2020年 第46卷·25·作者简介：曾天忠（1980-)，男，本科，工程师，主要从事氟塑料挤出工艺方面工作。
收稿日期：2020-03-23
氟塑料是在高分子结构中含有氟原子或氟原子基团的聚合物。氟塑料是性能优异的高分子材料，具有热稳定性高、介电常数低、可燃性低、耐化学性强等优点。目前已广泛应用于化工、电子、电气、航空、航天、汽车等工业领域。氟塑料的生产主要集中在美、欧等发达国家
[1]
。
随着国民经济的发展，中国的氟塑料也发展起来了。氟塑料需要不断进行共混改性，以满足各个领域不断更新的需求。含氟单体可以相互间或者与其他高分子单体共混合成功能性更强的氟塑料。这些聚合物中含有大量的溶剂、含氟物质等低分子组分。这些低分子组分不利于提高产品的物理性能和外观质量，不利于环保和人的健康，必须将其脱出后才能得到高质量氟塑料产品[2]。目前，脱出聚合物内低分子组分方
法有湿法凝聚
[3]
等。
随着聚合物工业逐渐向简化生产工艺和节能环保方面发展，同向双螺杆挤出机因能耗低、环保而被采用，其螺杆和筒体采用组合式，构型可调，可以直接完成氟塑料排气并挤出制品，实现连续一步法生产。 1 氟塑料挤出机
根据氟塑料的工艺特点，物料中的含氟物质对大多数金属有腐蚀性。与物料密切接触的螺杆和筒体材质需选用镍基耐腐蚀合金。它具有良好的抗腐蚀性和热稳定性，但其机械强度低于常规挤出机材质。排气螺杆的长度一般大于常规挤出机。镍基耐腐蚀合金的机械强度无法满足此要求。在此情况下，氟塑料挤出机采用新型的双阶式同向双螺杆挤出机组（如图1）。 它主要由上阶同向双螺杆挤出机、中间连接机构、下阶同向双螺杆挤出机、造粒机头、钢带、切粒机组成。
聚合后的物料由计量泵加入到上阶同向双螺杆挤出机。物料经上阶同向双螺杆挤出机熔融、塑化以及三个自然排气过程后，大部分低分子组分受到加热蒸发脱出。物料体积随之减少，通过密闭的中间连接机构进人下阶同向双螺杆挤出机。经三个真空排气过程后，物料中的极少低分子组分也被脱出。物料经机头模孔挤出成条状物，钢带自然冷却，切粒机造粒。
1—上阶挤出机电机；2—上阶挤出机传动箱；3—进料口；4—自然排气口一；5—自然排气口二；6—自然排气口三；7—中间连接机构；8—下阶挤出机电机；9—下阶挤出机传动箱； 10—真空排气口一；11—真空排气口二；12—真空排气口三；13—造粒机头；
14—钢带；12—切粒机
图1 氟塑料挤出机结构示意图
同向双螺杆挤出机在氟塑料中的应用
曾天忠，何振鹏
(天华化工机械及自动化研究设计院有限公司，甘肃 兰州 730060)
摘要：针对氟塑料的工艺特点，本文重点介绍氟塑料挤出机的结构设计，该挤出机在氟塑料生产中应用情况良好，具有广阔的市场前景。
关键词：氟塑料；同向双螺杆挤出机；应用中图分类号：TQ330.663
文章编号：1009-797X(2020)16-0025-05
文献标识码：B DOI:10.13520/jki.rpte.2020.16.006
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2 氟塑料挤出机关键部件的开发设计与常规挤出机相比，氟塑料挤出机在防腐、环境保护、排气等方面有着特殊的设计要求，其关键部件的设计分以下几部分进行论述。
2.1 螺杆尾部密封设计
物料进入挤出机内后，沿螺杆方向输送并受到加热。少量的低分子组分会变成气体从螺杆尾部处逸出。低分子组分中的含氟物质会污染环境，不能直接排出。针对这个工艺，螺杆尾部设计了盘根密封。螺杆旋转部位，通氮气进行气体密封（如图2）。与物料接触的密封体材质选用镍基耐腐蚀合金，防止腐蚀。
1—进料口；2—螺杆；3—筒体衬套；4—筒体外壳；5—螺杆尾部气体逸漏处；6—密封体；7—盘根；8—氮气进入口
图2 螺杆尾部密封结构示意图
2.2 螺杆和筒体设计
根据工艺需要，螺杆和筒体选用积木式结构，其材质选用镍基耐腐蚀合金，自身防腐。常规挤出机每节筒体由内镶嵌衬套和筒体外壳组成（如图3）。这种结构适用于黏度大、无腐蚀的聚合物 (如聚乙烯，聚丙稀等)。筒体外壳与筒体衬套材质不一样，其热膨胀量也不一样。筒体端面会产生间隙。含氟低分子组分容易从筒体端面间隙逸出，污染环境。针对这一情况，我们设计了新型筒体结构（如图4）。这种结构在筒体端面处设计凸台，防止衬套与筒体外壳由于膨胀系数的差异而产生间隙。衬套端面处设计凹槽，安装镍基耐腐蚀合金密封圈，防止物料遗漏。镍基耐腐蚀合金密封圈即能防止腐蚀，又能承受高温，高压，满足工艺条件。
2.3 中间连接机构
为了保证经上阶挤出机挤出的熔融物料能够稳定地进入下阶挤出机内，中间连接机构的设计非常关键（如图5）。物料从侧向直接进入下阶挤出机内。整个流道光滑无死角。物料能顺利地进入下阶挤出机。中间连接机构还设计了压力测试点，便于观察此处压力是否超高，是否有异常波动，判断物料是否流动顺畅。
1—上阶挤出机筒体；2—上阶挤出机螺杆；3—中间连接机构；
4—压力测试点；5—下阶挤出机筒体；6—下阶挤出机螺杆
图5 中间连接机构结构示意图
3 氟塑料挤出机工艺
3.1 螺杆和筒体组合技术
螺杆和筒体是挤出机的核心。在这个工艺路线中，物料需在挤出机中完成输送、熔融、塑化、排气等众多过程。选择合理的螺杆直径、长径比、螺杆和筒体组合至关重要。螺杆直径、长径比需根据产量、物料中溶剂的含量及脱出溶剂需要的热量来确定。物料中
的溶剂在不影响工艺的前提下应尽量少，否则挤出机1—筒体外壳；2—筒体衬套；3—端面间隙
图3 常规筒体结构示意图
1—筒体外壳；2—镍基耐腐蚀合金衬套；3—密封圈
图4 新型筒体结构示意图
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传送的热量不够，影响排气效果。螺杆和筒体组合可以根据物料工艺进行调整。
该设备中，上阶同向双螺杆挤出机螺杆直径为60 mm ，长径比设计为40，机筒分为10节，第1节为加料机筒，第5,7，9节为排气机筒，其余为闭合机筒。第1.2节筒体螺杆组合选用大导程输送元件，保证物料向前输送，排气口螺杆组合也选用大导程输送元件，防止冒料。其余选用中小导程元件，保证物
料停留时
间，使其加热充分。
下阶同向双螺杆挤出机螺杆直径为32 mm ，长径比也设计为40，机筒分为7节，第1节为加料机筒，第3,5,6节为排气机筒。本段物料中只含有少量的低分子组分。排气需要采用真空排气，三个排气过程能保证残留的低分子组分脱出。螺杆组合与上阶挤出机相似。经过大量的实验，笔者设计了螺杆和筒体组合（如图6和图7）
，该组合用于聚偏氟乙烯的实验。
图6
上阶双螺杆挤出机螺杆和筒体组合
3.2 温度控制
在氟塑料挤出机中，除了合理的结构设计之外，双螺杆挤出机机筒、中间连接机构、机头的温控区段的划分（如图8）、操作温度的控制也是很重要的。在确定操作基准温度后，挤出机加料段的温度不宜太高，温度太高会使物料快速熔融，低分子组分受热后蒸发，容易从加料口和螺杆尾部脱出，同时物料易黏在进料口，影响加料的顺畅。由于低分子组分脱出带走热量，挤出排气段的加热功率需加大，以保证到达设置温度。表1
是用于聚偏氟乙烯实验时，各区段温度的设置。
图8 温控区段的划分及排气口结构示意图
3.3 挤出机螺杆转速控制
螺杆转速影响着物料在挤出机内的表面更新、停
留时间以及产量。物料表面的低分子组分容易被真空系统脱出。物料必须不断地被螺杆翻腾，实现物料的表面更新，低分子组分脱出。物料由两根旋转的螺杆带动向前输送，其停留时间必须充足。如果物料停留时间不够，生产不出高纯度的产品。
螺杆转速的调整还需考虑挤出机上下两阶产量匹配。如果两阶挤出机产量不匹配，会造成中间连接机构压力异常波动或者超高，物料流动不顺畅，排气口冒料。针对这个情况，氟塑料挤出机在中间连接机构和机头处设计压力测试点。通过调节两阶螺杆转速和观察压力测试点压力是否平稳、排气口冒料与否、两阶挤出机的电机电流是否平稳来实现挤出机上下两阶产量匹配。
3.4 挤出机排气口压力控制
低分子组分从挤出机内脱出后，经冷却并收集在容器内。要想顺利脱除低分子组分，这需要控制挤出机排气口压力。上阶挤出机自然排气口处，低分子组
图7 下阶双螺杆挤出机螺杆和筒体组合
表1 聚偏氟乙烯挤出机各区段温度设置
1区~4区
5区~8区9区~11区12区~14区15区~17区100~210
塑料切粒机200~240
230~260250~270250~270
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分比较多，应通过引风装置快速带走这些低分子组分，确保压力为常压，以便后面的低分子组分脱出。
下阶挤出机真空排气口的压力应确保不冒料情况下，通过真空泵提高真空度，以便带走极少量的低分子组分。
4 结论语
实验证明，同向双螺杆挤出机能成功运用于氟塑料生产，解决氟塑料生产中的防腐、保护环境等问题。
参考文献：
[1] 苏刚.氟塑料成型加工技术进展及应用[J].有机氟工业，2005,4:40~41.
[2] 袁丽华.直接排气双阶工艺用于丁苯树脂的研究[J].合成树脂及塑料，2007，24(4):55.
[3]
陈元华.热塑性弹性体SBS 的工程开发，III.SBS 聚合溶液后处理过程 [J].合成橡胶工业，1994,17(1):8~10.[4]
陈剑霞.落条式排气发物设备液体分布装置的研究 [J].合成橡胶工业，1994,17(2):73~76.
Application of co-rotating twin screw extruder in fluoroplastics
Zeng Tianhong, He Zhenpeng
(Tianhua Institute of Chemical Machinery & Automation Co.LTD., Lanzhou 730060, Gansu, China)Abstract: According to the process characteristics of fluoroplastics, this paper mainly introduces the structural design of fluoroplastics extruder. The extruder has a good application in the production of fluoroplastics and has a broad market prospect.
Key words: fluoroplastics; co-rotating twin screw extruder; application
(R-03)
芬欧蓝泰与陶氏合作打造纯木质基聚乙烯薄膜标签材料
UPM Raflatac and Dow cooperate to create pure wood-based polyethylene film label materials
早前，芬欧蓝泰标签推出业内一款100%木质基聚乙烯薄膜标签材料Forest Film PE ，带来更多可持续价值。Forest Film PE 薄膜标签材料由UPM 生物燃料事业部和陶氏化学公司合力打造。以UPM BioVerno 石脑油为原材料，这是一款由纸浆生产的 残留物制成，100%木质基的原材料。因而，Forest Film PE 薄膜标签材料具有可回收、可循环的环保优势。
UPM 生物燃料事业部副总裁Panu Routasalo 表示， “该款新产品展示了UPM BioVerno 作为原材料的广泛用途。将纸浆生产工艺残留物制 成的UPM BioVerno 石脑油，可用作为各种塑料的原材料，帮助品牌商实现其包装的可持续发展目标。” 大至家居好物，小至个人护理，新款Forest Film PE 薄膜标签材料的性能与传统化石基PE 薄膜材料完全相同，这将大大减少化石原材料在家 庭和个人护理标签应用领域的使用率，为家庭和个人护理产品的包装带来品质优异及可持续的标签解决方案。
2019年，芬欧蓝泰标签打造业内首款纯木基薄膜标签解决方案Forest Film ™，以应对可再生包装材料需求的不断增长。此次，UPM 与陶氏 化学的强强联手，为Forest Film 系列再添新成员，也为塑料生产创造了可以取代传统化石基原材料的可持续代替品。
陶氏化学公司生物基项目负责人Carolina Gregorio 表示，“Forest Film PE 薄膜标签材料朝着包装行业可持续发展迈出了明智的一步。作为可持续生物燃料的全球推动者，UPM 与我们正齐心协力，加快塑料循环经济可持续发展的步伐。帮助客户和消费者减少对化石燃料的依赖， 从而减少整个价值链中的碳排放。”
摘编自“雅式橡塑网”
(R-03)
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