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挤出螺杆磨损和保护
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【摘要】:

当挤出热塑性复合材料时,螺杆的设计和螺杆、螺筒的结构至关重要。如果提前考虑好这些问题.就能保证圆满地完成热塑性复合材料的加工。一般,用于热塑性复合材料的螺杆的设计主要涉及两个不同的方面,一是材料的混合;二是热塑性复合材料的加工。

当挤出热塑性复合材料时,螺杆的设计和螺杆、螺筒的结构至关重要。如果提前考虑好这些问题.就能保证圆满地完成热塑性复合材料的加工。一般,用于热塑性复合材料的螺杆的设计主要涉及两个不同的方面,一是材料的混合;二是热塑性复合材料的加工。本文主要讨论了后者。但实际上探讨的很多问题与这两个方面都直接相关。

可以使碳化钨颗粒悬浮在双金属内衬的基础材料中。这一最先由Xaloy发明的专利技术可使料筒的寿命延长4-5倍,其最先在塑料行业中的应用是在20年前。这些料筒不仅可以用于挤出含有更高填料的树脂,而且可确保挤出机在更高的挤出速度下运行。


螺杆设计

大多数被用于热塑性树脂挤出的螺杆的主要作用是:喂料、塑化和挤出。一般,螺杆的喂料段用于传送固体树脂和填料。与那些用于没有添加填料的热塑性聚合物的螺杆相比,用于热塑性复合材料的螺杆的喂料段在结构上具有很大的区别,其主要受固体粒子的相对摩擦系数的影响。一般,在喂料阶段产生的摩擦来自于3个方面,即:粒子与料筒壁之间的摩擦,粒子与螺杆之间的摩擦,以及粒子与粒子之间的摩擦。尽管在喂送那些没有添加填料的纯净树脂时表现良好,但随着填科的添加,摩擦系数会发生明显的变化,从而极大地影响了螺杆的喂料效率。例如,随着云母的加入,摩擦系数会明显降低,此时就应该加长螺杆的喂料段并保持恒定的深度。以确保物料在进入螺杆的塑化段(包括输送段和屏障段)前获得足够的喂送力(稳定的压力)。

同样地,为了改善粒子的传送效率,还需要改变温度环境,这可以通过提高料筒第一段区的温度,以增大粒子与料筒壁之间的摩擦系数来得以实现,从而使聚合物粘附到料筒上被向前输送。通常,不稳定的或低效的喂科过程会直接导致产出率的降低,并对加工过程带来不良影响。


螺杆结构与聚合物的塑化

一般,螺杆的几何形状影响塑化效果的一个重要因素是体积压缩率,这主要取决于输送段或屏障段的体积变化。当加入填料后,树脂的比重会增大,例如,未添加填科的纯净2MFRPP的比重为0.92。而添加了40%滑石粉的同一树脂的比重是1.24。混合物的密度提高了35%。而其中聚合物的含量减少了40%的情况下,填料会占据螺杆大量的容积且不易被熔融。为此就需要对螺杆的设计结构做必要的补偿处理。由于填料的体积并不会随着温度的变化而有明显的改变.因此在螺杆的设计中必须充分考虑螺杆塑化段的深度。例如,用于未填充PP的螺杆的体积压缩率是3.5:1-3.75:1。而40%滑石粉填充PP的体积压缩率则是2.75:1-3.25:1(依据螺杆的尺寸)。

用于热塑性复合材料的屏障型螺杆,除了要考虑螺杆塑化段的深度外,还要考虑屏障处的流动间隙。当聚合物沿着料筒壁熔融后,就会离开固体通道而流向屏障段的流动间隙处并在此积聚起来。由于混合后的聚合材料中含有不可压缩的填料成分,因此就必须考虑在屏障处设置更大的间隙量以确保熔体的自由流动。否则,将会在固体通道和熔融通道之间产生巨大的压差。从而引起中间段的料筒温度过高。


挤出聚合物

挤出螺杆的输出段同样对加工的稳定性起着十分重要的作用。在注射成型中,螺杆是通过一个止回阀阻止熔融聚合物的回流。以积聚下一次所需的注射量。与之相对比,挤出加工则需要稳定、均匀的输出。在此非常重要的是,树脂要被均匀地熔融和稳定地挤出,尤其是螺杆计量段的输出必须稳定。特别是加有填料的树脂具有较高的粘性,粘性的提高有助于稳定挤出。但如果挤出模头的设计结构不能适应高粘性的混合物时,会引起较高的机头压力。


螺筒料筒温度过高

如果将专为非填充的纯净树脂设计的螺杆用于加有填料的树脂时,尽管表面上是可行的,但实际上在料筒内部往往会发生一些意外。通常,最明显的表现是料筒区域的温度过高,这是由填料的非压缩性引起的,也就是说,温度过高的原因是由于在螺杆的特殊区段中发生了粘滞性加热,从而引起了料筒区域的过热。实际上,正是由于材料过黏使其难以平滑地流过螺杆通道的一段。

通常,可在过热前提高科筒所有区段的加热温度,这有助于提高树脂的温度,降低其粘性,从而使树脂能够很容易地从螺杆的过热段流过。但这只是一个临时的解决方案,长期使用的解决方案应该是,采用针对加有填料的树脂而专门设计的螺杆。根据热塑性混合物中的填料量而设计的螺杆不仅可消除过热现象,而且减小了对螺杆的磨损。


螺杆的磨损和保护

加工热塑性复合材料,螺杆和料筒的磨损问题是必须考虑的。如果热塑性复合材料的体积压缩系数不容乐观,那么就会在螺杆的根部产生明显的磨损现象。不同的填料会引起不同的磨损,出现在螺杆的不同区域。像云母和玻璃纤维这类的填料所引起的磨损则主要发生在填充的喂料段。通常情况下,磨损在螺杆的第三、第四圈螺棱开始出现,并将延伸到输送段的第三、第四和第五圈螺棱。特别是容易出现在推动材料流动的用力一侧。

之所以大多数磨损会发生在这些区域中,是因为处于螺杆这些区域中的树脂以小球形式存在。而且复合材料又靠近小球的外表面,从而对未受保护的螺杆根部造成磨损。一旦树脂开始熔融,熔融的树脂产生的一层薄膜就会对小球和螺杆根部的区域进行润滑。

特别地,一种低成本的减少螺杆根部磨损的方法是对螺杆进行氮化处理,以使根部和流动面的硬化深度达到0.381mm-0.508mm,硬度达到60Rc。一旦氮化处理层被完全磨损,内层金属就会像刀切面包一样地被磨损掉。但问题在于,操作人员并不知道何时会发生这一现象,除非定期将螺杆从挤出机中拉出来并对其进行检查。一般此类磨损是可修复的,唯一的问题是在新补焊的材料与原来经氮化处理的基材接触处会产生很多针眼。这些针眼是在焊接的过程中由金属基材上的氮气“沸腾”所引起的。目前基本上没有什么办法可以防止这些针眼的产生。尽管如此,除了影响螺杆的外观外,它们并不会影响螺杆的性能。

防止螺杆推动材料流动的受力侧出现早期磨损的另一种方法是,在螺杆易被磨损的区域,如喂料段和输送段的前部采用局部特殊处理,对于小型螺杆,对其进行保护的方法是使用一种碳化钨涂层。处理这种保护涂层的方法包括:高速氧化燃料(HVOF)、喷焊、电解。与氮化处理相比,这两种方法都能很好地保护螺杆的根部。尽管氮化处理也是一种很好的保护方法.但需要一些额外的投入。

对于新的较大的螺杆,可以采用局部特殊处理或者将螺杆的根部完全保护起来,其做法是,在加工螺杆通道时.使其深度比最终的成品螺杆更深些.然后将硬质材料添入螺杆的根部和受力侧。

最后一种保护螺杆的方法是采用碳化钨悬浮材料进行喷焊和电解处理,如Xaloy的专利技术X8000。在购买新的螺杆时,所有这些保护螺杆的方法都需要额外的费用支出。但是延长和稳定的使用寿命远远超过了投入本身。


料筒的磨损

正如上述的螺杆磨损一样,磨损同样出现在挤出机的料筒内衬上。采用目前的双金属技术,在料筒的金属底材上离心浇铸上双金属的内衬。从而可使料筒获得长久的耐用性。

近年来,塑料工业越来越盛行将各种填料和添加剂混配到热塑性树脂中。通过添加滑石粉、云母、碳酸钙和粘土等填料,可以增强各种塑料材料的硬度、强度和使用性能。由于在热塑性复合材料的加工过程中。这些填料会对加工设备的使用性能提出特殊的要求并影响其使用寿命。因此我们将更多地讨论有关螺杆料筒的磨损问题。

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