热缩材料造粒工艺概述

涂文敏 刘磊 杨昭云 邢福发 王佰茂 王思聪

摘要：本文介绍了热缩材料造粒的工艺流程，对单螺杆、双螺杆挤出造粒设备及工艺参数进行相应讲解，方便了解双螺杆挤出造粒几个重要工序对造粒的影响。并对切粒工序、方式及优缺点进行详细介绍。对核级电缆附件原料造粒工艺选择进行了概要性说明。

关键词：热缩材料、造粒工艺、双螺杆挤出、切粒、核级电缆附件

Abstract：This paper introduces the process of heat shrinkable material granulation，single screw，twin screw extrusion granulation equipment and process parameters are explained accordingly，it is convenient to understand the twin screw extrusion granulation several important processes on the impact of granulation.And the cutting process，methods and advantages and disadvantages are introduced in detail.The selection of granulation technology for raw materials of nuclear grade cable accessories is summarized.

Key words：heat shrinkable material，granulation process，twin screw extrusion，granulation，nuclear cable accessories

一、前言

工程塑料材料生產工艺，当前常规工艺仍是采取先将原料混合一起进行造粒，再用造好的母粒进行挤出、注塑生产为各种产品。原料混合进行造粒，作为工程塑料产品生产的第一道环节，优越造粒质量对材料性能及稳定性是首要保障，对后续产品生产工艺控制稳定性与一致性非常关键。

热缩材料作为一种主要用于电子、电力行业的绝缘防护新型工程塑料，在绝缘防护方面的运用越来越广泛与深入。核级电缆附件就是热缩材料用于核电站建设内部线路连接安全防护的必要产品。作为需在严酷恶劣环境中长久稳定耐用的高性能高要求产品，每一道生产工艺环节精准控制对产品质量性能至关重要。本文主要对热缩材料生产环节中造粒环节进行介绍。

二、热缩材料造粒工艺流程

2.1造粒工艺流程

热缩材料造粒生产工艺总体流程为原料称重-混合-塑化-造粒，具体细化到设备类型有下边几种形式：

A，配方称重-密炼塑化-单螺杆挤出造粒-称重封包;

B，配方称重-原料混合-密炼塑化-单螺杆挤出造粒-称重封包;

C，配方称重-原料混合-密炼塑化-锥双喂料-双螺杆挤出造粒-称重封包;

D，配方称重-原料混合-密炼塑化-锥双喂料-双螺杆塑化挤出-单螺杆挤出造粒-称重封包;

E，配方称重-原料混合-密炼塑化-单螺杆挤出造粒-混合-双螺杆挤出造粒-称重封包;

F，配方称重-原料混合-双螺杆挤出造粒-称重封包。

配方称重从原始的人工计量称进行逐个原料称重，到现在发展到按原料配方进行全自动计量配混。常规原料混合方式采用较多的就是高速混合机、卧式搅拌机，也有中间螺杆低速旋转从底部将物料螺旋提升高处流向四周循环高低流动的混合机，混合机样式比较多样化。

密炼塑化工艺主要是密炼机对物料进行塑化，常规密炼是批次式（间歇式）密炼。从工艺流程中可以看出，密炼工艺也是在大部分工艺流程中使用，是为成熟通用的混炼工艺流程。密炼机通过两个大转子在密炼槽内部差速异向转动，对物料进行搅拌、剪切，加上压锤加压，物料在密闭的空间内温度急剧上升达到树脂熔融温度，最终形成炼熟物料。近年来连续密炼机的运用与发展也进入快速阶段;国际上主要以法雷尔连续密炼机为主[1]，国内较多新型塑胶行业设备厂家开始连续密炼机的研制。

单螺杆挤出或双螺杆挤出造粒是为造粒不可缺少的工艺环节，是为造粒工艺流程的核心。第四种工艺流程，双螺杆与单螺杆挤出前后联系组合，也简称为双阶造粒流程。常用双螺杆挤出造粒是平行同向双螺杆挤出机，后面工艺要素重点介绍。

核级电缆附件原料造粒的生产应当确保原料各组分能够充分分散与分布均匀，达到最优状态。工艺流程的选择应遵循这一目标，达到混炼、塑化最全面。

2.2造粒方式

熔体经过挤出机的机头流道在螺杆推送压力传递下被挤出，通常是通过多孔长条形口模或者多孔圆形模面形成料条。料条出来后有进行先冷却再切粒，或者先切粒再冷却，或者冷却与切粒同时进行三种形式。

A、先冷却再切粒：有水槽冷却与风机冷却两种。将料条进入水槽于冷却水充分接触冷却（如图1），根据冷却需要配置相应长度与水温，料条达到冷却温度范围，吹干机吹除水分进入切粒机进行切粒;风机冷却也是料条在长长的不粘网带面上被牵引，同时配置多个风机进行吹风冷却，达到冷却温度范围进入切粒机切粒。

B、先切粒再冷却：此种方式主要为水环切粒（如图2），熔体经圆形模面孔出来被旋转的切刀切成小段，经旋转刀片的带动，切成小段的料条粒子被甩到罩子圆周方向，圆周方向流动的水环将粒子的带走同时进行冷却，最后进入到振动筛、离心机进行除水。

C、冷却与切粒同时进行：此种方式主要为风冷模面切粒（图3）或者水下切粒。模面处于冷却风或者冷却水包围之中，熔体经过模面孔出来就开始进行冷却，同时切刀将熔体切成小段，并在冷却风或者水中继续进行冷却，直至冷却到工艺温度要求。

以上三种方式各有优缺点，用水冷却的方式比较快捷，能耗相对比较低，但是料粒的含水率通常相对高一些，通常含水率在2%以上;如果要求降低含水率，需要增加额外的干燥工艺与设备。风冷却的方式通常需要多级风冷，足够长的风道与多级料管进行冷却，因为熔体本身自含水分非常低，而风机吹风中水分因为接触时间非常短，料粒中的含水率可以保证在极其低水平，基本忽略不计;但也因为需要多级风机、料管，能耗、噪音及粉尘废气污染量增加，需要增加相应环保措施。随着产品性能对低含水率的要求越来越高，风冷切粒方式的选用比例越来越多。核级电缆附件原料造粒，为了保证极低的含水率，选用风冷切粒方式进行造粒比较合适。

三、热缩材料单螺杆与双螺杆造粒

3.1单螺杆挤出造粒

单螺杆挤出造粒主要对熔融物料进行输送建压，将熔体从机头挤出，挤出机机头连接切粒装置及后续的冷却辅助工艺设备，完成挤出造粒过程。。单螺杆挤出造粒机设备参数主要为螺杆直径、长径比、压缩比等;生产工艺参数主要是螺杆转速转速、喂料频率、机筒各段温度、机头温度、熔体温度与熔体压力。

单螺杆挤出造粒更多作用是在对熔体进行输送，其长径比相对用来挤最终产品剂型来说比较小，对物料的进一步剪切塑化程度是比较弱的。因此对于一些产品质量要求不高，其熔体剪切塑化强度低些，常采用密炼及单螺杆造粒简单工艺流程。而对于产品性能要求较高，不采用双螺杆剪切塑化是达不到产品质量要求的。

3.2双螺杆挤出造粒

3.2.1双螺杆结构

双螺杆挤出造粒主要通过同向啮合双螺杆的输送、剪切塑化、脱挥，将熔体组分分散均匀，并经机头挤出造粒。双螺杆挤出机设备主要参数为螺杆直径（外径）D0、长径比L/D0，其性能指标为容积率D0/D1、比扭矩Md/a³、最高转速nmax。其中D1为螺杆底径，Md为螺杆能够传递的最大扭矩，a为螺杆中心距。容积率决定了螺杆剪切速率、喂料机排气能力;比扭矩决定了挤出机的加工能力;转速决定螺杆剪切水平及混合水平。如图所示4所示。

双螺杆的两根啮合螺杆，是两条完全一样的螺纹元件组合但相互之间相位相差90°螺杆，转速相同，转动时保持相互啮合，因此双螺杆有保持螺杆上不粘料的自洁性能[2，3]。双螺杆包含螺纹元件、芯轴、螺杆头，螺纹元件分为不同规格的输送元件、剪切元件、混合元件，通过不同规格组合形成螺杆具有不同剪切塑化输送能力。螺杆从尾部开始，可以分成加料段、熔融段、输送段、混合段、排气段、均化段、脱挥段、计量段。如圖5、6所示是双螺杆三维图及二位图表示样式。

3.2.2双螺杆挤出造粒影响要素

双螺杆挤出造粒影响要素主要为螺纹元件组合、机筒各级温控与压力、及真空度。通过调整螺杆组合，可以满足不同配方物料的生产;双螺杆机筒每一段温控对物料性能影响大，设定最优温度范围并冷却系统精准控温是保证热缩材料性能一致性保证;真空脱挥对材料里面挥发成分的去除至关重要，否则已出现料粒含有挥发成分与气孔，对后续产品挤出影响表观及相关性能。

另外，螺杆与机筒之间的间隙直接影响到物料的剪切塑化能力，同时影响螺杆的自清洁性能，严重时候无法正常生产;通过对生产的持续观察，螺杆直径在磨损1mm以上，对热缩材料生产造成非常不利影响，产能降低、真空冒料或堵料，料粒存在气孔等，因此需要及时更换螺纹元件才能保证产品质量。

四、总结

1、热缩材料造粒工艺流程有多种形式，主要为密炼、单螺杆挤出、双螺杆挤出不同配置形式组成，形成不能加工能力以满足不同性能产品造粒需求。

2、密炼塑化后单螺杆挤出造粒，适合对剪切塑化要求不高产品造粒;双螺杆挤出造粒可满足对剪切塑化要求高的产品需求。

3、切粒方式多样化可满足生产多方面需求。

参考文献

[1]E.L.Canedo and L.N.Valsamis，in PLastics Compounding：Equipment and Processing，edited by D.B.Todd，Hanser，Munich（1998）.

[2]M.Ullrich in Co-Rotating Twin Screw Extruders，edited by K.Kohlgruber，Hanser，Munich（2007）.

[3]M.L.Booy，Polym .Eng.Sci.，18，978（1978）.

课题编号：2019ZX06002019

课题名称：严酷环境1E级电缆接头及终端套件研制