蔡成鵬 李潤(rùn)豐

（廣東金明精機(jī)股份有限公司）

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。

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?、低氣味等方面等?yōu)勢(shì)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(shì)，但由于其相對(duì)分子質(zhì)量分布很窄，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限制；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(chǎng)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(jiǎn)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。

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(zhǎng)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(jiǎn)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(cè)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

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(cè)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(cè)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(zhǎng)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(shì)的驅(qū)動(dòng)，一是可以盡量減少混料帶來的材料優(yōu)勢(shì)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(chǎng)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(zhǎng)趨勢(shì)。

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(shì)，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(zhǎng)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(zhǎng)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，通過分割料流或不停縮放的形式提高混合效果。

四、擠出試驗(yàn)

按照以上思路我們?cè)O(shè)計(jì)了一根直徑80 mm的螺桿并進(jìn)行投產(chǎn)測(cè)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(cè)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(cè)試數(shù)據(jù)，未修改螺桿64 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℃。