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      擠出螺桿磨損和保護
      分類: 行業新聞
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      【摘要】:

      當擠出熱塑性復合材料時,螺桿的設計和螺桿、螺筒的結構至關重要。如果提前考慮好這些問題.就能保證圓滿地完成熱塑性復合材料的加工。一般,用于熱塑性復合材料的螺桿的設計主要涉及兩個不同的方面,一是材料的混合;二是熱塑性復合材料的加工。

      當擠出熱塑性復合材料時,螺桿的設計和螺桿、螺筒的結構至關重要。如果提前考慮好這些問題.就能保證圓滿地完成熱塑性復合材料的加工。一般,用于熱塑性復合材料的螺桿的設計主要涉及兩個不同的方面,一是材料的混合;二是熱塑性復合材料的加工。本文主要討論了后者。但實際上探討的很多問題與這兩個方面都直接相關。

      可以使碳化鎢顆粒懸浮在雙金屬內襯的基礎材料中。這一最先由Xaloy發明的專利技術可使料筒的壽命延長4-5倍,其最先在塑料行業中的應用是在20年前。這些料筒不僅可以用于擠出含有更高填料的樹脂,而且可確保擠出機在更高的擠出速度下運行。


      螺桿設計

      大多數被用于熱塑性樹脂擠出的螺桿的主要作用是:喂料、塑化和擠出。一般,螺桿的喂料段用于傳送固體樹脂和填料。與那些用于沒有添加填料的熱塑性聚合物的螺桿相比,用于熱塑性復合材料的螺桿的喂料段在結構上具有很大的區別,其主要受固體粒子的相對摩擦系數的影響。一般,在喂料階段產生的摩擦來自于3個方面,即:粒子與料筒壁之間的摩擦,粒子與螺桿之間的摩擦,以及粒子與粒子之間的摩擦。盡管在喂送那些沒有添加填料的純凈樹脂時表現良好,但隨著填科的添加,摩擦系數會發生明顯的變化,從而極大地影響了螺桿的喂料效率。例如,隨著云母的加入,摩擦系數會明顯降低,此時就應該加長螺桿的喂料段并保持恒定的深度。以確保物料在進入螺桿的塑化段(包括輸送段和屏障段)前獲得足夠的喂送力(穩定的壓力)。

      同樣地,為了改善粒子的傳送效率,還需要改變溫度環境,這可以通過提高料筒第一段區的溫度,以增大粒子與料筒壁之間的摩擦系數來得以實現,從而使聚合物粘附到料筒上被向前輸送。通常,不穩定的或低效的喂科過程會直接導致產出率的降低,并對加工過程帶來不良影響。


      螺桿結構與聚合物的塑化

      一般,螺桿的幾何形狀影響塑化效果的一個重要因素是體積壓縮率,這主要取決于輸送段或屏障段的體積變化。當加入填料后,樹脂的比重會增大,例如,未添加填科的純凈2MFRPP的比重為0.92。而添加了40%滑石粉的同一樹脂的比重是1.24?;旌衔锏拿芏忍岣吡?5%。而其中聚合物的含量減少了40%的情況下,填料會占據螺桿大量的容積且不易被熔融。為此就需要對螺桿的設計結構做必要的補償處理。由于填料的體積并不會隨著溫度的變化而有明顯的改變.因此在螺桿的設計中必須充分考慮螺桿塑化段的深度。例如,用于未填充PP的螺桿的體積壓縮率是3.5:1-3.75:1。而40%滑石粉填充PP的體積壓縮率則是2.75:1-3.25:1(依據螺桿的尺寸)。

      用于熱塑性復合材料的屏障型螺桿,除了要考慮螺桿塑化段的深度外,還要考慮屏障處的流動間隙。當聚合物沿著料筒壁熔融后,就會離開固體通道而流向屏障段的流動間隙處并在此積聚起來。由于混合后的聚合材料中含有不可壓縮的填料成分,因此就必須考慮在屏障處設置更大的間隙量以確保熔體的自由流動。否則,將會在固體通道和熔融通道之間產生巨大的壓差。從而引起中間段的料筒溫度過高。


      擠出聚合物

      擠出螺桿的輸出段同樣對加工的穩定性起著十分重要的作用。在注射成型中,螺桿是通過一個止回閥阻止熔融聚合物的回流。以積聚下一次所需的注射量。與之相對比,擠出加工則需要穩定、均勻的輸出。在此非常重要的是,樹脂要被均勻地熔融和穩定地擠出,尤其是螺桿計量段的輸出必須穩定。特別是加有填料的樹脂具有較高的粘性,粘性的提高有助于穩定擠出。但如果擠出模頭的設計結構不能適應高粘性的混合物時,會引起較高的機頭壓力。


      螺筒料筒溫度過高

      如果將專為非填充的純凈樹脂設計的螺桿用于加有填料的樹脂時,盡管表面上是可行的,但實際上在料筒內部往往會發生一些意外。通常,最明顯的表現是料筒區域的溫度過高,這是由填料的非壓縮性引起的,也就是說,溫度過高的原因是由于在螺桿的特殊區段中發生了粘滯性加熱,從而引起了料筒區域的過熱。實際上,正是由于材料過黏使其難以平滑地流過螺桿通道的一段。

      通常,可在過熱前提高科筒所有區段的加熱溫度,這有助于提高樹脂的溫度,降低其粘性,從而使樹脂能夠很容易地從螺桿的過熱段流過。但這只是一個臨時的解決方案,長期使用的解決方案應該是,采用針對加有填料的樹脂而專門設計的螺桿。根據熱塑性混合物中的填料量而設計的螺桿不僅可消除過熱現象,而且減小了對螺桿的磨損。


      螺桿的磨損和保護

      加工熱塑性復合材料,螺桿和料筒的磨損問題是必須考慮的。如果熱塑性復合材料的體積壓縮系數不容樂觀,那么就會在螺桿的根部產生明顯的磨損現象。不同的填料會引起不同的磨損,出現在螺桿的不同區域。像云母和玻璃纖維這類的填料所引起的磨損則主要發生在填充的喂料段。通常情況下,磨損在螺桿的第三、第四圈螺棱開始出現,并將延伸到輸送段的第三、第四和第五圈螺棱。特別是容易出現在推動材料流動的用力一側。

      之所以大多數磨損會發生在這些區域中,是因為處于螺桿這些區域中的樹脂以小球形式存在。而且復合材料又靠近小球的外表面,從而對未受保護的螺桿根部造成磨損。一旦樹脂開始熔融,熔融的樹脂產生的一層薄膜就會對小球和螺桿根部的區域進行潤滑。

      特別地,一種低成本的減少螺桿根部磨損的方法是對螺桿進行氮化處理,以使根部和流動面的硬化深度達到0.381mm-0.508mm,硬度達到60Rc。一旦氮化處理層被完全磨損,內層金屬就會像刀切面包一樣地被磨損掉。但問題在于,操作人員并不知道何時會發生這一現象,除非定期將螺桿從擠出機中拉出來并對其進行檢查。一般此類磨損是可修復的,唯一的問題是在新補焊的材料與原來經氮化處理的基材接觸處會產生很多針眼。這些針眼是在焊接的過程中由金屬基材上的氮氣“沸騰”所引起的。目前基本上沒有什么辦法可以防止這些針眼的產生。盡管如此,除了影響螺桿的外觀外,它們并不會影響螺桿的性能。

      防止螺桿推動材料流動的受力側出現早期磨損的另一種方法是,在螺桿易被磨損的區域,如喂料段和輸送段的前部采用局部特殊處理,對于小型螺桿,對其進行保護的方法是使用一種碳化鎢涂層。處理這種保護涂層的方法包括:高速氧化燃料(HVOF)、噴焊、電解。與氮化處理相比,這兩種方法都能很好地保護螺桿的根部。盡管氮化處理也是一種很好的保護方法.但需要一些額外的投入。

      對于新的較大的螺桿,可以采用局部特殊處理或者將螺桿的根部完全保護起來,其做法是,在加工螺桿通道時.使其深度比最終的成品螺桿更深些.然后將硬質材料添入螺桿的根部和受力側。

      最后一種保護螺桿的方法是采用碳化鎢懸浮材料進行噴焊和電解處理,如Xaloy的專利技術X8000。在購買新的螺桿時,所有這些保護螺桿的方法都需要額外的費用支出。但是延長和穩定的使用壽命遠遠超過了投入本身。


      料筒的磨損

      正如上述的螺桿磨損一樣,磨損同樣出現在擠出機的料筒內襯上。采用目前的雙金屬技術,在料筒的金屬底材上離心澆鑄上雙金屬的內襯。從而可使料筒獲得長久的耐用性。

      近年來,塑料工業越來越盛行將各種填料和添加劑混配到熱塑性樹脂中。通過添加滑石粉、云母、碳酸鈣和粘土等填料,可以增強各種塑料材料的硬度、強度和使用性能。由于在熱塑性復合材料的加工過程中。這些填料會對加工設備的使用性能提出特殊的要求并影響其使用壽命。因此我們將更多地討論有關螺桿料筒的磨損問題。

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