摘要：本文主要對擠出鑄片法生產(chǎn)PP鋰電池隔膜所用的擠出機(jī)做一下探討，其中重點(diǎn)是探討一下擠出機(jī)的螺桿結(jié)構(gòu)、以及加熱與冷卻系統(tǒng)對PP擠出的影響。

關(guān)鍵詞：擠出機(jī)螺桿加熱與冷卻

隨著在鋰電池上應(yīng)用規(guī)模的擴(kuò)大，PP隔膜生產(chǎn)的工藝技術(shù)也越來越成熟，目前，國內(nèi)比較成熟的鋰電池隔膜生產(chǎn)工藝有干法和濕法兩種，擠出鑄片系統(tǒng)就是干法生產(chǎn)工藝的重要一環(huán)，擠出機(jī)更是其中非常關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)。

按擠出機(jī)的螺桿數(shù)量來劃分，擠出機(jī)可以分為單螺桿、雙螺桿和多螺桿，但應(yīng)用在PP樹脂的擠出上，目前還是以單螺桿為主，相對來說，單螺桿適用于一般材料的擠出加工，而雙螺桿由于喂料特性好，更適用于粉料加工。

從結(jié)構(gòu)上來看，擠出機(jī)一般由螺筒、螺桿、螺桿傳動系統(tǒng)、螺筒的加熱和冷卻系統(tǒng)以及其它附件組成，用擠出法生產(chǎn)PP鋰電池隔膜，最關(guān)鍵的問題就是要保持熔體壓力均勻、穩(wěn)定，防止熔體過分降解及夾帶氣泡，未熔物料或焦料等異物，因此，螺桿的設(shè)計(jì)，以及螺筒的加熱與冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)是PP螺桿擠出機(jī)的重中之重。

1 螺桿

螺桿是擠出機(jī)重要的部件之一，它的結(jié)構(gòu)、加工情況、與最終產(chǎn)品的質(zhì)量、產(chǎn)量、能量消耗等有著密不可分的關(guān)系。

代表螺桿結(jié)構(gòu)特征的基本參數(shù)主要有：直徑，長徑比、壓縮比、螺距、螺槽深度、螺旋角、螺桿與料筒的間隙、螺紋頭數(shù)、螺棱寬度等。

螺桿直徑在一定程度上代表擠出機(jī)的生產(chǎn)能力，螺桿直徑增大，生產(chǎn)能力提高，擠出機(jī)的生產(chǎn)能力與螺桿直徑的平方成正比。以年產(chǎn)500萬平米的隔膜生產(chǎn)線為例，擠出機(jī)的擠出能力可選擇20~50Kg/h。

長徑比也是螺桿的一項(xiàng)重要指標(biāo)。長徑比增大，能改善物料溫度分布，有利于樹脂的混合、塑化，減小螺桿中的漏流和逆流，減小擠出壓力的脈沖現(xiàn)象，有利于提高擠出機(jī)的生產(chǎn)能力，但是長徑比過大時(shí)，螺桿的自重增加，導(dǎo)致?lián)隙仍黾?，容易引起螺桿與料筒磨損；長徑比過小，容易引起混煉、塑化不良。一般情況下，PP隔膜生產(chǎn)線所用螺桿的長徑比約為30~40。

螺旋角φ是指螺紋與螺桿橫斷面的夾角。隨著φ值的增大，擠出機(jī)生產(chǎn)能力得到提高，但是物料的剪切作用和擠出壓力卻要減小。通常的φ值取17°41′，即選擇螺距等于螺桿的外徑。

壓縮比一般可以用幾何壓縮比來表示，即可簡化為螺桿加料段最后一個(gè)螺槽的容積與均化段最初一個(gè)螺槽容積之比，它表示塑料通過擠出機(jī)全長時(shí)被壓縮的倍數(shù)。壓縮比越大，塑料受到的擠壓作用越大。壓縮比的大小與物料性能、物料形狀等因素有關(guān)。

螺槽深度是一個(gè)變值，對于常規(guī)三段螺桿來說，加料段的螺槽深度最深，均化段的螺槽深度最淺，而壓縮段的螺槽深度則是一個(gè)連續(xù)漸變區(qū)。螺槽深度主要影響塑料的剪切速率。螺槽越淺，剪切速率越高，越有利于料筒壁與物料間的傳熱及摩擦生熱，越有利于提高物料混合及塑化效率，但生產(chǎn)能力要降低。

物料沿螺桿向前移動時(shí)，經(jīng)歷著溫度、壓力、粘度等變化，這些變化在螺桿的全長范圍內(nèi)是不同的，根據(jù)物料變化特點(diǎn)，通常把常規(guī)螺桿分為加料段、壓縮段和計(jì)量段三個(gè)區(qū)段。

1.1 加料段 加料段的螺紋深度是恒定不變的，其作用是將固體的物料送往壓縮段。物料在此段被機(jī)筒傳入的熱量預(yù)熱，物料間的空氣及其它氣體可從物料間的間隙排往料斗。一般情況下，結(jié)晶型聚合物的加料段長度L1要比非結(jié)晶聚合物長一些，從經(jīng)驗(yàn)數(shù)值來看，結(jié)晶型聚合物的加料段長度L1=（30%~65%）L，非結(jié)晶聚合物的加料段長度L1=（10%~25%）L?？紤]到PP的特性，擠出PP時(shí)，其加料段長度則介于結(jié)晶型聚合物和非結(jié)晶聚合物之間。

1.2 壓縮段 在擠出PP所用螺桿的壓縮段，螺槽的容積是逐漸變小的，通常采用等螺距、槽深漸變的結(jié)構(gòu)形式。壓縮段的作用是壓實(shí)物料，使該段的固體物料轉(zhuǎn)變?yōu)槿廴谖锪?，并且由于螺槽的深度逐漸變淺，物料間的間隙越來越小，氣體承受的壓力也越來越大，在壓力差的作用下，物料間的空氣通過固體物料間的間隙逐漸向加料段流動。在壓縮段，物料在螺桿強(qiáng)大剪切、壓縮作用下，產(chǎn)生摩擦熱，同時(shí)又接收機(jī)筒供給的熱量，保證了物料在壓縮段最后階段基本熔融。

1.3 計(jì)量段 在普通單螺桿中，計(jì)量段螺槽的容積基本上是恒定不變的，且該段螺槽深度較淺。計(jì)量段的作用是將熔融的物料定量、穩(wěn)定擠出并使螺桿產(chǎn)生一定的背壓力，進(jìn)一步加強(qiáng)熔體的剪切、混合作用，使物料進(jìn)一步均化。

計(jì)量段的工作特性主要取決于該段螺槽深度和計(jì)量段的長度，計(jì)量段螺槽深度加深，擠出能力增大，與此同時(shí)逆流量也更快的增大，因此槽深不宜過大；槽淺有利于物料進(jìn)一步塑化和均化，但是機(jī)頭阻力增大，生產(chǎn)能力小，并且槽深過淺容易使物料產(chǎn)生降解。計(jì)量段長度增大，物料受剪切作用時(shí)間長，有利于物料的分散和混合，但過長會使物料溫度升高，容易產(chǎn)生熱降解。

2 加熱與冷卻系統(tǒng)

加熱與冷卻是塑料擠出的必要條件。通常情況下，由于擠出機(jī)工作時(shí)螺桿的轉(zhuǎn)動，對聚合物顆粒或粉料產(chǎn)生擠壓推力，使之移動、壓實(shí)后摩擦生熱，在移動的過程中，物料得到混合、塑化，玻璃態(tài)的物料變?yōu)檎沉鲬B(tài)的熔體，最后從排料口排出，但是，任何物料擠出時(shí)，其自身產(chǎn)生的熱量都不足以使物料產(chǎn)生熔融，因此必須有相應(yīng)地加熱裝置。加熱裝置由外部加熱筒內(nèi)的樹脂，使之升溫，以達(dá)到工藝操作所需要的溫度。

在螺桿擠出機(jī)的加熱區(qū)，為了適應(yīng)不同的物料特性，并且對溫度采取精確控制，加熱區(qū)又可細(xì)分為快速加熱區(qū)和恒溫區(qū)、保溫區(qū)，設(shè)置快速加熱區(qū)的主要目的是通過快速升溫，保證PP在很短時(shí)間內(nèi)，迅速由玻璃態(tài)向熔融態(tài)轉(zhuǎn)化，并通過一定渠道，及時(shí)有效排出物料含有的水分與升溫過程中產(chǎn)生的氣體；設(shè)置恒溫區(qū)則是為了保證物料溫度均衡，熱量能有效控制，防止物料在高溫下發(fā)生降解，一般條件下，物料的降解受加熱溫度和加熱時(shí)間的雙重影響，溫度越低，發(fā)生降解的時(shí)間越長；溫度越高，發(fā)生降解的時(shí)間越短。

對于PP的擠出，擠出機(jī)性能的高低由擠出機(jī)的螺桿結(jié)構(gòu)所決定，但擠出質(zhì)量的優(yōu)劣，以及擠出效率的高低，還在于加熱區(qū)的設(shè)置要與擠出機(jī)的螺桿結(jié)構(gòu)相適應(yīng)。通常情況下，比較適宜的加熱區(qū)設(shè)置方案為“馬鞍型”，即加熱區(qū)設(shè)定溫度要高一些，恒溫區(qū)設(shè)定溫度要低一些，保溫區(qū)設(shè)定溫度要高一些，但是這種情況也不能一概而論，即使同一臺擠出機(jī)，在不同擠出速度下運(yùn)行，“馬鞍型”的“鞍”與“座”高低也是完全不同的。

PP樹脂在擠出時(shí)，物料由玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化為熔融態(tài)，共計(jì)有兩種熱源，一種是由螺桿在旋轉(zhuǎn)過程中對物料壓延、摩擦、剪切產(chǎn)生的熱量，另外一種是外加熱系統(tǒng)傳入的熱量，在開機(jī)生產(chǎn)時(shí)，物料的熔融主要以外加熱為主；在正常生產(chǎn)階段，物料的熔融主要以螺桿對物料壓延、摩擦、剪切產(chǎn)生的內(nèi)熱為主，因此，不同的工作階段，擠出機(jī)的加熱方案也應(yīng)該有所區(qū)別。

在擠出機(jī)擠出的不同工作段，物料所需的溫度是不同的，并且需要精確控制，因此，在加熱系統(tǒng)之外，還需要有相應(yīng)的冷卻裝置與之配套，具體說是為了排除螺桿旋轉(zhuǎn)的剪切摩擦產(chǎn)生的多余熱量，以避免溫度過高使塑料分解、焦燒或定型困難。

螺筒的冷卻分為水冷與風(fēng)冷兩種，一般中小型的擠出機(jī)以采用風(fēng)冷為主，大型擠出機(jī)則多采用水冷形式，或者采用兩種形式結(jié)合冷卻；有些大型擠出機(jī)，除了螺筒要采用冷卻外，螺桿軸還要采用中心水冷，目的是增加物料固體輸送率，同時(shí)提高產(chǎn)品質(zhì)量。

3 結(jié)語

通過以上探討，我們已經(jīng)了解到了螺桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加熱與冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)對PP擠出的影響，但是，在具體的工業(yè)生產(chǎn)過程中，影響產(chǎn)品質(zhì)量的所有制約因素都不是一成不變的，對于不同的擠出機(jī)，一定要在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，靈活掌握各種工藝參數(shù)的變化，才有可能得到最優(yōu)的產(chǎn)品質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

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