双螺杆挤出机混炼工艺：矿物填料增强改性技术详解

双螺杆挤出机混炼工艺：矿物填料增强改性技术详解

双螺杆挤出机在塑料加工中扮演着重要角色，特别是在矿物填料增强改性领域。不同类型的矿物填料，如碳酸钙、高岭土、云母和氢氧化镁等，被广泛应用于聚烯烃改性中。本文将详细介绍这些矿物填料的特性及其在双螺杆挤出机中的混炼工艺。

许多不同类型的矿物被用作聚烯烃的填料，例如碳酸钙，它被广泛使用，其中最常见的是 CaCO3，其密度通常为2.7g/cm³。CaCO3提高了最终产品的挠曲模量和冲击强度。刚度和撕裂强度也可以得到改善。碳酸盐通常用于食品包装，尤其是PE。在LDPE和LLDPE食品包装中，碳酸盐还可以改善水气阻隔性能和印刷适用性。

另一种经常用作聚烯烃填料的矿物是高岭土，也称为水合硅酸铝或粘土。这些颗粒通常具有六方晶体结构，粒径在1至10µm之间。纵横比往往低于 10，这意味着该材料通常用作非增强填料。高岭土可以提供良好的电气性能，通常被添加到玻璃增强化合物中。

云母和氢氧化镁- Mg(OH)2 -通常用作聚烯烃的增强填料。云母广泛用于汽车化合物，通常与聚丙烯一起使用。通常结果是拉伸强度、弯曲模量和HDT的增加。然而，随着填充量的增加，抗冲击性显著下降，因为云母会降低材料的弹性，使其更脆。

滑石是用作聚烯烃填料的最柔软的矿物。纵横比为2-20，可用于补强。可以用滑石粉改进的一些典型特性是HDT和耐磨性。滑石具有疏水表面，因此与有机化合物的相容性非常好，在汽车应用中通常与PP一起使用。使用亚微米、未压实的滑石粉时，经常会遇到进料限制。有必要去除大量空气以便更容易地有效地供给材料，因为它往往太容易流化。

在生产中，可以通过多种方法将填料添加到聚合物里：
• 将所有填料与未熔化的聚合物一起添加到上游。
• 将一部分填料与颗粒一起添加到上游，并将剩余部分添加到熔化段的下游。
• 在上游供给聚合物，然后在下游添加填料。

虽然将所有填料与未熔化的聚合物一起添加可能非常有效，但也有一些缺点。在许多情况下，填料可能具有磨蚀性，可能会导致螺杆和机筒元件磨损。此外，如果填料易于流化或体积密度低（如上文滑石粉所述），则可能会导致进料量受限。此外，如果填料的负载量非常高，则可能会得到纯填料袋，然后在螺杆的捏合部分形成团聚物。分布然后分散这些附聚物可能非常困难。

另一方面，在熔化段下游添加填料也可能存在困难。如果熔融聚合物的熔体粘度太低，则混合部分中的剪切应力可能不足以打散填料附聚物。如果附聚物被包裹在聚合物中，“胶囊”就更难在基质中破碎。

使用低堆积密度填料必须解决的另一点是去除夹带的空气。虽然与混合没有直接关系，但夹带的空气可能会限制可以使用的混合设计类型。

一个例子是具有强烈反混的配置（即中性或反向螺纹元件，用作密封），它将所有空气推回通过添加剂入口。这会导致添加剂在螺杆和进料区域流化。流化限制了系统的掺入水平和总吞吐率。为了获得最大的成功，首先将添加剂分布在聚合物中，然后在几乎瞬间的密集操作中将其分散。捏合块或其他螺杆元件的最佳组合取决于特定的聚合物和填料。但是，这些组合的设计应允许空气向下游流动。

图1 在熔化段下游的高负载水平下两阶段填料添加的工艺流程图。

图1显示了通常用于将非常高填充量的填料加入聚烯烃中的料筒设置。在此设置中，填料在熔化段下游的两个阶段被添加。聚合物预混物连同一些添加剂被送入机筒1，然后在机筒2和3中熔化。第一侧进料器位于机筒4，大部分填料被添加到该机筒中。机筒5是上游混合区。机筒7处的第二个侧进料器用于剩余的填料。由于机筒6中有一个排气口，来自机筒4和7中填料的空气可以使用该端口排放到大气中。填料分散发生在机筒8和9中。即使不需要在下游添加第二份填料，下游的排气口也是有益的。

通常，具有高纵横比的填料需要与具有低纵横比的填料不同的加工参数。低纵横比填料需要最高程度的分散才能打散附聚物。使用的螺杆配置取决于加入聚烯烃中的填料和负载水平。带有窄圆盘的捏合块元件，长度约为½D，用于首先分配填料。为了在分散填料之前使熔体中的颗粒随机化，该步骤是必要的。根据掺入的填料类型，然后使用较宽的捏合块元件（通常为1.5D）将填料分散在聚合物中。

另一方面，纵横比较高的填料需要更温和的处理。对于此类填料，需要低剪切以避免损坏填料结构。

图2 获得专利的 SAM 盘具有低剪切捏合盘，尖端宽度减小。

窄盘捏合块可能是最常用于掺入高纵横比或结构化填料的元件。椎间盘的机械强度限制了它的厚度。避免强度问题的一种方法是使圆盘的尖端变窄，但让根部变厚。图2 显示了来自此类元素的单个圆盘。该元件通过使相反螺杆轴上的元件的圆盘偏移来进一步降低压力。这样，当元件旋转时，两个波峰在穿过顶点时发生偏移。

即使采用最佳的机筒配置和特殊的螺杆/捏合元件，低堆积密度填料的加入也会受到进料速率的限制，因此挤出机的运行速度低于经济上可行的生产率。然而，更新的进料增强技术 (FET) 使混炼商能够以经济的吞吐率混炼高负荷的低堆积密度填料——在某些情况下，甚至在最新一代高扭矩混炼挤出机的扭矩极限下。

FET的目标是通过增加进料和筒壁之间的摩擦系数来提高输送效率，从而增加难以进料材料的进料区吞吐量，从而最大限度地减少或消除壁滑移。提高摩擦系数和输送效率是通过对进料区的筒壁的特殊设计部分施加真空，将一层原料材料“粘附”到筒壁的一部分来实现的，该部分是多孔且可渗透气体而不是饲料产品（见图3）。筒壁的多孔部分的孔径相对于粉末的粒径是至关重要的。应用于设备的最佳真空度取决于原料的粒度和形状。

图3 进料增强技术使配混商能够以经济的吞吐率配混高负载量的低堆积密度填料。

如果颗粒要穿透孔隙，则该过程的功效会降低。然而，该系统设计为通过真空管路施加压力将颗粒反冲出孔隙。虽然粉末渗入多孔筒壁可能会产生问题，但更关键的是聚合物熔体或其他流体的存在。这两种材料都会涂抹在多孔表面上，甚至会渗入孔隙并堵塞多孔结构。

通过多孔筒材料施加真空，聚合物或填料周围的空气在其通过FET筒段插入件时被抽空。当空气被吸向插入物时，它会将颗粒带向插入物表面。空气通过但是材料会留在后面以覆盖表面。致密粉末的这种涂层或滤饼具有增加壁表面和大部分材料之间的摩擦系数的作用。由于真空而粘附在筒壁上的材料层通过旋转的螺杆不断更新。此外，当粉末通过螺杆时，其堆积密度会增加。这两种作用相结合，提高了输送效率。

合并FET可以提高配混线的整体生产率。然而，该技术还有其他影响。例如，在其他所有因素保持不变的情况下，提高配混线的速度会降低单位产品生产的总能耗。较低的单位能量转化为较低的产品温度，这反过来意味着材料发生降解或稳定剂消耗的可能性较小。