木粉聚乙烯復(fù)合發(fā)泡擠出技術(shù)的研究

1、木粉/聚乙烯復(fù)合發(fā)泡擠出技術(shù)的研究蔡劍平(中國(guó)船舶重工集團(tuán)第716研究所，江蘇連云港222006)摘要：深入研究了木粉/聚乙烯復(fù)合發(fā)泡擠出的配方和擠出模具設(shè)計(jì)，提出了最優(yōu)的材料配方和最佳的模具設(shè)計(jì)方法，生產(chǎn)的擠出型材制品各項(xiàng)主耍性能指標(biāo)達(dá)到國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)。關(guān) 鍵 詞：木粉/聚乙烯復(fù)合；發(fā)泡；配方；模具設(shè)計(jì)方法目前，壯界上普遍采丿u木粉或植物纖維來(lái)高份額填充塑料再生料或新料的方法，達(dá)到降低材料成本和冋收再利用的環(huán)保性能的目的。我們根據(jù)世界木塑行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，提出木粉/聚乙烯復(fù)合發(fā)泡擠出的研究課題。它與傳統(tǒng)木醱復(fù)合擠出(僅僅是木粉與駛料的復(fù)合擠出，不具冇發(fā)泡的成分)不同，帶木粉的發(fā)泡技術(shù)可使生產(chǎn)出的型材

2、密度降低20 %45 %，更接近于木材在木劇復(fù)合發(fā)泡制品中，樹脂含量只占型材的40 %50 %，使樹脂的用雖:相對(duì)于傳統(tǒng)木塑復(fù)合制品削減-半，而樹脂成本一般占了材料成本的80 %90 % ,從而節(jié)省了差不多兩倍的材料成本。在具有防腐、防蟲、防濕、阻燃、使用壽命長(zhǎng)且可重復(fù)利用等優(yōu)點(diǎn)的同時(shí),木塑發(fā)泡復(fù)合物比菲發(fā)泡性相似物更具木質(zhì)感,也可承受螺絲和釘子的壓力,發(fā)泡產(chǎn)生的內(nèi)壓可以提供比菲發(fā)泡性型材更伴的表面紋理淸晰度和更光滑的輪廓，因此它比傳統(tǒng)木瞰復(fù)介擠出具冇更廣闊的應(yīng)用前景。據(jù)專家預(yù)測(cè)，今后10年內(nèi)木星復(fù)合制品僅北美的市場(chǎng)容量就可達(dá)10 000 kt，按照中國(guó)市場(chǎng)與北美市場(chǎng)規(guī)模相當(dāng)且比北美更缺乏木材

3、和近些年國(guó)家對(duì)壞保的要求，預(yù)計(jì)木塑復(fù)合產(chǎn)品在中國(guó)將以年増長(zhǎng)率50 %以上的速度持續(xù)發(fā)展10年，中國(guó)木塑復(fù)合材料及其制品的產(chǎn)暈和產(chǎn)值最終將達(dá)到并形成年產(chǎn)10 000 000 kt或700億元人民幣產(chǎn)值一個(gè)龐大的新型工業(yè)體系。在這樣的情況下，我們對(duì)木粉/聚乙烯復(fù)合發(fā)泡擠出課題進(jìn)行深入的研究，具有十分重要的意義和價(jià)值。本文將重點(diǎn)針對(duì)木粉/聚乙烯復(fù)合發(fā)泡的配方及模具設(shè)計(jì)方法進(jìn)行深入的研究，并解決研究過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題。1 配方實(shí)驗(yàn)1. 1 主要原料鬲密度聚乙烯(pe2iid)，山東齊魯石化;低密度聚乙m(pe2ld)，山東齊魯右化;ac發(fā)泡劑，江蘇索普 冇限公司；木粉，江蘇南通如皋木粉廠。1. 2 主要

4、儀器設(shè)備平行雙螺桿擠出機(jī),<50，北汽福田公司;板材擠出模具,口制;高速混合機(jī)，shr225a，張家港杰達(dá)機(jī) 械有限公司；電子秤ja21001 ,上海天平儀器廠。1. 3 實(shí)驗(yàn)方法工藝流程如圖1表1實(shí)驗(yàn)配方其屮：表屮木粉是經(jīng)過(guò)表面脫脂處理的,考慮到粒度過(guò)粗的木粉會(huì)影響與塑料的粘接強(qiáng)度，過(guò)細(xì)的木粉會(huì)使制品表而太細(xì)膩、缺少木質(zhì)感，在木粉/聚乙烯復(fù)合發(fā)泡擠出實(shí)驗(yàn)中選用的是粒徑為38um左右的木粉，這樣既能保證聚乙烯的粘接強(qiáng)度乂能使制品表血具冇良好的木質(zhì)紋理;在“其它” -項(xiàng)中包含冇交聯(lián)劑、増塑劑和偶聯(lián)劑等。將pe2hd、pe2ld、ac發(fā)泡劑和其它助劑放入高速混合機(jī)高速混合5 min后，再把木

5、粉加入混合10 min，在整個(gè)混料過(guò)程中溫度控制在80 °c以下?；旌煤笤诔叵聰傞_冷卻。擠岀實(shí)驗(yàn)中，雙螺桿擠岀機(jī)主 機(jī)螺桿轉(zhuǎn)速控制在45 r/ min左右;進(jìn)料螺桿轉(zhuǎn)速為20 r/ min ;主機(jī)真空度為- 0. 1 mpa-0. 15 mpa。 擠出工藝溫度設(shè)定為:擠出機(jī)螺桿一區(qū):180 °c;螺桿二區(qū):175 °c;螺桿三區(qū)：175 °c;螺桿四區(qū)：173 °c;螺 桿五區(qū)：173 °c;螺桿六區(qū)：170 °c;合流芯區(qū)：160 °c;模頭一區(qū)：175 °c;模頭二區(qū)：175 °c。2 結(jié)

6、果與討論2. 1 木粉的干燥與發(fā)泡的關(guān)系為了研究物料中木粉的干燥處理對(duì)擠出成型的彩響，我們按預(yù)定方案配混6種實(shí)驗(yàn)配方進(jìn)行對(duì)比實(shí) 驗(yàn)，其屮配方14中的木粉是經(jīng)過(guò)烘t處理的，最終含水率約為3 %5 %;而配方56中的木粉未經(jīng)干燥, 含水率在10%以上。根據(jù)設(shè)定的擠出工藝參數(shù)進(jìn)行了擠出實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中有以下現(xiàn)彖:配方2、3中木粉經(jīng)過(guò) 烘干處理的，從擠出機(jī)里出來(lái)的板材塑化良好，發(fā)泡程度好，芯層呈絮狀，泡孔均勻;表面結(jié)皮層光亮且硬度 高，厚度在0. 5 mm0. 8 mni，容易牽引；制品密度約為0. 63 g/ cm3 ;配方5、6中木粉耒i 燥的，擠 出的過(guò)程有水汽逸出，板材發(fā)潮，芯部軟呈漿狀,泡孔小且

7、大小不均;衣面結(jié)皮層薄，牽引易斷;制品密度約為 0. 74 g/ cm3 o從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)彖分析,木粉里含冇的少量水分在物料擠出過(guò)程中，可以起到發(fā)泡劑的作用，主機(jī) 螺筒中受熱形成的水汽配合發(fā)泡劑所釋放出的氣體，使成型的制品得到均勻的泡孔，提高了發(fā)泡程度，降低 了制品的密度;而當(dāng)木粉中含水分在10 %以上時(shí)，受熱形成的水汽不能及時(shí)排出，過(guò)多地混合于物料中，降低 了物料的粘度，破壞了發(fā)泡劑所形成的均勻泡孔，使得制品泡孔大小不一，并在模頭出口時(shí)仍有大量水汽逸 出，影響了衣面結(jié)皮,牽引易斷裂。通過(guò)該實(shí)驗(yàn)，我們得出了應(yīng)對(duì)木粉進(jìn)行干燥處理，利于擠出牽引、提高發(fā) 泡程度和降低密度的結(jié)論。2. 2 木粉含量對(duì)發(fā)泡的

8、影響按預(yù)定方案配混的六種實(shí)驗(yàn)配方，研究物料中木粉的含量對(duì)發(fā)泡程度的影響所進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)中，我們觀察到：a）當(dāng)配方（如配方1）中木粉的份數(shù)少時(shí)，模頭出料膨脹厲害，制品結(jié)皮層厚，表而以聚乙烯為主，密度大約為0. 8 g/ cm3 ;b）當(dāng)配方（如配方2、：3、5、6）中木粉的份數(shù)較多時(shí)，離模膨脹較小，制品結(jié)皮薄，表面較粗糙有木紋,且密度較??；c）當(dāng)配方（如配方4）屮木粉含量超過(guò)50份時(shí)，擠出的物料基本不發(fā)泡。經(jīng)分析，在木粉含量少時(shí)，物料中以聚乙烯為主，木粉只占據(jù)其小部分的空間，對(duì)其發(fā)泡程度沒(méi)多人影響，因此模頭出口處膨脹人，芯部結(jié)構(gòu)疏松，但因聚乙烯本身密度較木粉大，使得制品最終密度大;在木粉含量較多時(shí)

9、，則占據(jù)物料中較大的空間,減少了發(fā)泡間，降低了發(fā)泡程度，因此離模膨脹較小，雖泡孔小，但制品屮所含密度很低的木粉占到了相當(dāng)比例，從總體1二降低了制品的密度；而當(dāng)木粉的量大到完全占有了發(fā)泡的空間時(shí)，發(fā)泡過(guò)程不能進(jìn)行，模頭出料基本不膨脹，這時(shí)則純粹是木粉與聚乙烯的填充擠出，木粉雖能起到一定的降低制品密度的作用,但遠(yuǎn)不如木粉加發(fā)泡的效果明顯。具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。表2 實(shí)驗(yàn)配方與制品密度關(guān)系g/ cm3tab. 2relation of formulationand density配方號(hào)制品密度0.80. 63 0. 68 0. 90. 740. 77所以為了達(dá)到接近木質(zhì)表面、減小密度,r降低成木的

10、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，適當(dāng)增加木粉的含量，以3040份為宜，最多不超過(guò)50份。木粉過(guò)多將影響發(fā)泡的程度，英至造成制品不發(fā)泡，達(dá)不到降低成本的目的。2. 3 發(fā)泡劑的選用與作用由于聚乙烯的塑化溫度在160 °c190 °c范圍內(nèi)，因此選用時(shí)應(yīng)考慮發(fā)泡劑在塑料中的分解溫度與 聚乙烯槊化溫度相近，這樣才能保證在聚乙烯正常槊化過(guò)程中發(fā)泡劑不會(huì)握詢分解，經(jīng)分析后選擇了目前應(yīng) 用較廣的ac發(fā)泡劑，它屬于冇機(jī)類化學(xué)發(fā)泡劑，分解溫度為160 °c200 °c,發(fā)氣量為220 ml/ g。根據(jù)ac 發(fā)泡劑的發(fā)氣量，為將聚乙烯的密度從0. 9 g/ cm3 0196 g/ cm3降到0

11、. 6 g/ cm30. 7 g/ cm3，經(jīng) 計(jì)算在毎100份聚乙烯中需加入2份的ac發(fā)泡劑，才能產(chǎn)生足夠的氣體形成制品中均勻的泡孔，有效降低 制品密度。這通過(guò)以上進(jìn)行的配方實(shí)驗(yàn)得到了很好的驗(yàn)證。在木粉/聚乙烯復(fù)合發(fā)泡的研究中,ac發(fā)泡劑 的加入起到一個(gè)很重要的作用。因?yàn)樗煌谑袌?chǎng)上開發(fā)和應(yīng)用較早的木蜩復(fù)合擠出制品，雖然其中木粉的 繪髙添加量只能達(dá)到30 %，遠(yuǎn)低于木塑復(fù)合擠出制品的60 %80 %的木粉添加量，們發(fā)泡的作用使其制品 的密度能降低20 %45 % ,達(dá)到016 g/ cm30. 7 g/ cm3 ,更接近木材的密度，具有替代木材的優(yōu)勢(shì); 同時(shí)也就使單位質(zhì)杲原料的出材率高于傳

12、統(tǒng)木教復(fù)合擠出制品，降低了制造成木，具備更強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力； 因?yàn)槟痉厶砑恿康臏p少和發(fā)泡劑的加入,使得成型的制品具冇更光滑和細(xì)致的表面，可用于較高檔的室內(nèi)外 木塑制品，拓寬了其應(yīng)用的領(lǐng)域。2. 4 木粉含量與發(fā)泡劑對(duì)成木的影響在傳統(tǒng)木塑復(fù)合擠出制品中，人們是通過(guò)加大木粉的含量來(lái)達(dá)到降低成本的目的，因?yàn)槟痉鄣膬r(jià)格僅300600元/ t，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于聚乙烯的價(jià)格，因此木粉加入得越多成木降低的越多;但是木粉的添加量越大則制品的彎曲強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度等性能指標(biāo)越差，并且材料的流動(dòng)性能大大降低，增加了擠出機(jī)的機(jī)頭壓力和擠出功率，對(duì)設(shè)備提出了更高的要求，也相應(yīng)地増加了成本。而在木粉/聚乙烯復(fù)合發(fā)泡制品中,我們是通過(guò)

13、添加木粉和發(fā)泡的共同作用降低材料的成本，這在發(fā)泡劑的作用一節(jié)中已經(jīng)說(shuō)過(guò)，不再贅述；同時(shí)，因?yàn)槟痉酆孔罡邇H30 % ,對(duì)材料流動(dòng)性的影響遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的木塑復(fù)合，制品成型的難度降低，只須普通擠出設(shè)備就能滿足生產(chǎn)需求，減少了固定資產(chǎn)的投入;因?yàn)榱鲃?dòng)性較好，也減少模頭糊料的幾率,使生產(chǎn)過(guò)程更穩(wěn)定；因?yàn)槟痉酆康臏p少，使制品的性能比傳統(tǒng)木塑復(fù)合好，更能滿足使用要求。2. 5 模頭的影響繪初在設(shè)計(jì)木粉/聚乙烯復(fù)合發(fā)泡擠岀模貝時(shí)，是參考聚乙烯發(fā)泡模具的設(shè)計(jì)方法和結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)多次 配方實(shí)驗(yàn)和模具調(diào)試、修整后，總結(jié)出如下經(jīng)驗(yàn)。2. 5. 1 模頭設(shè)計(jì)要點(diǎn)a）因在聚乙烯中填充了木粉,使得物料的整體流動(dòng)性能明顯降低，

14、所以在模頭設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量避免流道急劇變化或出現(xiàn)臺(tái)階所引起的糊料現(xiàn)彖；b）因在聚乙烯中填充了木粉，使得物料的町壓縮性和離模膨脹減小，所以在模頭設(shè)計(jì)中應(yīng)減小壓縮比,一般?。?. 52） ： 1 ,過(guò)大的壓縮比只會(huì)增加擠出主機(jī)的機(jī)頭壓力；c）在模頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)參考發(fā)泡模具結(jié)構(gòu)，采用型芯內(nèi)發(fā)式有利于制品取得良好的外觀品質(zhì)；d）在模頭出口增加冷卻板，使制品表而結(jié)皮,可提離制品的表面硬度。2. 5. 2模頭結(jié)構(gòu)模頭結(jié)構(gòu)如圖2 ,其中方為模頭總長(zhǎng)度,尸為模頭成型段長(zhǎng)度,c為模頭與擠出機(jī)對(duì)接尺寸，為 模頭髙度，去為模頭寬度。2. 6定型模的彩響定型模設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下：因從口模冷卻板擠出的物料衣面已初步碩化、定型，

15、定型模的主要作用是繼續(xù)定型和冷卻，因此它 的真空吸附主耍集中在定型模的前段起作用，定型模的長(zhǎng)度也町適當(dāng)減短，只耍達(dá)到物料農(nóng)層定型即nj'因木粉填充聚乙烯發(fā)泡制品內(nèi)部?jī)尤穗m微泡孔和木粉，散熱很慢，在表展經(jīng)定型模定型后，應(yīng)采用冷卻能力強(qiáng)的渦流水箱加強(qiáng)冷卻，以提高生產(chǎn)效率。定型模結(jié)構(gòu)如圖3。2. 7擠出主機(jī)的影響因?yàn)槲锪鲜窃跀D出機(jī)中塑化擠出，擠出機(jī)的性能好壞對(duì)木粉/聚乙烯復(fù)合發(fā)泡制品的成型有很人影響。鑒丁使川的主料聚乙烯為結(jié)晶型樹脂，我們選川50平行雙螺桿擠出機(jī)來(lái)進(jìn)行木粉/聚乙烯復(fù)合發(fā)泡材料的擠出，山于平雙擠出機(jī)對(duì)物料的高剪切有利于其很好的塑化，同時(shí)也能滿足其對(duì)主機(jī)功率的要求，擠出機(jī)的電流一

16、般控制在50 a左右（傳統(tǒng)木塑復(fù)合材料的擠出電流在80 a以上）；為了更有效地去除木粉中的殘留水分,在擠出過(guò)程中，擠出機(jī)需抽真空利于得到發(fā)泡程度更好的制品。我們?cè)谶M(jìn)行材料配方的研究中所選用的聚乙烯新料和回收料均為顆粒料，它們與木粉在混料時(shí)能混合得很均勻，但在擠出機(jī)料斗里向主機(jī)機(jī)筒中進(jìn)料會(huì)出現(xiàn)聚乙烯與木粉分離分段進(jìn)料的現(xiàn)彖，這會(huì)嚴(yán)巫影響制品的均一性、表而品質(zhì)和性能為了解決這問(wèn)題,在料斗中增加一攪拌強(qiáng)制下料裝置，使聚乙烯和木粉能均勻進(jìn)料。2. 8 擠ill制品的性能指標(biāo)擠出制品依據(jù)國(guó)際、國(guó)內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè),所達(dá)到的主要性能指標(biāo)見表3。表3 主耍性能指標(biāo)性能標(biāo)準(zhǔn)性能指標(biāo)彎曲彈性模量/ gpa astm d90 92 3.64.2彎曲斷裂強(qiáng)度/ mi3a astm d90 92 48.8 52.6斷裂伸長(zhǎng)率/ % astm d90 92 3.64.2彎曲強(qiáng)度/ mpa gb/ t 17657 199930.3 32.5沖擊強(qiáng)度/ kj曠2 gb/ t 17657 199933.0 41,.8垂直板面握螺釘力/ n gb/ t 1765719991 800 2 0：20吸水率（24 h） / % gb/ t 17657 19990.60.9除各項(xiàng)性能指標(biāo)完全達(dá)到預(yù)期目標(biāo)外,還具冇一系列顯著的特性：密度小、比強(qiáng)度高、剛性好、軟化點(diǎn)高、尺寸穩(wěn)定性好、低溫性能好、耐腐蝕、吸水率低、防