热塑性复合材料挤出：螺杆设计与磨损控制

• 用于制造热塑性复合材料的螺杆设计

• 用于加工复合热塑性材料的螺杆设计

近年来，在塑料工业中，将各种填料和添加剂混入热塑性树脂的做法越来越普遍。添加滑石粉、云母、碳酸钙和纳米粘土等填料，可提高各种塑料的刚度和/或强度，并扩大其应用范围。这些填料还会影响加工设备的性能和使用寿命。

大多数用于热塑性树脂挤出的螺杆主要涉及树脂的进料、熔化和泵送问题。

在螺杆的进料段（即固体输送段），热塑性复合材料的进料机制可能与不含填料的同一种热塑性聚合物的进料机制大不相同。

在螺杆的固体输送功能中，最关键的现象是聚合物的相对摩擦系数（COF）。在进料段，有三种不同的摩擦系数在起作用：

尽管给定的聚合物在纯状态或未填充状态下可能非常良好，但添加填料往往会显著改变其摩擦系数，进而改变螺杆的固体输送性能。

例如，只要云母是基材中的填料或添加剂，COF 都会急剧下降。因此，螺杆可能需要具有更长且深度恒定的进料段。这是为了在材料进入过渡段或阻隔段之前产生足够的进料压力。

此外，为了提高这种物料的固体输送能力，可能需要调整温度曲线，即提高第一机筒区的温度，以增加颗粒和枪管壁之间的 COF 来完成的。

这样可使聚合物开始发粘或粘附在机筒上，从而能够向前输送。固体输送不良或不稳定会直接导致挤出量低，并导致加工过程出现严重波动。 

影响熔化的螺杆几何形状最重要的方面是体积压缩比。它由螺杆过渡段或屏障段中流道体积的变化决定，通常位于螺杆进料段之后。

向树脂中添加填料会增加其比重。例如，纯净（即未填充）的熔体流动速率（MFR）为2的聚丙烯比重为0.92，而含有40%滑石粉填料的同种聚合物比重为1.24，密度增加了35%，加工过程中需要熔化的聚合物量也减少了40%。由于填料占据了螺杆流道中的体积且不会熔化，因此必须在螺杆设计中进行补偿。

如前所述，由于填料通常不会因温度变化而压缩或改变体积，因此必须考虑流道深度。例如，未填充聚丙烯螺杆的体积压缩比通常在3.5:1至3.75:1之间，而40%滑石粉填充聚丙烯螺杆的体积压缩比则在2.75:1至3.25:1之间，具体取决于螺杆尺寸。对于屏障型螺杆，在设计热塑性复合材料螺杆时，不仅要考虑流道深度，还要考虑屏障螺棱间隙。

在屏障型螺杆设计中，当聚合物沿机筒壁熔化时，必须能够自由通过屏障螺棱间隙，从固体流道流入屏障段的熔体流道。同样，由于复合聚合物基体中含有不可压缩的填料，因此屏障间隙需要更大，以便熔融物料自由流动。否则，固体流道和熔体流道之间会出现高压差，进而可能导致中间机筒区机筒温度超调。

图 1：挤出螺杆

挤出螺杆中的泵送也非常关键，因为它会影响加工稳定性。在注塑成型中，螺杆通过单向阀泵送熔融聚合物，以积累下一次注射的物料。而挤出过程则需要稳定、持续的输出。

确实，树脂必须持续稳定地进料，并且熔化均匀。然而，螺杆的计量段才是泵送必须保持稳定的关键部位。

通常，含有填料的树脂比不含填料的同种树脂粘度更高。粘度增加实际上有助于泵送，但如果挤出模具未针对粘度更高的聚合物化合物进行设计，则会产生更高的机头压力。

如果用设计用于纯净或未填充树脂的螺杆来加工填充树脂，虽然从表面上看可能还能接受，但机筒内部会发生其他情况：

第一个迹象是机筒区温度超调，这是由于填料的不可压缩性造成的。温度超调的原因通常是螺杆特定区域因粘性发热而产生过热，进而导致机筒区过热。

只要机筒区因粘性发热而温度超调，基本原因就是材料仍然太硬或太粘，无法顺利通过螺杆流道的该部分。

应采用的第一个加工技术是提高超调区之前的所有机筒区温度。这有助于提高树脂温度并降低其粘度，进而使树脂能够更轻松地通过温度超调的螺杆部分。在大多数情况下，这只是一个临时解决方案，长期解决方案需要采用设计合理的螺杆。

通过修正螺杆设计，使几何形状考虑热塑性复合材料中的填料含量，可以消除温度超调并减少螺杆磨损。

螺杆和机筒磨损是复合热塑性树脂使用中需要关注的两个领域。

复合热塑性树脂螺杆设计不当的另一个表现是螺杆磨损。如果没有针对复合热塑性塑料优化体积压缩比，则螺杆槽的根部会出现明显的极度磨损。

磨料磨损

不同的填料会导致螺钉的不同区域发生磨损。填料引起的螺杆磨损类型为磨料磨损，如图2所示。云母和玻璃纤维等填料会导致螺杆进给部分的剧烈磨损。通常，这种磨损会在螺钉的第三圈和第四圈开始出现。磨料磨损延伸到过渡的第三圈、第四圈和第五圈。

图 2：磨料磨损

根部磨损

通常，根部磨损出现在螺棱的推力面，如图3所示。磨损主要发生在上述部位的主要原因是，在该部分螺杆中，树脂仍呈颗粒状。

复合材料靠近颗粒外表面，会与螺杆未受保护的钢制根部摩擦。一旦树脂开始熔化，熔融物料形成的薄膜就会在颗粒与螺杆根部之间起到润滑作用。

图 3：磨料磨损

防止根部磨损的方法

• 氮化处理

通常，降低这种根部磨损的一种经济有效的方法是对螺杆进行氮化处理。氮化处理会使螺棱根部和侧面完全硬化，硬化深度为0.015至0.020英寸，硬度达到60洛氏C级。氮化处理的缺点是，由于硬化层厚度仅为0.015至0.020英寸，随着时间的推移，硬化层也会磨损。一旦磨损，复合热塑性材料就会像“热刀切黄油”一样侵蚀基体金属。问题在于，除非定期将螺杆从挤出机中取出并进行目视检查，否则操作人员无法判断何时会发生这种情况。

这种磨损是可以修复的。唯一的问题是，新焊接材料与经过氮化处理的原始基体金属的接合处会出现许多针孔，这是由于焊接过程中氮化气体从基体金属中沸腾而出造成的。基本上无法防止这些针孔的出现。它们只是外观上的瑕疵，不会影响螺杆的加工性能。

• J型槽焊接

防止螺棱推力面过早磨损的另一种方法是在问题部位采用J型槽焊接螺杆的进料段和过渡段起始部分。该过程如图4所示。

图 4：J 型槽

• 包覆法

包覆法通过在较小螺杆的根部涂覆碳化钨来保护螺杆根部。可采用多种不同方法进行涂覆，如高速氧燃料（HVOF）喷涂或喷焊融合。这两种方法都比氮化涂层更能保护螺杆根部。尽管这是一种更好的保护方法，但成本也更高。

可以通过J型槽焊接或完全包覆根部来保护新的较大螺杆。具体做法是，将原始螺杆流道轮廓加工得比最终成品几何形状更深，然后用更硬的材料堆焊螺棱根部和侧面。图5展示了包覆法。

图 5：包覆法

上示意图显示了应用于螺钉母材的两种不同材料。图中的黄色区域代表更容易加工的堆焊，例如司太立6，其硬度为38-42 Rc。红色区域代表螺钉尖端堆焊，例如Xaloy® X830，它是耐腐蚀基体中的碳化钨材料。

• 喷焊和熔合

这里介绍的最后一种螺钉保护方法包括喷涂焊接和与碳化钨悬浮材料熔合，例如获得专利的 Xaloy® X8000（美国专利 5,198,268）。该应用如图 6 所示。

图 6：采用喷焊融合进行螺杆保护

所有上述螺杆保护方法都会增加新螺杆的采购成本，但它们提供的持久且稳定的寿命远远超过了初始成本。

• 机筒磨损

如前所述，与螺杆磨损一样，挤出机机筒衬里也会发生磨蚀磨损。采用当今的双金属技术，将双金属衬里离心铸造到机筒基体金属上，可以提高机筒的耐用性。在当今的技术中，双金属衬里可以在双金属基体金属中悬浮碳化钨颗粒，如图7所示。

这张照片中的小颗粒是碳化钨小颗粒。这项技术最初由Xaloy公司获得美国专利3,836,341。将碳化钨加入双金属衬里材料中，可使机筒寿命比20年前塑料工业使用的旧式原始双金属衬里提高4-5倍。

这些类型的机筒可用于挤出高填充聚合物。它们还允许挤出机在更高的螺杆转速下运行，但这也可能导致机筒和螺杆磨损加剧。

图 7：枪管磨损

在挤出热塑性复合材料时，螺杆设计和螺杆与机筒的构造是至关重要的考虑因素。事先妥善解决这些问题，可使热塑性复合材料的加工取得成功。这里要吸取的主要教训是，如果在考虑加工热塑性复合材料时事先进行适当的研究，学习曲线将会大大缩短。

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