的低产量有助于显著降低成本。

直接配混工艺还有待研究用于加工其他塑料,例如聚酰胺。未来,该方法还将被引入到注塑成型领域。目前的挑战是如何尽可能经济高效地开发技术,包括所有潜力。相应的项目计划将于2019年5月开始。

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