木粉/聚乙烯复合发泡挤出技术配方

1. 1 主要原料
高密度聚乙烯(PE2HD) ,正兴三友木粉;低密度聚乙烯(PE2LD) ,正兴三友木粉;AC 发泡剂,正兴三友木粉,正兴三友木粉厂。
1. 2 主要仪器设备
平行双螺杆挤出机,<50 ,正兴三友木粉;板材挤出模具,自制;高速混合机, SHR225A 正兴三友木粉;电子秤,JA21001 ,上海天平仪器厂。
1. 3 实验方法   工艺流程如图1
表1 实验配方
其中:表中木粉是经过表面脱脂处理的,考虑到粒度过粗的木粉会影响与塑料的粘接强度,过细的木粉会使制品表面太细腻、缺少木质感,在木粉/ 聚乙烯复合发泡挤出实验中选用的是粒径为38μm 左右的木粉,这样既能保证聚乙烯的粘接强度又能使制品表面具有良好的木质纹理;在“其它”一项中包含有交联剂、增塑剂和偶联剂等。
将PE2HD、PE2LD、AC 发泡剂和其它助剂放入高速混合机高速混合5 min 后, 再把木粉加入混合10 min ,在整个混料过程中温度控制在80 ℃以下。混好后在常温下摊开冷却。挤出实验中,双螺杆挤出机主机螺杆转速控制在45 r/ min 左右;进料螺杆转速为20 r/ min ;主机真空度为- 0. 1 MPa～ - 0. 15 MPa。挤出工艺温度设定为:挤出机螺杆一区:180 ℃;螺杆二区:175 ℃;螺杆三区:175 ℃;螺杆四区:173 ℃;螺杆五区:173 ℃;螺杆六区:170 ℃;合流芯区:160 ℃;模头一区:175 ℃;模头二区:175 ℃。
2 　结果与讨论
2. 1 木粉的干燥与发泡的关系
为了研究物料中木粉的干燥处理对挤出成型的影响,我们按预定方案配混6 种实验配方进行对比实验,其中配方1～4 中的木粉是经过烘干处理的,最终含水率约为3 %～5 %;而配方5～6 中的木粉未经干燥,含水率在10 %以上。根据设定的挤出工艺参数进行了挤出实验,实验中有以下现象:配方2 、3 中木粉经过烘干处理的,从挤出机里出来的板材塑化良好,发泡程度好,芯层呈絮状,泡孔均匀;表面结皮层光亮且硬度高, 厚度在0. 5 mm～0. 8 mm ,容易牵引;制品密度约为0. 63 g/ cm3 ;配方5 、6 中木粉未干燥的,挤出的过程有水汽逸出,板材发潮,芯部软呈浆状,泡孔小且大小不均;表面结皮层薄,牵引易断;制品密度约为0. 74 g/ cm3 。从实验现象分析,木粉里含有的少量水分在物料挤出过程中,可以起到发泡剂的作用,主机螺筒中受热形成的水汽配合发泡剂所释放出的气体,使成型的制品得到均匀的泡孔,提高了发泡程度,降低了制品的密度;而当木粉中含水分在10 %以上时,受热形成的水汽不能及时排出,过多地混合于物料中,降低了物料的粘度,破坏了发泡剂所形成的均匀泡孔,使得制品泡孔大小不一,并在模头出口时仍有大量水汽逸出,影响了表面结皮,牵引易断裂。通过该实验,我们得出了应对木粉进行干燥处理,利于挤出牵引、提高发泡程度和降低密度的结论。
2. 2 木粉含量对发泡的影响
按预定方案配混的六种实验配方,研究物料中木粉的含量对发泡程度的影响所进行对比实验中,我们观察到:
a) 当配方(如配方1) 中木粉的份数少时,模头出料膨胀厉害,制品结皮层厚,表面以聚乙烯为主,密度大约为0. 8 g/ cm3 ;
b) 当配方(如配方2 、3 、5 、6) 中木粉的份数较多时,离模膨胀较小,制品结皮薄,表面较粗糙有木纹,且密度较小;
c) 当配方(如配方4) 中木粉含量超过50 份时,挤出的物料基本不发泡。经分析,在木粉含量少时,物料中以聚乙烯为主,木粉只占据其小部分的空间,对其发泡程度没多大影响,因此模头出口处膨胀大,芯部结构疏松,但因聚乙烯本身密度较木粉大,使得制品最终密度大;在木粉含量较多时,则占据物料中较大的空间,减少了发泡间,降低了发泡程度,因此离模膨胀较小,虽泡孔小,但制品中所含密度很低的木粉占到了相当比例,从总体上降低了制品的密度;而当木粉的量大到完全占有了发泡的空间时,发泡过程不能进行,模头出料基本不膨胀,这时则纯粹是木粉与聚乙烯的填充挤出,木粉虽能起到一定的降低制品密度的作用,但远不如木粉加发泡的效果明显。具体实验数据如表2 所示。
表2 　实验配方与制品密度关系g/ cm3
Tab. 2 　Relation of formulation and density
配方号 1     2      3     4       5       6
制品密度0. 8   0. 63  0. 68  0. 9   0. 74     0. 77
　所以为了达到接近木质表面、减小密度,且降低成本的实验目的,适当增加木粉的含量,以30～40 份为宜,最多不超过50 份。木粉过多将影响发泡的程度,甚至造成制品不发泡,达不到降低成本的目的。
2. 3 　发泡剂的选用与作用
由于聚乙烯的塑化温度在160 ℃～190 ℃范围内,因此选用时应考虑发泡剂在塑料中的分解温度与聚乙烯塑化温度相近,这样才能保证在聚乙烯正常塑化过程中发泡剂不会提前分解,经分析后选择了目前应用较广的AC 发泡剂,它属于有机类化学发泡剂,分解温度为160 ℃200 ℃,发气量为220 mL/ g。根据AC发泡剂的发气量,为将聚乙烯的密度从0. 9 g/ cm3 ～0196 g/ cm3 降到0. 6 g/ cm3～0. 7 g/ cm3 ,经计算在每100 份聚乙烯中需加入2 份的AC 发泡剂,才能产生足够的气体形成制品中均匀的泡孔,有效降低制品密度。这通过以上进行的配方实验得到了很好的验证。在木粉/ 聚乙烯复合发泡的研究中,AC 发泡剂的加入起到一个很重要的作用。因为它不同于市场上开发和应用较早的木塑复合挤出制品,虽然其中木粉的最高添加量只能达到30 % ,远低于木塑复合挤出制品的60 %～80 %的木粉添加量,但发泡的作用使其制品的密度能降低20 % ～ 45 % , 达到016 g/ cm3 ～0. 7 g/ cm3 ,更接近木材的密度,具有替代木材的优势;同时也就使单位质量原料的出材率高于传统木塑复合挤出制品,降低了制造成本,具备更强的市场竞争力;因为木粉添加量的减少和发泡剂的加入,使得成型的制品具有更光滑和细致的表面,可用于较高档的室内外木塑制品,拓宽了其应用的领域。
2. 4 木粉含量与发泡剂对成本的影响
在传统木塑复合挤出制品中,人们是通过加大木粉的含量来达到降低成本的目的,因为木粉的价格仅300～600 元/ t ,远远低于聚乙烯的价格,因此木粉加入得越多成本降低的越多;但是木粉的添加量越大则制品的弯曲强度和冲击强度等性能指标越差,并且材料的流动性能大大降低,增加了挤出机的机头压力和挤出功率,对设备提出了更高的要求,也相应地增加了成本。而在木粉/ 聚乙烯复合发泡制品中,我们是通过添加木粉和发泡的共同作用降低材料的成本,这在发泡剂的作用一节中已经说过,不再赘述;同时,因为木粉含量最高仅30 % ,对材料流动性的影响远低于传统的木塑复合,制品成型的难度降低,只须普通挤出设备就能满足生产需求,减少了固定资产的投入;因为流动性较好,也减少模头糊料的几率,使生产过程更稳定;因为木粉含量的减少,使制品的性能比传统木塑复合好,更能满足使用要求。
2. 5 　模头的影响
最初在设计木粉/ 聚乙烯复合发泡挤出模具时,是参考聚乙烯发泡模具的设计方法和结构,经过多次配方实验和模具调试、修整后,总结出如下经验。
2. 5. 1 　模头设计要点
a) 因在聚乙烯中填充了木粉,使得物料的整体流动性能明显降低,所以在模头设计时应尽量避免流道急剧变化或出现台阶所引起的糊料现象;
b) 因在聚乙烯中填充了木粉,使得物料的可压缩性和离模膨胀减小,所以在模头设计中应减小压缩比,一般取(1. 5～2) ∶1 ,过大的压缩比只会增加挤出主机的机头压力;
c) 在模头结构设计时,应参考发泡模具结构,采用型芯内发式有利于制品取得良好的外观品质;
d) 在模头出口增加冷却板,使制品表面结皮,可提高制品的表面硬度。
2. 5. 2 模头结构
模头结构如图2 ,其中A 为模头总长度, B 为模头成型段长度, C 为模头与挤出机对接尺寸, D 为模头高度, E 为模头宽度。
2. 6 定型模的影响
定型模设计要点如下:
①因从口模冷却板挤出的物料表面已初步硬化、定型,定型模的主要作用是继续定型和冷却,因此它的真空吸附主要集中在定型模的前段起作用,定型模的长度也可适当减短,只要达到物料表层定型即可;
②因木粉填充聚乙烯发泡制品内部有大量微泡孔和木粉,散热很慢,在表层经定型模定型后,应采用冷却能力强的涡流水箱加强冷却,以提高生产效率。定型模结构如图3 。
2. 7 挤出主机的影响
因为物料是在挤出机中塑化挤出,挤出机的性能好坏对木粉/ 聚乙烯复合发泡制品的成型有很大影响。鉴于使用的主料聚乙烯为结晶型树脂,我们选用<50平行双螺杆挤出机来进行木粉/ 聚乙烯复合发泡材料的挤出,由于平双挤出机对物料的高剪切有利于其很好的塑化,同时也能满足其对主机功率的要求,挤出机的电流一般控制在50 A 左右(传统木塑复合材料的挤出电流在80 A 以上) ;为了更有效地去除木粉中的残留水分,在挤出过程中,挤出机需抽真空利于得到发泡程度更好的制品。我们在进行材料配方的研究中所选用的聚乙烯新
料和回收料均为颗粒料,它们与木粉在混料时能混合得很均匀,但在挤出机料斗里向主机机筒中进料会出现聚乙烯与木粉分离分段进料的现象,这会严重影响制品的均一性、表面品质和性能。为了解决这问题,在料斗中增加一搅拌强制下料装置,使聚乙烯和木粉能均匀进料。
2. 8 挤出制品的性能指标
挤出制品依据国际、国内相关标准检测,所达到的主要性能指标见表3 。
表3主要性能指标
性能标准                                  性能指标
弯曲弹性模量/ GPa ASTM D90  —           92 3. 6～4. 2
弯曲断裂强度/ MPa ASTM D90  —          92 48. 8～52. 6
断裂伸长率/ % ASTM D90 —               92 3. 6～4. 2
弯曲强度/ MPa GB/ T 17657  1999           30. 3～32. 5
冲击强度/ kJ·m- 2 GB/ T 17657 1999         33. 0～41. 8
垂直板面握螺钉力/ N GB/ T 17657—1999     1 800～2 020
吸水率(24 h) / % GB/ T 17657 — 1999         0. 6～0. 9
除各项性能指标完全达到预期目标外,还具有一系列显著的特性: 密度小、比强度高、刚性好、软化点高、尺寸稳定性好、低温性能好、耐腐蚀、吸水率低、防虫蛀等,物理力学性能甚至可与硬木制品相媲美,并有许多木材和塑料所不具有的性能。
3 结论
通过对木粉/ 聚乙烯复合发泡的配方和挤出模具的深入研究,总结出优化的材料配方和最佳的模具设计方法。生产出的产品完全达到预定的目标,正常生产所达到的挤出速度在1 m/ min～1. 5 m/ min ,制品密度被严格地控制在0. 6 g/ cm3～0. 7 g/ cm3 范围内,各项主要性能指标也已达到国际、国内标准,处于国内领先、国际先进水平。该技术大大提高了废弃资源的综合利用率,降低了因废弃资源处理不当对环境造成的严重污染,产生明显的经济效益和社会效益。