CN117227138A - 一种双螺杆挤出机及高负载聚烯烃母粒的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双螺杆挤出机，包括机筒、穿设于机筒内的两根螺杆以及驱动螺杆旋转的驱动机构，沿熔体输送方向机筒依次设置有第一侧喂口和第二侧喂口，螺杆依次设置有第一传输段、第一剪切段、第二传输段、第二剪切段、第三传输段、第三剪切段和第四传输段；第一侧喂口正对设置于第二传输段和第二剪切段的对接处径向侧方，第二侧喂口正对设置于第三传输段的径向侧方。该双螺杆挤出机通过调整侧喂口、螺杆中剪切段和传输段的相对位置，原料进料以及母粒长条出料顺畅，无侧喂口冒料现象，通过优化组合的捏合块剪切分散，利于提升高负载聚烯烃母粒中无机颜料的分散程度。本发明还公开了基于双螺杆挤出机的高负载聚烯烃母粒的制备方法。

Description

一种双螺杆挤出机及高负载聚烯烃母粒的制备方法

技术领域

本发明涉及色母粒生产技术领域，具体涉及一种双螺杆挤出机及高负载聚烯烃母粒的制备方法。

背景技术

双螺杆挤出机是色母生产的常规设备之一。双螺杆挤出机的功能是使用加温、加压和裁切等方式，将固态塑料转变成均匀一致的熔体，并将熔体送到下一个工艺。以白色聚烯烃母粒生产为例，其中的白色颜料多为无机颜料例如钛白粉，高负载母粒中白色颜料通常达70％左右，不可避免地会提升无机颜料在载体树脂中的分散难度，尤其是在双螺杆挤出机的大产能生产(不小于1000kg/h)。

双螺杆挤出机的设备结构以及母粒的生产工艺参数均会影响白色颜料在母粒中的分散程度。双螺杆挤出机的设备结构例如螺杆中捏合块和输送块的排布方式、侧喂料口的位置等；母粒的生产工艺参数例如沿挤出机熔体输送方向的温度分布、颜料在不同喂料口的投料量、熔体在挤出机中的传输速度等。白色颜料在母粒中的分散程度会进一步影响薄膜、纤维等下游产品的性能。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺陷，提供一种双螺杆挤出机，通过将第一侧喂口与第二传输段和第二剪切段的对接处径向正对，改善高颜料含量色母粒的颜料分散度。

为了实现上述技术效果，本发明的技术方案为：一种双螺杆挤出机，包括机筒、穿设于机筒内的两根螺杆以及驱动所述螺杆旋转的驱动机构，

沿熔体输送方向所述机筒依次设置有第一侧喂口和第二侧喂口，所述螺杆依次设置有第一传输段、第一剪切段、第二传输段、第二剪切段、第三传输段、第三剪切段和第四传输段；

所述第一侧喂口正对设置于所述第二传输段和第二剪切段的对接处径向侧方，所述第二侧喂口正对设置于所述第三传输段的径向侧方。进一步的，真空排气口设置于第四传输段的径向侧方。

螺杆由芯轴和套接于芯轴外的螺纹块组成，螺纹块包括输送块和捏合块，分为传输段和剪切段的螺杆是指包含螺纹块的螺杆主体段，不包括位于芯轴两端、突出于螺杆主体段的驱动端和锥形端部。

进一步的，螺杆由第一传输段、第一剪切段、第二传输段、第二剪切段、第三传输段、第三剪切段和第四传输段组成，应理解为螺杆主体段由第一传输段、第一剪切段、第二传输段、第二剪切段、第三传输段、第三剪切段和第四传输段组成。

优选的技术方案为，所述第二传输段包括至少两种输送块，沿熔体输送方向所述输送块的导程阶梯递减；

与第一侧喂口径向正对的输送块为第一输送块，第二输送块邻接设置于所述第一输送块的进料侧，第一输送块和第二输送块导程相同。

进一步的，第二传输段由两种输送块组成，分别为96/96、72/72。以96/96为例，“/”前的96表示导程，“/”前的96表示输送块的轴向长度，依此推及72/72。导程阶梯递减小，压缩物料，增大对第一侧喂口所添加的无机颜料的推动作用力。进一步的，通过配置输送块的数量，以使推动作用力达到预定的增大幅度。更进一步的，第二传输段的输送块排布为96/96*2、72/72*3。“*N”表示N块输送块连续设置。

优选的技术方案为，所述螺杆的长径比为50～55；沿熔体输送方向所述第一侧喂口与第二剪切段正对的长度为L1，L1与所述第一侧喂口的长度之比为(0.4～0.6)：1。

进一步的，螺杆的长径比为51～54，进一步优选为51.5～53，具体可选为51.5、51.7、52、52.3、52.8、53点值以及以任意两点值作为最大值和最小值的区间。进一步的，L1与所述第一侧喂口的长度之比为(0.45～0.55)：1，更进一步的，比值为(0.47～0.52)：1。

优选的技术方案为，沿熔体输送方向所述第二剪切段包括第一单元段、第一剪切输送段、第二单元段；

由挤出机入料端至出料端所述第一单元段、第二单元段的捏合块排布顺序为：45°/5/36、45°/5/56、60°/4/56、90°/5/56，所述第一剪切输送段设置有输送块。进一步的，第一剪切输送段的输送块为56/56。

“45°/5/36”表示5个捏合块组合成一组，相邻捏合元件的交错角为45°，沿螺杆轴向捏合块组的长度为36mm，依此推及45°/5/56、60°/4/56、90°/5/56。

优选的技术方案为，沿螺杆轴向所述螺杆的出料端至所述第一侧喂口中心的距离为L2，L2与螺杆的总长之比为(0.32～0.38)：1；沿螺杆轴向所述第二剪切段的长度与螺杆的总长之比为(0.17～0.22)：1。

进一步的，L2与螺杆的总长之比为(0.33～0.37)：1，更进一步的比值为(0.345～0.36)：1。

进一步的，所述第二剪切段的长度与螺杆的总长之比为(0.18～0.21):1，更进一步的比值为(0.19～0.20):1。

优选的技术方案为，沿熔体输送方向所述第三剪切段包括第三单元段、第二剪切输送段和第四单元段；

由挤出机入料端至出料端第三单元段的捏合块排布顺序为：45°/5/56、45°/5/36、60°/4/56、90°/5/56、45°/5/36；第四单元段的捏合块排布顺序为：60°/4/56、90°/5/56；所述第二剪切输送段设置有输送块。进一步的，第二剪切输送段的输送块为56/56。

优选的技术方案为，沿螺杆轴向所述第一剪切段的长度与螺杆的总长之比为(0.12～0.145)：1。进一步的，第一剪切段的长度与螺杆的总长之比为(0.125～0.14)：1，更进一步的比值为(0.128～0.134)：1。

优选的技术方案为，沿熔体输送方向所述第一剪切段包括第五单元段、第三剪切输送段和第六单元段；

由挤出机入料端至出料端第五单元段的捏合块排布顺序为：45°/5/36、45°/5/56、60°/4/56、90°/5/36；第六单元段的的捏合块排布顺序为：60°/4/56、90°/5/56；所述第三剪切输送段设置有输送块。进一步的，第三剪切输送段的输送块为56/56。

本发明的目的之二在于提供一种高负载聚烯烃母粒的制备方法，基于上述的双螺杆挤出机；所述高负载聚烯烃母粒的主要组成为聚烯烃、无机颜料、润滑剂和抗氧剂；高负载聚烯烃母粒中无机颜料的质量百分比为60％以上；

以无机颜料的质量为100％计，在所述螺杆的进料端无机颜料添加量为26％～34％，所述第一侧喂口的无机颜料添加量为55％～65％，剩余的无机颜料经由第二侧喂口添加。进一步的，聚烯烃母粒为聚乙烯母粒。

更进一步的，在所述螺杆的进料端无机颜料添加量为28％～32％，所述第一侧喂口的无机颜料添加量为58％～63％，剩余的无机颜料经由第二侧喂口添加。

优选的技术方案为，所述第一侧喂口进料侧和出料侧的熔体温度均各自沿输送方向阶梯上升；

所述进料侧和出料侧的熔体温度分段设置，所述第一侧喂口的熔体温度为T1，与所述第一侧喂口邻接的前段和后段温度为T2，T1小于T2且差值为8～15℃；

所述螺杆的转速为500～700r/min。

进一步的，T1与T2的差值为8～12℃。进一步的，螺杆的转速为580～650r/min。

本发明的优点和有益效果在于：

该发明双螺杆挤出机通过调整侧喂口、螺杆中剪切段和传输段的相对位置，在满足1000kg/h以上的母粒产能的基础上，聚烯烃原料组分自进料端和侧喂口进料以及出料口的母粒长条进出顺畅，无侧喂口和真空排气口的冒料现象，分批加料后通过优化组合的捏合块充分拉伸、扭曲、剪切分散，优化熔体混炼效果，利于提升高负载聚烯烃母粒中无机颜料的分散程度，进而提升母粒下游薄细产品薄膜、纤维等材料中无机颜料的分散性能，利于提升下游产品的质量。

附图说明

图1是实施例1双螺杆挤出机中螺杆的结构示意图，图中标记侧喂口和真空排气口位置；

图2是对比例1双螺杆挤出机中螺杆的结构示意图，图中标记侧喂口和真空排气口位置；

图3是对比例2双螺杆挤出机中螺杆的结构示意图，图中标记侧喂口和真空排气口位置。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

聚烯烃

聚烯烃主要为聚乙烯和聚丙烯。聚乙烯和聚丙烯均为非极性热塑性塑料，钛白粉等无机颜料在非极性热塑性塑料中的团聚几率较高，特别是塑料中的无机颜料含量偏高时。

无机颜料

无机颜料的可选范围包括二氧化钛、碳酸钙、氧化锌、滑石粉等，优选的无机颜料为钛白粉。按照生产工艺，双螺杆挤出机钛白粉可选为硫酸法钛白粉和氯化法钛白粉。按照晶体结构，双螺杆挤出机的钛白粉可为金红石型钛白粉、锐钛型钛白粉，优选为金红石型钛白粉、锐钛型钛白粉两种，即氯化法或硫酸法制备的金红石型钛白粉、硫酸法制备的锐钛型钛白粉。从分散性能出发，更优选为氯化法或硫酸法制备的金红石型钛白粉。

基于成本考虑，作为普通填充用的聚烯烃色母粒有别于阻燃、降解等功能母粒，母粒组分趋于简单，主要组分为聚烯烃、颜料、润滑剂、抗氧剂。润滑剂有助于调节剪切力，优化无机颜料在聚烯烃熔体中的分散。抗氧剂是薄膜级色母、纤维级色母的必要组分。

侧喂口

在喂料口处应该选用大导程的螺纹元件，增大物料的表面积使物料进入挤出机更顺畅，以上为螺杆组合的特点之一。该双螺杆挤出机与上述特点相悖，将第一侧喂口设置于传输段和剪切段对接处的径向侧方，并且增加了第一侧喂口喂入的无机填料量，通过第一侧喂口进料侧的剪切段、传输段以及调整第一侧喂口的熔体温度，使第一侧喂口进料顺畅、无冒料，并且颜料加料量较大的第二剪切段熔体剪切适中，无过度剪切导致的内剪切热破坏母粒组分。另外，采用的连续三段45°/5/36剪切块本身具备一定的传输作用，在无机颜料进入的第一时间就可以将其分散开来，可以大幅提升色母粒的分散性能；第一侧喂口处侧喂料初与熔体接触，45°/5/36剪切块具有良好的自清理能力，可以保持此段螺杆干净，避免侧喂料在剪切块表面的粘附。

实施例和对比例均采用1200kg/h的大产能，根据大产能要求下高负载钛白粉在聚烯烃母粒中的分散情况和双螺杆挤出机的冒料情况，评价双螺杆挤出机的性能。实际生产中，填料可选钛白粉或者钛白粉与其他填料的组合，进一步的，钛白粉和其他填料在不同的侧喂口添加。

实施例1

如图1所示，实施例1双螺杆挤出机包括机筒、穿设于机筒内的两根螺杆以及驱动螺杆旋转的驱动机构，沿熔体输送方向机筒依次设置有第一侧喂口和第二侧喂口，螺杆依次设置有第一传输段、第一剪切段、第二传输段、第二剪切段、第三传输段、第三剪切段和第四传输段；

沿螺杆轴向第一侧喂口正对设置于第二传输段和第二剪切段的对接处径向侧方，第二传输段和第二剪切段各径向正对第一侧喂口的一半，第二侧喂口正对设置于第三传输段中间位置的径向侧方。

挤出机的熔体输送方向与螺杆轴向平行，并且为由螺杆进料端至出料端的单向。

螺杆的长径比为52，长度为3745mm；沿挤出机中的熔体输送方向，各段的捏合块、输送块布置顺序如下：

第一传输段—56/56A、SK96/96*2、SK-N112/56、72/72、56/56，用与输送和熔融螺杆进料端的物料；

第一剪切段，用于螺杆端部进料的混炼；

第五单元段—45°/5/36、45°/5/56*3、60°/4/56、90°/5/36；第三剪切输送段—56/56；

第六单元段—60°/4/56、90°/5/56*2、56/28L；

第二传输段—96/96*2、72/72*3；

第二剪切段，用于第一次侧喂料的混炼；

第一单元段—45°/5/36*3、45°/5/56、60°/4/56*2、90°/5/56第一剪切输送段—56/56*2；

第二单元段—45°/5/36、45°/5/56、60°/4/56、90°/5/56*2、

56/28L；

第三传输段—96/96*3

第三剪切段，用于第二次侧喂料的混炼；

第三单元段—45°/5/56、45°/5/36*2、60°/4/56、90°/5/56、45°/5/36

第二剪切输送段—56/56；

第四单元段—60°/4/56、90°/5/56、56/28L；

第四传输段：56/56*2、112/112*2、96/96*3、D72/72*4，压缩计量段。

料筒设置有常压排气口和真空排气口，两个常压排气口分别紧邻设置于第一侧喂口和第二侧喂口的进料侧，真空排气口设置于第四传输段的径向侧方，具体设置于112/112输送块的径向侧方。

对比例1

如图2所示，对比例1为出厂螺杆，沿熔体输送方向螺杆外套设的捏合块和输送块布置顺序如下：

螺杆端部的进料熔融传输段：56/56A、SK96/96*2、SK-N96/56、72/72、56/56，与实施例的区别仅在于转换接头的螺距；

剪切段—45°/5/56*2、56/56、45°/5/96、45°/5/56、60°/4/56、90°/4/56、56/28L；

传输段—96/96*6、72/72、56/56*2，第一侧喂口设置于该传输段，且与靠近出料端的两个96/96输送块径向正对；

剪切段—45°/5/56、60°/4/56、45°/5/56、56/56、45°/5/56、90°/5/56、56/56、56/56、45°/5/56、60°/4/56、90°/4/56、56/28L，该剪切段设置有两段剪切传输段；

传输段—96/96*3、72/72*2、56/56，第二侧喂口设置于该传输段，且与靠近出料端的两个96/96输送块径向正对；

剪切段—45°/5/56、60°/4/56、45°/5/56、56/56*2、45°/5/56、90°/5/56、56/28L；

压缩计量段—96/96*2、72/72*3、56/56*3，真空排气口设置在此段，且与靠近出料端的96/96输送块径向正对。

对比例1螺杆直径与实施例1相同。

对比例中常压排气口的位置与实施例相同，均紧邻设置于侧喂口的进料侧(沿熔体输送方向)。

对比例2

如图3所示，对比例2为在对比例1基础上的改进方案，沿熔体输送方向螺杆外套设的捏合块和输送块布置顺序如下：

螺杆端部的进料熔融传输段：56/56A、SK112/112*2、SK112/56-N、SK112/56、56/56；

剪切段—45°/5/36、45°/5/56*2、60°/4/96、90°/5/36、72/36、60°/4/56、90°/5/56*2、56/28L；

传输段—96/96*3、72/72、72/36、56/56，第一侧喂口主要设置于该传输段的径向侧方，且与、72/36、56/56两个输送块径向正对；

剪切段—45°/5/36*3、45°/5/56、60°/4/56*2、90°/5/56、56/56、45°/5/36、45°/5/56、60°/4/56、90°/5/56*2、56/28L，该剪切段设置有一段剪切传输段；

传输段—96/96*3，第二侧喂口设置于该传输段，且与位于中间的96/96输送块径向正对；

剪切段—45°/5/56、45°/5/36*2、60°/4/56、90°/5/56、45°

/5/36、56/56、60°/4/56、90°/5/56、56/28L；

压缩计量段—56/56*2、112/112*3、96/96*2、D72/72*4，真空排气口设置在此段，且与靠近进料端的112/112输送块径向正对。

对比例2螺杆直径与实施例1相同。

挤出实验A

A组实验所用原料型号：

聚烯烃：线性低密度聚乙烯；

白色颜料：金红石型钛白粉、碳酸钙，平均粒径0.15-0.3μm；

润滑剂：硬脂酸锌；

抗氧剂：巴斯夫1010；

实施例和对比例高负载聚烯烃的生产工艺：

进料端投料：聚烯烃342kg/h、润滑剂9kg/h、抗氧剂9kg/h、钛白粉投料速度252kg/h；

第一侧喂口投料：钛白粉504kg/h；

第二侧喂口投料：钛白粉84kg/h；

螺杆转速：700r/min。

实施例挤出机温度分布：进料端至出料端分为十二区(图1-3中螺杆上方具有13段“凹”字形机筒，除设置进料口的机筒外，从进料端到出料端每个机筒对应一区，即为十二区)。十二区的温度分布为：110℃—130℃—150℃—150℃—140℃—140℃—140℃—140℃—140℃—140℃—160℃—180℃。即进料端温度为110℃，第一剪切段为150℃，第一侧喂口温度为150℃，第一侧喂口后段(第二剪切段)为140℃；

挤出切粒：水下切粒，水温60℃。

挤出实验B

进料端投料：聚烯烃342kg/h、润滑剂9kg/h、抗氧剂9kg/h、钛白粉投料速度336kg/h；

第一侧喂口投料：钛白粉420kg/h；

第二侧喂口投料：钛白粉84kg/h；

挤出实验B中挤出机温度分布同挤出实验A。

将以上实施例和对比例所得母粒导入小型流延机熔融挤出制备40μm的膜样；将光源放置在膜样下方，于膜样上方目检膜样的疵点。

实施例和对比例的性能检测结果见下表：

对比例1螺杆、A组实验挤出机的第二侧喂口冒料，原因在于：基于1200kg/h的挤出机产能，对比例1第一侧喂口的螺杆组合传输段多，加之A组实验钛白粉投料占钛白粉总量的比例较B组实验小，熔体传输速度过快，导致第二侧喂口堵料；真空口冒料是由于真空口处的传输段导程过小，传输速度不够导致的。在产能降至900kg/h时，A组实验第二侧喂口和真空排气口均无类似冒料现象。

对比例2螺杆、A组实验和B组实验挤出机的真空排气口均出现冒料情况，原因在于：基于1200kg/h的挤出机产能，3节导程较大的112/112传输块，导致该传输段的传输速度过快，与压缩计量段的传输速度不匹配。在产能降至900kg/h时，真空排气口无类似冒料现象。

基于相同的配方及生产工艺，AB两组实验中实施例1挤出机所得膜样上颜料分散不均的疵点均更少，其中A组实验较B组实验的膜样疵点少，说明实施例1螺杆中输送块和剪切块的组合、侧喂口的设置以及A组实验进料端和侧喂口填料的添加量配比更利于高含量填料在基材树脂中的分散。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种双螺杆挤出机，包括机筒、穿设于机筒内的两根螺杆以及驱动所述螺杆旋转的驱动机构，其特征在于，

沿熔体输送方向所述机筒依次设置有第一侧喂口和第二侧喂口，所述螺杆依次设置有第一传输段、第一剪切段、第二传输段、第二剪切段、第三传输段、第三剪切段和第四传输段；

所述第一侧喂口正对设置于所述第二传输段和第二剪切段的对接处径向侧方，所述第二侧喂口正对设置于所述第三传输段的径向侧方。

2.根据权利要求1所述的双螺杆挤出机，其特征在于，所述第二传输段包括至少两种输送块，沿熔体输送方向所述输送块的导程阶梯递减；

与第一侧喂口径向正对的输送块为第一输送块，第二输送块邻接设置于所述第一输送块的进料侧，第一输送块和第二输送块导程相同。

3.根据权利要求1所述的双螺杆挤出机，其特征在于，所述螺杆的长径比为50～55；沿熔体输送方向所述第一侧喂口与第二剪切段正对的长度为L1，L1与所述第一侧喂口的长度之比为(0.4～0.6)：1。

4.根据权利要求1所述的双螺杆挤出机，其特征在于，沿熔体输送方向所述第二剪切段包括第一单元段、第一剪切输送段、第二单元段；

由挤出机入料端至出料端所述第一单元段、第二单元段的捏合块排布顺序为：45°/5/36、45°/5/56、60°/4/56、90°/5/56，所述第一剪切输送段设置有输送块。

5.根据权利要求1所述的双螺杆挤出机，其特征在于，沿螺杆轴向所述螺杆的出料端至所述第一侧喂口中心的距离为L2，L2与螺杆的总长之比为(0.32～0.38)：1；沿螺杆轴向所述第二剪切段的长度与螺杆的总长之比为(0.17～0.22)：1。

6.根据权利要求1所述的双螺杆挤出机，其特征在于，沿熔体输送方向所述第三剪切段包括第三单元段、第二剪切输送段和第四单元段；

由挤出机入料端至出料端第三单元段的捏合块排布顺序为：45°/5/56、45°/5/36、60°/4/56、90°/5/56、45°/5/36；第四单元段的捏合块排布顺序为：60°/4/56、90°/5/56；所述第二剪切输送段设置有输送块。

7.根据权利要求1所述的双螺杆挤出机，其特征在于，沿螺杆轴向所述第一剪切段的长度与螺杆的总长之比为(0.12～0.145)：1。

8.根据权利要求7所述的双螺杆挤出机，其特征在于，沿熔体输送方向所述第一剪切段包括第五单元段、第三剪切输送段和第六单元段；

由挤出机入料端至出料端第五单元段的捏合块排布顺序为：45°/5/36、45°/5/56、60°/4/56、90°/5/36；第六单元段的的捏合块排布顺序为：60°/4/56、90°/5/56；所述第三剪切输送段设置有输送块。

9.一种高负载聚烯烃母粒的制备方法，其特征在于，基于权利要求1至8中任意一项所述的双螺杆挤出机；所述高负载聚烯烃母粒的主要组成为聚烯烃、无机颜料、润滑剂和抗氧剂；高负载聚烯烃母粒中无机颜料的质量百分比为60％以上；

以无机颜料的质量为100％计，在所述螺杆的进料端无机颜料添加量为26％～34％，所述第一侧喂口的无机颜料添加量为55％～65％，剩余的无机颜料经由第二侧喂口添加。

10.根据权利要求1所述的高负载聚烯烃母粒的制备方法，其特征在于，所述第一侧喂口进料侧和出料侧的熔体温度均各自沿输送方向阶梯上升；

所述进料侧和出料侧的熔体温度分段设置，所述第一侧喂口的熔体温度为T1，与所述第一侧喂口邻接的前段和后段温度为T2，T1小于T2且差值为8～15℃；

所述螺杆的转速为500～700r/min。