聚丙烯熔喷无纺布专用料挤出设备及工艺研究

2016-11-14田卫东梁晓刚天华化工机械及自动化研究设计院有限公司甘肃兰州730060

橡塑技术与装备 2016年2期

关键词：挤出机粉料无纺布

田卫东，梁晓刚（天华化工机械及自动化研究设计院有限公司，甘肃兰州 730060）

田卫东，梁晓刚（天华化工机械及自动化研究设计院有限公司，甘肃兰州 730060）

介绍了聚丙烯熔喷无纺布专用料改性挤出设备的组成，详细介绍了液体助剂加入系统和自落式拉条机头等关键部件的结构，并提出了较详细的操作运行工艺。该设备经实际生产运行考核，取得了良好的经济效益，得到了用户的高度认可。

聚丙烯熔喷料；高熔体流动速率；挤出设备；工艺

无纺布又称不织布，由定向或随机的纤维构成，属新一代环保材料，具有防潮、透气、柔韧、质轻、不助燃、色彩丰富、易分解、可循环再利用等诸多优点，广泛应用于农业、化工、建材、包装以及医疗卫生等行业［1］。

熔喷法无纺布工业化生产始于20世纪60年代末70年代初，当时只能采用已有的聚合物为原料，熔体流动速率MFR多为12～35 g/10 min［2］。而目前所应用的原料熔体流动速率已经达到1 200～1 500 g/10 min。

近年来，随着无纺布用品需求量的不断增大，对其专用树脂原料的需求也在不断地增加。无纺布的生产原料主要有聚丙烯（PP）、聚酯（PET）、尼龙（PA）或聚氯乙烯（PVC）等，其中以PP的用途最为广泛。本文所介绍的PP熔喷料熔体流动速率为1 200～1 500 g/min，其生产原料主要为PP粉末和Enox DTBP（一种二烷基过氧化物，作为聚丙烯降解的自由基给予体）。

1 挤出设备构成简介

挤出设备主要包括失重式固体加料系统、液体助剂加入系统、同向双螺杆挤出机、冷却水槽、打水机、风刀、切粒机、振动筛等，见图1。

机组主要技术参数如下：

主电机功率 250 kW；

螺杆直径 90 mm；

螺杆长径比（L/D） 60：1；

螺杆转速（max） 330 r/min；

产量 600 kg/h。

图1 设备现场照片

2 挤出设备关键零部件设计

用于生产熔体流动速率为1 200～1 500 g/10 min聚合物的挤出设备，其技术难点主要有以下两点：

（1）助剂的加入与分散。液体助剂加入系统必须能够提供压力恒定，流速稳定的料流，且螺杆组合能保证其与粉料的充分混合和反应。

出料成条。料条在下落的过程中由于重力作用会变细，且由于水槽内水流扰动，会使料条黏连，这些都是影响最终制品质量的因素，因此必须使料条入水距离尽可能地缩短，以解决这些问题。

2.1 液体助剂加入系统

生产PP熔喷料［3］的助剂为液态的Enox DTBP，其在配方中所占的比例仅为5‰。为了使最终制品的熔体流动速率均匀，助剂与PP粉料须均匀地混合并发生充分的反应，这就要求助剂必须以压力恒定、流速均匀的状态加入。

液体助剂加入系统主要包括：加料系统、助剂注入阀及电控系统。液体助剂加入系统工作原理见图2。

图2 液体助剂加入系统工作原理图

此系统中采用的计量泵为往复式隔膜计量泵，在泵的吸入口与出液口都安装有脉动缓冲器。出液口的脉动缓冲器与背压阀同时使用，脉动缓冲器用以吸收泵和背压阀之间的流量峰值。背压阀实际使用中背压为0.2 MPa，用以确保足够的出液压力，以使计量泵能够正常的工作［4］。

为使助剂能顺利加入挤出机筒体中，助剂加入口设计在背操作侧的螺杆上方。这是因为螺杆工作时，背操作侧的一根螺杆充满程度较低［5］，筒体内腔产生的压力低，便于液体助剂的加入。其中液体注入阀见

2.2 自落式拉条机头

由于熔体物料流动性极好，且密度较小，料条垂直入水后，漂浮在水面上，料条韧性差，极易发生黏连和断条现象。因此要保证物料能实现正常拉条，有两点十分重要：①出料孔间距应足够大；②料条入水距离必须尽可能缩短。把握这两点关键因素，设计出了图4所示的自落式拉条机头。机头宽度为700 mm，出料模孔数49，模孔间距13.5 mm。模板出料口向下，这样就可以使水槽的水面与模板充分接近，缩短料条的入水距离，解决了料条黏连的问题。

图3 液体注入阀结构示意图

图4 自落式拉条机头结构示意图

由于该机头较宽，机头流道设计成窄缝状，实践证明，当挤出产量达到200 kg/h时，料流即可均匀地分布，各模孔可实现均匀出条，达到使用要求。

3 PP熔喷料挤出工艺研究

3.1 工艺温度

由于PP熔喷料的流动性极好，且料条韧性较差，极易断条，为保证物料挤出后能顺利拉条切粒，必须尽可能降低机头出料温度，使料条在进入水槽后尽快得到冷却。然而PP粉料的熔融、粉料与助剂的反应要充分进行都需要一定的基础温度，这就对挤出机各功能段的温度提出更加严格的工艺要求。挤出机各温控段分区示意图，见图5。

图5 挤出机温控区段示意图

如温度设置过低，物料的熔融与反应均不能充分进行，且主机电流会因此升高，加大能耗；但如果温度设置过高，则最终出料过高，极易造成料条粘连与断条现象的发生。二者之间的平衡是温度设计的关键所在，为保证PP粉料与DTBP助剂能充分反应，又能实现低温挤出，我们设定的挤出机各段温度，见表1。

3.2 螺杆及筒体组合

螺杆是挤出机最核心的工作部件，整根螺杆采用积木式组合结构，由具有各种不同功能的螺杆元件串在两根花键芯轴上而构成。其组合的合理与否直接决定了物料的塑化、混炼、排气及添加剂的分散效果。正常工作时，两根螺杆同向旋转，物料在其中实现相互共混、熔融、反应，产生分布混合和分散混合，使物料的表面不断更新，同时一些低分子挥发物被通过真空排气口抽出［7］。

表1 挤出机各温控段温度值

在PP熔喷料的生产过程中，物料在双螺杆挤出机中要完成原料加入、输送、掺混、熔融、反应、脱挥、均化等诸多过程。选择合理的螺杆长径比、筒体的排列顺序及螺杆组合至关重要。我们设计的螺杆长径比为60：1，共配置15节筒体，其中第一节为粉料加入筒体，第三节为液体助剂DTBP加入筒体，第六节为预留侧喂料筒体，第十一与十三节为真空排气筒体，其余均为闭合筒体。螺杆组合方面则进行了优化设计，见图6。

图6 螺杆组合图

在固体加料口处设置了大导程元件，以加大输送量。正对助剂入口处设置了中等导程元件，螺杆的填充率相对较高，且助剂加入后，能与粉料很好地相混合，不会直接喷到螺杆上，造成助剂挥发而损失；在真空排气口前方设置了反向螺纹元件，排气口处放置了大导程的螺纹元件，避免了真空口的冒料现象；整根螺杆上共设置了7段捏合区，每组捏合块之间配置螺纹元件［8］，以加强输送能力，降低主机电流消耗。

综上，本文针对高熔体流动速率PP熔喷料的生产设备及工艺中的技术难点进行了论述及研究。设备方面开发出了适合物料生产的助剂加入系统和自落式拉条机头，工艺方面则针对温度设定与筒体、螺杆组合进行了优化设计。设备经过用户现场考核使用，有着较为明显的节能降耗优势，为企业节省了生产成本。

［1]徐险峰. PP无纺布专用树脂的开发［J］. 合成树脂及塑料，2008，25（1）：47～50.

［2]李民. 熔喷法用高熔融指数聚丙烯［J］. 合成纤维，2006，NO.12：50～51.

［3]Edward McNally. 熔喷法的设备、工艺和产品［J］. 产业用纺织品，2008，5：23～25.

［4]汉胜工业设备有限公司. Milton Roy GB计量泵中文使用说明书. 2010：4～6.

［5]耿孝正. 双螺杆挤出机及其应用［M］.北京:中国轻工业出版社，2003：69～73.

［6]姚祝平. 挤出机换网器的应用与发展［J］. 塑料包装，2003，13（4）：33～36.

［7]贾朝阳. 一步法型材混炼挤出设备及工艺技术研究［D］. 兰州：天华化工机械及自动化研究设计院，2009：24～26.

［8]郭奕崇. 同向双螺杆挤出特点及螺杆组合原则［J］. 化工进展，2001，12：5～6.

（R-03）

Equipment and technology of extrusion of polypropylene meltblown nonwoven compoun

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