孫克原，張敏華，陳勤勤，汪海飛

（南京肯特復合材料股份有限公司，江蘇南京211162）

0 引言

聚四氟乙烯（PTFE）為四氟乙烯單體經(jīng)自由基聚合而生成的高分子聚合物，享有“塑料王”的美譽［1］。其具有耐腐蝕、耐高溫、化學性能穩(wěn)定、摩擦系數(shù)低、自潤滑等優(yōu)良特性，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、機械、建筑、化工、船舶等領(lǐng)域［2］。由于PTFE特殊的分子結(jié)構(gòu)特征，使其具有極高的溶體黏度（107～108kPa）,在熔融狀態(tài)下也不流動，針對其熔融黏度高，加工困難的不足，工業(yè)上探索和發(fā)明了模壓成型、液壓成型、柱塞擠出成型、注射成型等多種成型工藝和方法［3］，在這些成型過程中，都需要把樹脂粉末均勻加入到特定的模具中。因此，樹脂粉末注模的均勻性、流動性和快速性直接影響到產(chǎn)品的性能和加工效率。對于工業(yè)上用量最大的懸浮法聚合得到的PTFE懸浮粉料，顆粒一般在20～80μm，體積密度在200～500 g/L，其體積密度低、粒徑分布廣、流動性能很差［4］。由于其極差的流動性，因此在樹脂注模過程中往往需要手工加料，加入模腔中的樹脂還要手工搗勻，費時費力，生產(chǎn)效率極其低下。對于一些厚度較薄的產(chǎn)品，由于模腔中的樹脂流動不均經(jīng)常導致產(chǎn)品在模壓過程中的孔隙和開裂，影響產(chǎn)品性能。近年來，隨著制造業(yè)自動化水平的提高和下游產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域的增加，對于樹脂的自動模壓和提高產(chǎn)品質(zhì)量提出了新的需求。需要用適當?shù)姆椒ㄌ岣呔鬯姆蚁渲捏w積密度和粉末流動性性能［5］。一些研究人員采取過篩的方法將PTFE粉末進行細化或?qū)Τ尚腕w車削加工，此類方法較為復雜，成本高，不利于大規(guī)模生產(chǎn)［6］。

為解決此類問題，主要通過造粒設(shè)備對粉料進行造?？梢詷O大地提高粒料的流動性。造粒工藝一般分為干法造粒和濕法造粒［7-9］。其中，干法造粒不采用任何液體介質(zhì)，將懸浮聚合得到的PTFE壓制成片，然后將該片材進行粉碎，再進行篩分后得到造粒料。此方法過程簡單，但粒料物性較差。而濕法造粒采用水、有機液體或水、有機液體混合物浸潤PTFE細粉，通過凝聚的過程來提高PTFE粉末的體積密度和流動性能。濕法造粒得到的PTFE造粒料形狀規(guī)則，流動性優(yōu)異，改善了PTFE粉末的充模性能，適合于較薄與較窄制品的模壓、自動模壓過程。

1 聚四氟乙烯濕法造粒工藝及設(shè)備

1.1 聚四氟乙烯濕法造粒工藝

首先，將經(jīng)冷藏過的聚四氟乙烯樹脂細粉加入一定體積比的有機溶劑，將流動性差的聚四氟乙烯用溶液淋濕后，連同容器一起夾持在一個可以轉(zhuǎn)動的設(shè)備上進行粗混，使溶劑和樹脂之間充分混合。然后，把粗混好的濕料放入一體化造粒設(shè)備中進行碎混合造粒，通過不同形式的滾轉(zhuǎn)過程來促進聚四氟乙烯粉末聚集。之后須蒸發(fā)掉聚四氟乙烯樹脂中的有機溶劑，然后對其進行燒結(jié)處理，最終可經(jīng)篩分獲得聚四氟乙烯造粒料。工藝流程如圖1所示。

圖1 PTFE濕法造粒工藝流程

1.2 聚四氟乙烯濕法造粒設(shè)備

造粒工藝關(guān)鍵過程在于碎混合造粒過程，此過程的控制直接關(guān)系到造粒成品的性能。筆者所在公司開發(fā)了一種用于濕法造粒的上蓋可翻轉(zhuǎn)的碎混合造粒一體式造粒機［10］，用于對濕物料進行顆粒分解，充分混合與濕式滾動造粒連續(xù)作業(yè)。主要包括底座、碎混箱、造粒機構(gòu)和上蓋等。碎混合造粒機構(gòu)由固連在底座上的柱形料筒和底部一個能轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)盤組成，轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動由安裝在底座上的電機和傳動裝置實現(xiàn)。碎混箱和料斗都安裝在上蓋上，兩者相通。碎混箱安裝在上蓋的下表面，料斗安裝在上蓋的上表面，兩者都可隨上蓋一起打開，上蓋蓋上時，碎混箱則位于轉(zhuǎn)盤的上方，濕物料從料斗中喂入，然后在碎混箱粉碎后落入轉(zhuǎn)盤中進行滾轉(zhuǎn)造粒。滾動造粒時，為了防止轉(zhuǎn)盤上的物料受離心力作用在料筒邊緣堆積，在上蓋兩側(cè)設(shè)置了兩個轉(zhuǎn)角可以調(diào)節(jié)的瓦形撥片，用于將物料撥向轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)中心。料筒上設(shè)計一個出料口，用于收集造粒好的粒料。上蓋連同附屬部件通過鉸鏈和限位裝置設(shè)計為可翻轉(zhuǎn)，上蓋與料筒間的夾角于一定角度范圍內(nèi)可在不同角度固定，便于檢查機內(nèi)狀況和清潔維修工作，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。其工作原理有以下幾點。

圖2 造粒設(shè)備結(jié)構(gòu)

1.2.1 物料碎混

物料碎混合造粒都位于料筒內(nèi)，其位置結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。碎混箱位于料斗正下方，主要由動力驅(qū)動的內(nèi)軸、可旋轉(zhuǎn)的刀盤和安裝在刀盤上的旋轉(zhuǎn)刀片和旋轉(zhuǎn)葉片以及外圍的有孔濾網(wǎng)組成。碎混物料的關(guān)鍵部件刀盤、旋轉(zhuǎn)刀片和葉片結(jié)構(gòu)如圖4所示。

粗混后含溶劑的濕式物料由料斗喂入碎混箱，在碎混箱內(nèi)，刀盤帶動刀盤上的旋轉(zhuǎn)刀片高速旋轉(zhuǎn)，對落入的濕料施加沖擊力，把成塊狀的濕物料反復打散粉碎實現(xiàn)充分混合。刀盤底部安裝了一對斜面的旋轉(zhuǎn)葉片，隨刀盤一起旋轉(zhuǎn)時對物料施加一個向上的作用力，使物料在受到刀片周向作用力而周向流動的同時亦受到底部葉片軸向作用力而軸向流動，使物料混合更加均勻。經(jīng)充分混合的、顆粒直徑符合要求的物料由濾網(wǎng)連續(xù)排出。

1.2.2 滾動造粒

圖3 料筒內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖4 刀盤和旋轉(zhuǎn)刀片結(jié)構(gòu)

經(jīng)碎混箱篩網(wǎng)排出的物料落入料筒，旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)盤工作面對于物料施加摩擦力，物料受到摩擦力的作用而滾動，物料相互團結(jié)黏合形成粒體，在粒體滾動時同樣受到離心力的作用使粒體遠離轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)中心時受到瓦形撥片的作用，粒體回復至轉(zhuǎn)盤工作面，物料在粒體表面繼續(xù)團結(jié)黏合，粒體的體積不斷增大。調(diào)節(jié)瓦形撥片的轉(zhuǎn)角即可以調(diào)節(jié)瓦形撥片對于粒體的作用力，當粒體離心力的分力不小于瓦形撥片對于粒體的作用力時，粒體脫離轉(zhuǎn)盤工作面由出料口出料完成造粒。造粒料的體積密度和平均粒徑可以通過控制轉(zhuǎn)盤的滾動時間和撥片的角度來進行調(diào)整和控制。圖5為滾動造粒的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5 滾動造粒結(jié)構(gòu)

1.2.3 清潔和維修

本設(shè)備還設(shè)計了上蓋可翻轉(zhuǎn)的功能，便于清潔內(nèi)部零部件表面和縫隙處的PTFE粉料，同時也方便檢查和更換內(nèi)部零部件，減少清潔和維修作業(yè)時間。可翻轉(zhuǎn)上蓋結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示，驅(qū)動及限位裝置和蝸輪蝸桿減速器安裝在底座上，蝸輪蝸桿減速器動力輸出端帶動主動鏈輪通過鏈條帶動從動鏈輪轉(zhuǎn)動，驅(qū)使上蓋以傳動軸為轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動至目標角度。利用蝸輪蝸桿減速器傳動時小輸入轉(zhuǎn)矩、大輸出轉(zhuǎn)矩的特性和良好的自鎖性能，可以使蝸輪蝸桿減速器的動力輸出軸在任一轉(zhuǎn)角固定，也可將上蓋復位。

圖6 可翻轉(zhuǎn)上蓋結(jié)構(gòu)

2 聚四氟乙烯濕法造粒料特性及產(chǎn)品性能

采用濕法造粒設(shè)備，筆者對比了聚四氟乙烯未造粒的細粉料和造粒料的外觀形貌和物理性能。原料采用晨光懸浮細粉料CGM-16F。聚四氟乙烯濕法造粒料相比于未造粒的細粉料具有優(yōu)良的特性,造粒料和未造粒的細粉料性能如表1所示，其外觀形貌如圖7所示。

從圖7和表1可看出，PTFE造粒料的粒子形狀更為規(guī)則，外觀表現(xiàn)為粒狀的小球，且分布較均勻。從物理性能對比來看，PTFE造粒料的體積密度、平均粒徑和流動性有很大提高，相比于未造粒的細粉料具有優(yōu)良的特性，加工流動性好，充模性能優(yōu)異，制品的外觀也相對較為優(yōu)良。

3 結(jié)語

近年來，隨著國內(nèi)對聚四氟乙烯制造工藝和制造設(shè)備的深入研究，滿足多種加工工藝和自動化成型設(shè)備的需求，濕法造粒技術(shù)得到廣泛的關(guān)注。采用濕法碎混合造粒的一體化濕法造粒設(shè)備得到的聚四氟乙烯造粒料的粒徑和體積密度顯著提高，具有優(yōu)異的流動性優(yōu)良的表面形貌和物理性能，提高了產(chǎn)品質(zhì)量和加工效率。隨著下游聚四氟乙烯應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展，目前發(fā)達國家如美國、日本，歐洲等國家開發(fā)生產(chǎn)的聚四氟乙烯造粒料及產(chǎn)品的品級較多［11］，而國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域發(fā)展卻相對滯后。因此，設(shè)計多品級、高性能的聚四氟乙烯造粒料和自動化程度較高的造粒設(shè)備和后道成型加工設(shè)備，是未來研究和發(fā)展的一個重要方向。

圖7 PTFE未造粒料和造粒料外觀形貌

表1 造粒料與細粉料性能對比