適用新型茂金屬聚乙烯加工的螺桿設(shè)計(jì)

蔡成鵬 李潤豐

（廣東金明精機(jī)股份有限公司）

摘 要：本文介紹了近年來茂金屬聚乙烯的發(fā)展方向，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比找出新牌號(hào)茂金屬聚乙烯樹脂

與傳統(tǒng)茂金屬聚乙烯在流變行為的不同。結(jié)合新茂金屬聚乙烯的流變特性改進(jìn)螺桿設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了擠出試驗(yàn)論證。

關(guān)鍵詞：茂金屬聚乙烯 剪切變稀 粘度 熔體溫度 壓力

Design of screw which is suitable for new metallocene polyethylene processing CaiChengpeng Li Runfeng

（Jinming Machinery(Guangdong)CO.,LTD）

Abstract：This paper overview the development direction of metallocene polyethylene in recent years, find the

different between new grade metallocene polyethylene resin and previous generation of metallocene polyethylene in rheological behavior by comparing experimental data. then we improve the screw design by the rheological characteristics of new grade metallocene polyethylene and do the extrusion test to prove it.

Keywords：metallocene polyethylene shear thinning viscosity melt temperature pressure

聚乙烯是一種傳統(tǒng)熱塑性塑料，茂金屬聚乙烯，是使用茂金屬(MAO)為聚合催化劑生產(chǎn)出來的線性聚乙烯，性能上比傳統(tǒng)的Ziegler-Natta催化劑聚合而成的LLDPE優(yōu)越不少。

受剪切粘度大，給加工帶來很大困難。主要表現(xiàn)在產(chǎn)量不高，塑化質(zhì)量難以保證，也因?yàn)閮r(jià)格的因素，茂金屬聚乙烯的使用受到一些；因此，茂金屬的改良升級(jí)也在不停進(jìn)行中。

隨著環(huán)保要求和循環(huán)經(jīng)濟(jì)概念推動(dòng)，近年來原料廠家向減薄和可回收方向?qū)で笸黄?，通過采用先進(jìn)的催化技術(shù)、工藝研究和應(yīng)用專業(yè)技術(shù)，和專有的茂金屬催化劑相結(jié)合，開發(fā)出一系列新型茂金屬聚乙烯產(chǎn)品，滿足市場需求；旨在為各種薄膜應(yīng)用提供非凡的性能并提高生產(chǎn)效率，簡化薄膜原材料配方。用這些新型茂金屬聚乙烯產(chǎn)品吹制的薄膜較原先的材料厚度減小，但強(qiáng)度更高，在工業(yè)產(chǎn)品、個(gè)人護(hù)理品、食品等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)新的減量化包裝解方案。

一、茂金屬的發(fā)展現(xiàn)況

薄膜作為茂金屬聚乙烯中一類極其重要的應(yīng)用，主要包括食品包裝膜、拉伸纏繞膜、重包裝膜、固體包裝材料等，其中包裝薄膜（含食品包裝、非食品包裝、重包裝袋）為最大的應(yīng)用領(lǐng)域。茂金屬聚乙烯在韌性、透明度、低溫?zé)岱狻⒌蜌馕兜确矫娴葍?yōu)勢明顯，在多個(gè)方面慢慢取代高壓和線性聚乙烯。茂金屬聚乙烯雖然在性能上具有明顯的優(yōu)勢，但由于其相對(duì)分子質(zhì)量分布很窄，

二、新型茂金屬的流變性能

新型茂金屬聚乙烯產(chǎn)品不僅物理性能上有大的提升，可加工性能方面也進(jìn)行優(yōu)化；合成工藝上通過選用不同茂金屬催化劑或混合催化劑，加寬茂金屬聚烯烴樹脂的相對(duì)分子質(zhì)量分布或生成分子量分布雙峰類型，或在分子主鏈中引入長支鏈等方法進(jìn)行分子結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，改進(jìn)茂金屬聚烯烴樹脂的加工性能；新型茂金屬聚乙烯基本上都有明顯的剪切變稀特性，簡單用熔體流動(dòng)比率來體現(xiàn)，可以從材料物性表上數(shù)據(jù)計(jì)算得出；熔體流動(dòng)比率，是將茂金屬聚乙烯在21.6 kg和2.16 kg兩個(gè)條件下的熔融指數(shù)做比值，這個(gè)值能大概表示材料在高低兩種剪切速率下的粘度

變化；數(shù)值越高，材料剪切變稀能力越明顯；通過對(duì)比我們發(fā)現(xiàn)，新型茂金屬聚乙烯這個(gè)數(shù)值普遍高于普通茂金屬聚乙烯，顯示出較好的剪切變稀能力。我們收集了多個(gè)新型茂金屬牌號(hào)資料，并選取幾個(gè)材料進(jìn)行熔體流變實(shí)驗(yàn)和擠出測試，進(jìn)行數(shù)據(jù)收集分析和驗(yàn)證。

新茂金屬聚乙烯熔融指數(shù)相對(duì)較低，多數(shù)牌號(hào)基本在1 g/10 min以下，最低的達(dá)到0.2 g/10 min；低熔融指數(shù)說明材料在低剪切速率下粘度較大，流動(dòng)性較差，在擠出生產(chǎn)時(shí)螺桿低轉(zhuǎn)速下的扭矩和熔體壓力都普遍高于普通茂金屬；新茂金屬聚乙烯產(chǎn)品得密度范圍也寬，在超低密度到中密度之間，從0.908~0.940 g/cm3都有相應(yīng)牌號(hào)，適合不同應(yīng)用要求。

表1 機(jī)筒熔體壓力與過濾網(wǎng)熔體溫度

機(jī)筒熔體壓力 MPa 機(jī)筒熔體壓力與過濾網(wǎng)熔體溫度 一區(qū) 二區(qū) 擠出機(jī)1 擠出機(jī)2 擠出機(jī)3 10.5 28.8 34.8 39.3 49.1 58.3 三區(qū) 四區(qū) 五區(qū) 網(wǎng)前 47.2 53.1 57.2 52.7 47.8 55.3 46.9 49.3 43.4 42.4 44.5 38.7 網(wǎng)后 34.6 37 30.8 網(wǎng)前 166 175 171 網(wǎng)后 167 173 173 過濾網(wǎng)熔體溫度 ℃

圖1 流變曲線

我們選取10-1000 s-1剪切速率范圍進(jìn)行流變測試，這個(gè)范圍是擠出工藝典型的剪切速率范圍，覆蓋材料在擠出螺桿的受剪切速率值。幾個(gè)粘度曲線對(duì)比圖（見圖1）可以看到，新茂金屬聚乙烯在低剪切速率區(qū)域的剪切粘度要明顯高于普通茂金屬聚乙烯，這表現(xiàn)為加工時(shí)機(jī)筒內(nèi)熔體壓力都高于普通茂金屬聚乙烯；這與在擠出過程中擠出機(jī)機(jī)筒上各段壓力傳感器檢測的數(shù)值相吻合，見表1。

高壓力下原料對(duì)螺桿表層的摩擦增大，長時(shí)間會(huì)擦除螺桿鍍層，造成螺桿褪色，表面被腐蝕；螺桿在低速轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)下承受較大的扭力，需配置大功率電動(dòng)機(jī)和選擇好的螺桿材料，減少被扭斷的風(fēng)險(xiǎn)。隨著剪切速率的升高，新茂金屬聚乙烯表現(xiàn)出明顯的剪切變稀性能，在高剪切速率區(qū)域，剪切粘度快速降低，接近或低于高熔指普通茂金屬聚乙烯，甚至低于某些牌號(hào)的線性聚乙烯，顯示很好的加工性能，這種剪切變稀特性對(duì)比高壓聚乙烯，從流變曲線的斜率看已經(jīng)很接近（見圖1）。明顯的剪切變稀能力使其在螺桿高轉(zhuǎn)速下能保持螺桿的扭矩和熔溫穩(wěn)定，不會(huì)有過高的上升，實(shí)現(xiàn)熔體高速擠出和膜泡穩(wěn)定性。

三、螺桿的改進(jìn)設(shè)計(jì)

近年來吹塑設(shè)備朝多層，高產(chǎn)方向發(fā)展，利用五層、七層設(shè)備做非阻隔產(chǎn)品，每小時(shí)生產(chǎn)500kg的薄膜都已不是什么新鮮事物；另外，生產(chǎn)原料配方也悄悄發(fā)生改變，由過去機(jī)筒里的原料大雜燴轉(zhuǎn)變成各層擠出機(jī)使用單一材料或少量共混，這種改變除了設(shè)備升級(jí)方面的原因，也有自身優(yōu)勢的驅(qū)動(dòng)，一是可以盡量減少混料帶來的材料優(yōu)勢性能下降，滿足產(chǎn)品減薄后的性能要求；二是避免多種材料間的流動(dòng)性差異導(dǎo)致的塑化不良或分散不均的問題；三是隨著多層設(shè)備的普及，配方設(shè)計(jì)更加靈活，擠出各層的功能性更加明顯，不需要在一個(gè)機(jī)筒中混多種材料來實(shí)現(xiàn)多個(gè)功能。所以，螺桿加工高含量甚至是純茂金屬材料，且做到高速擠出的生產(chǎn)狀況會(huì)越來越普遍，如何解決在高擠出產(chǎn)量下產(chǎn)生的高壓高摩擦熱和塑化

不良等問題也是擠出螺桿設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。當(dāng)然，高產(chǎn)量下的能耗也是薄膜生產(chǎn)商們重點(diǎn)關(guān)注的另一個(gè)方面。

總結(jié)以上各點(diǎn)，就是高產(chǎn)量、低溫?cái)D出、低能耗是目前市場對(duì)單螺桿擠出的普遍要求，并隨著多層共擠設(shè)備的普及，可加工高含量甚至純用純茂金屬聚乙烯的擠出生產(chǎn)方式也要能夠滿足。多年來，基本的螺桿設(shè)計(jì)一直保持相對(duì)穩(wěn)定，所以，對(duì)近年推出的新材料和適應(yīng)薄膜生產(chǎn)商更高的生產(chǎn)需求，螺桿應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)設(shè)計(jì)。

螺桿結(jié)構(gòu)上我們選擇目前加工多采用的帶強(qiáng)制進(jìn)料的分離型螺桿，基本能滿足加工需要，可以取得較好的效果。

進(jìn)料段的設(shè)計(jì)主要對(duì)擠出機(jī)的產(chǎn)量及能耗有著重要的影響，基于固體輸送理論，采用強(qiáng)制進(jìn)料的螺桿，進(jìn)料段可產(chǎn)生高壓，并一直影響延續(xù)至后面幾段結(jié)構(gòu)，這時(shí)，模頭壓力再也不是影響產(chǎn)量的主要因素，同時(shí)進(jìn)料段形成的高壓能減輕擠出波動(dòng)情況；對(duì)于強(qiáng)制進(jìn)料螺桿來說，產(chǎn)量主要是隨著螺桿轉(zhuǎn)速的增加呈線性增長趨勢。

可以說，進(jìn)料段的結(jié)構(gòu)基本決定原料輸送量，直接關(guān)系到產(chǎn)量高低；從理論上講：螺距大，螺棱對(duì)物料向前輸送的推力增大，軸向輸送能力提高；其實(shí)螺距增大也增加了原料沿圓周方向轉(zhuǎn)動(dòng)趨勢，降低進(jìn)料效率；因此選擇強(qiáng)制進(jìn)料螺桿，在機(jī)筒內(nèi)壁上設(shè)計(jì)軸向直槽，能改變固體顆粒和筒壁之間的摩擦力，減少原料沿筒向的運(yùn)動(dòng)；設(shè)計(jì)時(shí)也可以適當(dāng)增大加料段的螺距，一般普通的強(qiáng)制螺桿的螺距為0.8 D，可適當(dāng)增加至1 D，提高產(chǎn)量和建壓能力。而且強(qiáng)制進(jìn)料螺桿的螺槽深度越深輸送量不一定大，螺槽深度設(shè)計(jì)除考慮強(qiáng)度外，主要取決于原料的形狀，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，螺槽的深度應(yīng)該取原料粒徑的3倍時(shí)輸送的效率最佳；加料段的長度考慮進(jìn)料段的強(qiáng)輸送能力，能很快向前輸送物料并壓實(shí)，可以比常規(guī)螺桿短一些，5 D基本足夠。

進(jìn)料段螺桿的設(shè)計(jì)需有合適的開槽機(jī)筒相配套，才能達(dá)到提高產(chǎn)量的效果；機(jī)筒壁開溝溝槽形狀一般有矩形、半圓形、三角形等，一般選用

矩形即可，溝槽深度逐漸變淺，使物料順利被推出構(gòu)槽，不影響轉(zhuǎn)換配方。螺槽的深度根據(jù)原料尺寸來設(shè)計(jì)，原則上必須比顆粒的最大尺寸再大一些；螺槽數(shù)量與寬度可結(jié)合螺桿直徑來設(shè)計(jì)；強(qiáng)制進(jìn)料段會(huì)制造高壓，螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生摩擦熱，長時(shí)間生產(chǎn)不斷積累熱量，使溝槽段原料軟化，甚至熔融粘附在溝槽內(nèi)或其他未熔原料，降低輸送效率。因此，機(jī)筒強(qiáng)制進(jìn)料段的帶溝槽段一周需設(shè)計(jì)冷卻水圈，避免該段溫度過高。

加料段結(jié)束后螺桿的深度從約在1 D內(nèi)迅速變深，主要考慮減少物料進(jìn)入熔融段壓力；這一點(diǎn)和常規(guī)螺桿的設(shè)計(jì)有著很大的不同，沒有明顯的壓縮比甚至是反壓縮比；當(dāng)物料從加料段進(jìn)入熔融段后，機(jī)筒開槽溝槽和螺槽中的原料都被送進(jìn)螺桿螺槽，此時(shí)如按常規(guī)思路設(shè)計(jì)，螺槽應(yīng)逐漸變淺，通過壓縮對(duì)物料進(jìn)行擠壓使其熔融；對(duì)強(qiáng)制進(jìn)料螺桿來說，物料往前輸送的量和壓力沒有直接關(guān)系，截面積變小產(chǎn)生的高壓阻力對(duì)進(jìn)料沒有影響，物料會(huì)被硬擠入熔融段中，短時(shí)間內(nèi)受到更大壓縮，使驅(qū)動(dòng)螺桿功率驟增，螺桿所受扭距加大，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生更大磨損。所以螺槽的深度在熔融段要逐漸變深，以增大螺槽容積，釋放掉部分壓力有利于降低電流，節(jié)省能源和保護(hù)螺桿。

產(chǎn)量的提升需要提高螺桿的塑化能力，通過采用分離螺紋結(jié)構(gòu)，將熔體與固體分離，使未熔相能夠更好接受螺桿剪切，也減少螺棱對(duì)熔融物料的摩擦；通過合理分配固液在螺槽中的比例，從而進(jìn)一步提升塑化效率。鑒于新茂金屬聚乙烯的高粘度，流動(dòng)粘度會(huì)比較高，螺槽內(nèi)剪切會(huì)較加工普通茂金屬更大一些；設(shè)計(jì)時(shí)可以適當(dāng)增大液相槽的起始寬度，允許一部分未熔物進(jìn)入液相槽內(nèi)，通過耗散效應(yīng)而不是靠剪切使這部分未熔物在液相槽中融化，降低液相槽溫度和提高熔融效率，這也減輕了分離段起始端的壓力；為控制進(jìn)料段出口的壓力不至于過大和減少扭矩，和避免因物料輸送時(shí)阻力過大所造成的產(chǎn)量下降和能耗過高，熔融段的設(shè)計(jì)都采用小壓縮比，原料在該段沒有受到過度壓縮和剪切；原料熔融的能量

大部分來自機(jī)筒的加熱，熔融效率偏低。為了減少分離段前未熔物的比例，可以在熔融段末端適當(dāng)減少螺槽的深度，通過壓縮來加快材料融化。副螺棱與機(jī)筒的間隙也可適當(dāng)增大，機(jī)筒內(nèi)材料輸送產(chǎn)生的背大，新牌號(hào)原料粘度高，適當(dāng)?shù)拈g隙不會(huì)減小拉伸流動(dòng)對(duì)熔體的分散效果，反而能釋放物料向前的壓力，有利于擠出和控制熔溫。液相槽的深度適當(dāng)減少，促進(jìn)熔體向前輸送，減少熔融物料受過多剪切。固相槽的深度變化要平緩，螺槽末端深度不必過淺，機(jī)筒內(nèi)的高壓已制造足以熔融需要的剪切，盡量降低扭矩和溫升。分離段末端連接一個(gè)斜槽屏障混煉元件Maddock，采用多螺槽以及反向螺槽，通過不斷變換熔融物料的位置來實(shí)現(xiàn)低溫升下的均勻混合。該元件采用位移不斷變化結(jié)構(gòu)，具有銷釘分流和屏障混合的雙重優(yōu)點(diǎn)，對(duì)熔體的混煉作用可使塑化不良物得到充分得熱交換，促進(jìn)其熔融，也能提高螺桿的自潔性。屏障棱能起到阻擋未熔物的作用，如有塑化不良的小顆粒，從進(jìn)料槽越過屏障棱間隙進(jìn)入出料槽時(shí)會(huì)受到拉伸和剪切雙重作用，顆粒在這里被熔融消除；對(duì)于流動(dòng)性好的材料這種設(shè)計(jì)確實(shí)可以起到消除塑化不良物的作用，且減少間隙可以控制通過顆粒直徑；但對(duì)于粘度高的材料，間隙減少會(huì)增加熔體通過時(shí)的壓力和造成溫升的問題，過小的過流面積只會(huì)制造高壓高剪切，增加熔體通過時(shí)間，熔體受到過度剪切后，熔溫被提高，在高壓環(huán)境下容易促進(jìn)超高分子量凝膠的形成，起到相反的作用所以對(duì)于流動(dòng)粘性大的材料，特別是加工新型茂金屬聚乙烯時(shí)，得考慮相反的設(shè)計(jì)思路，盡量避免使用減少截面積的方法去消除未熔物，所以適當(dāng)?shù)卦龃筮@個(gè)間隙，并去掉屏障元件兩端的密封段，控制該段熔壓保持在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，并使熔體順利通過。

螺桿的末端可根據(jù)配方中添加劑的含量適當(dāng)添加混合元件，提高顏色或助劑分布，比如銷釘或偏心波狀螺紋等，通過分割料流或不?？s放的形式提高混合效果。

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圖3 進(jìn)口2#和國產(chǎn)2#升降溫曲線對(duì)比圖

從圖2和圖3可以看出：1#熔融峰的峰值溫度也低于2#，因此2#結(jié)晶更加完善。在降溫過程中，1#的結(jié)晶溫度低于2#近4#，說明在同樣的降溫過程中，1#的結(jié)晶速率比2#慢得多。國產(chǎn)劑和進(jìn)口劑樣品結(jié)晶行為基本沒區(qū)別[8]。

注：紅色代表進(jìn)口催化劑生產(chǎn)的聚乙烯，黑色代表國產(chǎn)催化劑生產(chǎn)的聚乙烯。

3 結(jié)論

a）通過13C-NMR和IR對(duì)PE樹脂進(jìn)行共聚組成定量分析，分析結(jié)果可以很好地反應(yīng)生產(chǎn)中的單耗情況，這可以幫助在新牌號(hào)開發(fā)和國產(chǎn)劑試用過程中進(jìn)行快速準(zhǔn)確的全成本核算。

b）表征分析在聚乙烯樹脂研究中將占有越來越重要的地位，通過對(duì)樹脂的表征，可以得到精細(xì)的聚合物結(jié)構(gòu)信息，這對(duì)新牌號(hào)開發(fā)和新催化劑試用都具有十分重要的意義。

c）不同的表征手段，各有優(yōu)缺點(diǎn)，需要相互結(jié)合起來研究，快速的表征分析為聚乙烯裝置的穩(wěn)定生產(chǎn)和參數(shù)控制，提供重要的參考依據(jù)。

d）在產(chǎn)品性能與生產(chǎn)單耗方面，國產(chǎn)催化劑已經(jīng)完全滿足了替代進(jìn)口催化劑的要求。

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四、擠出試驗(yàn)

按照以上思路我們設(shè)計(jì)了一根直徑80 mm的螺桿并進(jìn)行投產(chǎn)測試；螺桿結(jié)構(gòu)為進(jìn)料段約5.5 D，熔融段12 D，分離段約8 D，屏障段2.5 D，混合段3 D；進(jìn)料段螺距0.9 D，分離段主螺距1.15 D，附螺棱螺距約1.3 D，并通過模擬軟件優(yōu)化各段細(xì)節(jié)參數(shù)；選用熔融指數(shù)為0.2 g/10 min、密度0.940 g/cm3的茂金屬材料進(jìn)行擠料測試，擠出機(jī)電動(dòng)機(jī)功率100 kW，螺桿最大轉(zhuǎn)速100 r/min。

新螺桿在75 r/min轉(zhuǎn)速時(shí)產(chǎn)量達(dá)到232 kg/h，電流132.2 A，電流占比66.4%，每轉(zhuǎn)產(chǎn)量3.1 kg/h，熔融溫度205℃；對(duì)比之前測試數(shù)據(jù)，未修改螺桿 r/min的產(chǎn)量只有161 kg/h、電流118.9 A，電流占比59.7%，每轉(zhuǎn)產(chǎn)量2.51 kg/h，熔融溫度215℃。在產(chǎn)量和熔溫方面，新設(shè)計(jì)螺桿產(chǎn)量比之前提高23.5%，料溫降低10℃。