聚甲醛装置中挤出造粒工艺对产品的影响分析

聚甲醛装置中挤出造粒工艺对产品的影响分析

王杰彪

中石油（内蒙古）新材料有限责任公司

摘要：本文主要研究了挤压制粒过程中聚甲醛的挤出过程对聚甲醛产品性能的影响。研究发现，在较高的处理温度下，聚甲醛发生热分解反应，而过高或过低都会使聚甲醛失稳，使聚甲醛的机械性能降低。在混合段180℃时，聚甲醛的工艺性能最佳。当螺杆转速140 r/min、转矩比率为61%-65%时，聚甲醛液体的流变性能最佳，挤压过程也最容易进行。结果表明，真空度对聚甲醛熔化时的GM值有显著的影响，设计真空段最佳压力来达到生产最优化的状态。通过改进挤压工艺，可以提高聚甲醛的耐热性能以及产品质量。

关键词：聚甲醛；挤压成型；性能；热稳定；挤出造粒

目前聚甲醛制备工艺通过调控聚合工艺可实现分子量分布的最优，但因其长链结构，其末端基团具有较多不稳定基团，因此，添加多种功能添加剂和挤压造粒工艺对其性能有重要影响。聚甲醛的挤出制粒工艺包括添加剂的调配、聚甲醛粉末的熔化、剪切和输送，以及将熔融状态的聚甲醛熔体送入模具的孔道中，再用切割器对其进行制粒和冷却。聚甲醛是一种非牛顿流体，其流动受到温度、压力等因素的影响，在聚甲醛的筒体中，受双螺杆挤出影响，产生显著的“剪切变稀”，且熔体在模膛中发生“胀大”，且模头内部的流动与传热过程复杂，且包含多相交替，且进口端温度压力偏高，两边温压差大，相变复杂，若不能有效调控，将导致聚甲醛各模孔内的流速、温度、压力、相态变化等因素，导致聚甲醛粒子长度不等，影响粒子外形，甚至阻塞模孔，给整体设备和产品品质带来不利影响。然而，由于聚甲醛是一种长链结构，其在挤压制粒过程中若不恰当地控制，也会使聚甲醛发生裂化，这不仅会直接影响到聚甲醛的机械性能，而且还会引起不稳定的端基基团的增多，从而使成品中的游离甲醛含量增加，从而给后续的生产带来更多的环保问题。本项目拟以GM作为表征PE制品中游离甲醛含量的重要指标，通过对挤塑制粒过程聚甲醛进行热分析，降低聚甲醛中GM的含量，优化POM挤出制粒工艺，提高POM的热稳定性。

1 挤压机筒内温度对聚甲醛熔体流动速率及GM值的影响

根据物料在筒体内的状态，筒体可以划分为进料工段、搅拌工段、挤压工段和机头工段。每段的温度可以分别设定，进料部分的功能是将进料口内的混合料引导出来，为混合料提供推动力，并将其送入混合区。为了更好地在搅拌段内分散和熔化，必须给进料段提供一定的温度，让一部分材料熔化，这样才能更好地在搅拌段内分散和熔化。搅拌段是聚甲醛熔化的重要热源，而聚甲醛的熔化则是依靠螺旋间的剪切热，在这个过程中，混合段既要对材料进行混合，又要对材料进行剪切熔化，在这个过程中，温度太高，会引起聚甲醛的分解，而温度太低，又会让聚甲醛不能充分熔化，从而无法正常地挤出造粒。在聚甲醛产品中，搅拌段温度是影响聚甲醛性能的主要因素。MFR的大小和聚甲醛的分子量有直接的关系，随着分子量的增加，聚甲醛的熔体粘度下降，而在相同的材料中，MFR越大，这就间接地说明了聚甲醛的平均相对分子质量下降，这主要是由于聚甲醛的分子链断裂或者是分子链的断裂所致。GM值是指在熔化过程中释放出的甲醛气体量，在相同材料中，随着GM值的提高，在熔化过程中，由于聚合物分子链的断裂或分子链的断裂，使其在熔化过程中释放出更多的甲醛。在升温过程中，由于聚甲醛的熔化已经完成，液体与螺杆间的摩擦减小，使得聚甲醛的热解速率大大下降，而 MFR和GM的数值也随之下降，而在高温下，一些小分子量的聚甲醛又发生了断裂，最后得到了180℃的最佳剪切温度。

2 脱挥对POM分子质量分数的影响

真空度高，脱挥效率高，但真空度过高，易引起脱挥端口的堵塞，聚甲醛生产中，脱挥口多设在中、后段，脱挥口过多，会导致管管换热面积减小，脱挥口过少，挥发份无法及时排出。双螺杆挤出机的脱挥过程中，通过不断的剪切，不断地产生气泡，将未反应的单体、挤出过程中的少量裂解产物、水分、小分子的挥发性物质等从脱挥端口中除去。

采用三种不同的脱挥端口实现高效的脱挥，首先是三聚甲醛，二氧五环，链转移剂，以及反应过程中的副产物，其次是甲醛，未反应的助剂抗氧化剂，润滑剂等，最后一步脱挥的是小分子水，甲酸等。为了实现三阶段脱除小分子的高效脱除，通常设定在90-110℃，且首次脱散口筒体的温度通常是最高的，因此，本项目将首次真空开口的温度设为105℃，第1、3级真空口的脱出物大约占整个挤压成球的60%，第2、3级真空口温度分别设定为100℃，第2、3级真空口脱出物分别占全部脱出物质量的25%和15%。通过正交试验，得出了在3000 kg/小时的情况下，各脱料口的最优真空。

3 螺旋旋转速度与转矩比例对POM熔体流动速率与GM值的影响

转矩比是指双螺杆挤压机的实际转矩与螺杆最大转矩之比，一般而言，在相同的生产负载情况下，随着双螺杆挤压机的转速提高，转矩比降低，而当螺杆转速太低时，聚甲醛粉料和添加剂无法充分地混合，并且无法将全部材料都及时地输送，从而引起跳车。当螺杆转速太高时，会引起

聚甲醛熔融物的破碎，从而导致聚甲醛的发生。试验结果显示，在挤压机转矩比率低于61时，聚甲醛熔体的质量流量、GM值均增大，MFR增大，说明聚甲醛的相对分子质量减小；GM值增大，则说明聚甲醛在熔融态下的释放更多；而在聚甲醛挤压成型中，由于分子链的断裂或部分分子链的断裂，使得聚合物的分子量降低，从而使聚合物的分子量降低。结果表明，在挤压机上，双螺杆转速太高、转矩比例太小，剪切力太大，会使部分聚甲醛发生裂化，使聚甲醛的流量增大，GM值增大。转矩比例太大，在物料不稳定的情况下，易出现停机现象，并给设备带来严重的损坏。

4结论

（1）在较高的处理温度下，聚甲醛发生更多的裂化反应，而太高或太低都会使聚甲醛的失稳，使聚甲醛的力学和力学性能变差。在混合段180℃时，聚甲醛的工艺性能最佳。

（2）当螺杆转速140 r/min、扭转力矩比例为61%-65%时，聚甲醛液体的流变性能最佳，挤压过程也最容易进行。

（3）真空度对聚甲醛的GM值有显著的影响，1、2、3级真空区压力为620,670,700kPa，为最佳设置。

参考文献：

［1］蔡菁菁，张明非，蔡绪福． 弹性体和刚性粒子对聚甲醛的增韧改性研究［J］.中国塑料，2012，26(8):26-30．

［2］胡朝辉，张广发，李武斌，等．低挥发份聚甲醛的制备及性能研究［J］．现代化工，2019，39(1):154-157．

［3］邵禹通，沈晓洁，卢军． 挤出工艺对玻纤增强 ABS 材料性能的影响［J］．现代塑料加工应用，2022，34(1):24-27．