行星螺杆混炼积分注塑机在木塑注射成型中的应用
焦志伟 谢鹏程 杨卫民
北京化工大学 100029


【摘要】论述了国内外木塑复合材料应用及其相关的注射成型技术现状,提出应用一步法木塑复合材料注射成型技术对设备的要求。在此基础上,介绍了行星螺杆混炼积分注塑机结构组成及成型加工原理,探讨了其在木塑复合材料注塑加工中应用潜力及其性能优势,为实现高效、低碳加工木塑复合材料提出了一种新的解决方案。
【关键词】木塑复合材料;注射成型;行星螺杆混炼
1木塑复合材料的应用现状
木塑复合材料是以木质纤维(木粉、稻壳、秸秆等)和塑料(多为废弃热塑性塑料)为主要原料,经过预处理和共混等使之结合成为一种新型的复合材料。木塑复合材料兼有木材和塑料的特性,力学性能好,既有木材良好的加工性,又有塑料的易成型性,且热导率和热稳定性增加,热扩散系数低。半成品可锯、可刨、握钉力好,其成品美观、寿命长、不开裂、不易翘曲变形,且吸湿膨胀率低、强度高、质量轻、稳定性好;耐腐蚀,抗强酸强碱、防蛀、防水、不生真菌、抗紫外线,适于室外使用;另外,木塑复合材料还具有环保性能好、可回收利用、原材料来源丰富等优点[1]。基于木塑复合材料的各种优点,它在建筑、汽车、包装等行业被广泛应用。木刨花、木纤维、木粉的常用尺寸为38~850微米[2]。
木塑复合材料的成型方法主要有压制成型、挤出成型和注射成型,其中注射成型是一个较新的应用领域,注塑制品还没有在市场上广泛应用,例如,在德国的汽车行业中,每年会消耗5万吨木塑复合材料,而仅有1%的材料使用注射成型。根据Principia(美国一家研究机构)的统计,注射成型木塑制品的销售量在整个木塑复合材料制品中(不包括模压成型制品)仅占3%。我国是一个森林资源相对贫乏的国家,木材储量小,产量满足不了市场的需求,这就为木塑复合材料的发展提供了更广阔的市场空间[2,3]。
2木塑复合材料注射成型的技术现状
2.1现有木塑复合材料注塑技术
木塑复合材料注射成型工艺为:将经过干燥和表面处理的木粉与基体树脂置于高速混合机中,经充分搅拌混合后注射成型;或者搅拌混合后再用单螺杆或双螺杆挤出机造粒后再注射成型,这两种方法分别称为一步法和两步法,如图1所示。

图1 一步法和两步法注射成型木塑复合材料工艺流程[1]
一步法可省去造粒工序,但对设备的要求较高,现有注射成型设备难以满足其要求;两步法的造粒过程对物料进行了二次混合,提高了木粉在树脂基体中的分散性,而且造粒后再注射成型的方法加料较为容易,但是会使整个工艺过程比较复杂,树脂二次熔融,在降低基体性能的同时浪费能源。本项目的目的即为提供一种能用于一步法成型木塑复合材料的注射成型设备。
2.2一步法注射成型木塑复合材料对设备的要求
木塑复合材料生产中需要研究的关键技术是如何提高物料在输送流道内的流动性和混合程度,因此,其成型设备需满足以下要求:
1)设备应同时具有共混与注射成型的功能。
2)加料段螺杆的表面积应尽可能大,以利于高含量木粉、蓬松混合物的压实与输送。
3)木粉在螺杆及流道内的停留时间不宜过长,否则会使木粉出现烧焦现象。
4)排气效果好,能够充分地排除木粉中的可挥发成分。
5)混炼塑化效果好,使木粉与树脂能充分混合,提高制品强度。
3行星螺杆混炼积分注塑机的技术原理[4]
行星螺杆混炼积分注塑机的结构示意图如图2所示,主要由喷嘴、机筒、加热装置、加料斗、螺杆头、止逆环、主螺杆、积分式行星螺杆、前止动环、后止动环、柱塞、止推轴承、轴承盖、传动装置与注射油缸组成;主螺杆依次由螺杆前段、螺杆均化段、螺杆行星段、螺杆加料段和螺杆传动段组成,主螺杆中心处开有通孔;机筒依次由前机筒、机筒一段、机筒二段、机筒加料段组成;注射油缸由注射活塞、注射活塞杆、注射油缸缸筒、注射油缸前盖与注射油缸后盖组成;喷嘴、机筒、轴承盖依次连接,加热装置围在机筒外,加料斗设置在机筒加料段上,主螺杆设置在机筒里,主螺杆的螺杆传动段穿过轴承盖,螺杆头通过螺纹与螺杆前段连接,螺杆头与螺杆前段的连接螺纹前端有一段直口,以保证螺杆头与螺杆前段之间的定位;止推环套在螺杆前段,螺杆头通过螺纹与螺杆前段连接,螺杆头与止推环端面接触;止逆环套在螺杆头上,止逆环与机筒一段相互配合且可以相对轴向滑动;止逆环可以与止推环接触。积分式行星螺杆设置在主螺杆的螺杆行星段或机筒二段处,同时积分式行星螺杆的螺棱与螺杆行星段的螺棱和机筒二段内螺棱相啮合,其前后端对应的机筒上分别设置前止动环与后止动环;前止动环设置在机筒一段与机筒二段的连接处,后止动环设置在机筒二段与机筒加料段的连接处;止推轴承设置在主螺杆的螺杆加料段与螺杆传动段之间,一端与主螺杆连接,另一端与轴承盖连接;传动装置设置在螺杆传动段,控制主螺杆转动;柱塞设置在主螺杆的通孔中,通孔为储料腔,柱塞后端与注射油缸的注射活塞连接。在本结构中,积分式行星螺杆的数量可以为3根或以上,这可由混炼质量来确定。
在预塑阶段,主螺杆在传动系统的带动下旋转,进而带动积分式行星螺杆转动。积分式行星螺杆通过前止动环与后止动环轴向定位,防止在旋转或注射过程中积分式行星螺杆向前或向后跑出。此时柱塞静止不动。工作时,高聚物原料及添加剂等由加料斗加入。物料首先充满主螺杆的螺杆加料段。物料通过螺杆加料段进入螺杆行星段,在主螺杆、积分式行星螺杆和机筒二段内螺棱的共同作用下,物料被辊压成薄片。物料在螺棱的作用下向前输送,在输送过程中,物料在由加热装置传来的热量和因承受加压、啮合以及齿面之间的相对滑动而形成的剪切产生的热量作用下很快塑化。由于每个积分式行星螺杆与主螺杆、机筒二段都相互啮合,都能对物料产生剪切作用,相当于把若干功能强大的双螺杆挤出机集成,而这正是聚合物加工的积分原理。在后端熔料的作用下,主螺杆前端的止逆环向前移动,使螺杆行星段与主螺杆前端形成物料通道。熔融塑化的物料通过物料通道在机筒前端聚集,当压力达到一定程度时,推动柱塞后退,进而进入螺杆中心的通孔(储料腔)。柱塞可为物料塑化提供背压,同时可做塑化计量用。当塑化量达到工艺要求时,开始注射。注射时,在注射压力作用下止逆环向后移动至与前止动环接触,隔断物料通道。柱塞在注射油缸的带动下向前运动,将其前端的熔体推出,流经喷嘴注射至模具型腔。保压过程也通过柱塞实现。在制品冷却过程中,设备又可开始下一次循环的物料预塑。

图2 行星螺杆混炼积分注塑机结构示图
1-喷嘴;2-前机筒;3-螺杆头;4-止逆环;5-螺杆前段;6-止推环;7-螺杆均化段;8-机筒一段;9-加热装置;10-前止逆环;11-机筒二段;12-机筒二段内螺棱;13-积分式行星螺杆;14-螺棱;15-螺杆行星段;16-行星段螺棱17-柱塞;18-后止动环;19-机筒加料段;20-螺杆加料段;21-加料斗;22-机筒;23-轴承盖;24-止推轴承;25-传动装置;26-螺杆传动段;27-主螺杆;28-注射油缸前盖;29-注射油缸缸筒;30-注射油缸后盖;31-注射活塞;32-注射油缸;33-通孔;34-直口;35-注射活塞杆
4行星螺杆混炼积分注塑机用于木塑注射成型的优势分析
将行星螺杆混炼积分注塑机用于木塑复合材料注射成型能满足其工艺需求,具有以下几点性能优势:
1)将木塑复合材料的混炼制备与注射成型一体化,可以实现木塑复合材料的一步法成型加工,基体树脂一次加热,最大程度地维持了树脂原料的原有性能,省去了挤出造粒过程,降低了电能消耗。
2)主螺杆较粗,特别是在加料段,其表面积非常大,非常有利于高含量木粉、蓬松的混合物的压实和输送。
3)当木粉与树脂由加料段进入行星段后,在主螺杆齿和行星螺杆的齿间隙中,物料的流动情况犹如开炼机两辊筒间行程的滚动料垅。物料在滚动料垅内形成一种涡旋,这有利于横向混合。
4) 采用积分式的行星螺杆塑化原理,流道无死点,具有良好的自洁作用(啮合齿相互把齿间物料挤压出去),因而木粉不会因滞留而烧焦,这也有利于热敏性树脂的木塑成型。
5)物料受剪切次数高,共混效果好;全部啮合螺杆的总啮合次数大,塑化效率高,产量大;比能耗低。
6)塑化过程螺杆无轴向移动,熔融物料无轴向温差,能有效保证塑化质量,进而保证注射成型制品质量。
7)柱塞式的注射原理,计量精度高,注射阻力小。
5结论
本文针对木塑复合材料注射加工的特点,提出了一种行星螺杆混炼积分注塑机的结构原理,以及其在木塑复合材料注射加工中的应用潜力。行星螺杆混炼积分注塑机能够实现木粉与塑料共混、注塑一体化,加工能耗低,行星螺杆式的塑化原理能保证充分的混合效果,浇道无死点,自洁效果好,柱塞式的注射原理,计量精度高,注射阻力小,能有效保证木塑复合材料的注塑加工。相信行星螺杆混炼积分注塑机的推出,能推动复合材料注射加工的进一步发展。


参考文献
[1]于艳滨,唐跃,姜蔚.木塑复合材料成型工艺及影响因素的研究[J], 工程塑料应用,2008-11,36-40
[2]王超,何继敏. 木塑复合材料注射成型的研究进展[J], 工程塑料应用,2008-6,81-84
[3] Jan H Schut.现代塑料,2004(8):48—52.
[4] 杨卫民,焦志伟,安瑛,谢鹏程,丁玉梅.一种行星螺杆混炼积分注塑机[P].中国:201010227043.5

 

 
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