材料約占擠出生產(chǎn)線大約80% 的成本。通過選取不同的材料類型和使用方式，生產(chǎn)成本可大大降低。在一種直接配混的新方法中，德國帕德博恩大學(xué)的Kunststofftechnik Paderborn（KTP）與德國梅肯海姆的Arenz GmbH 合作開發(fā)了一種用于擠出工藝的玻璃纖維增強塑料直接配混系統(tǒng)。Arenz 專為塑料和橡膠加工行業(yè)生產(chǎn)螺桿和機筒。自1971 年以來，該公司一直致力于為全球擠出和注塑市場開發(fā)、生產(chǎn)和銷售塑化裝置。
纖維長度是關(guān)鍵
玻璃纖維增強塑料可用于提高部件的比強度和剛度。以相同的機械性能要求為例，這意味著部件質(zhì)量可以減輕。目前，纖維增強部件已成功應(yīng)用于汽車和航空輕量化結(jié)構(gòu)。
以更輕的重量獲得相同的機械性能還能夠節(jié)省擠出產(chǎn)品的成本。直接配混可通過兩次調(diào)整來降低材料成本。
首先，它能夠改善產(chǎn)品的機械性能。該性能在很大程度上取決于玻璃纖維增強塑料部件的纖維長度（圖1）。塑化過程中的螺桿旋轉(zhuǎn)會使纖維縮短，因而無法獲得理論上可以達到的性能。但是，直接配混法僅在制造過程中直接添加玻璃纖維，因此纖維的縮短程度與傳統(tǒng)擠出機相比大大降低。部件中的長纖維可用于改善機械性能（圖1），從而降低產(chǎn)量和材料成本。

圖1 玻璃纖維增強PP 在不同纖維長度條件下的標(biāo)準(zhǔn)化機械性能

其次，它能夠降低可用原材料的材料成本。由聚丙烯（PP）制成的長玻璃纖維增強熱塑性材料（棒狀顆粒）的交易價格約為4 歐元/ 每公斤。根據(jù)配方的不同，玻璃纖維和PP 顆粒的材料總成本可低于2 歐元/ 每公斤。
因此，系統(tǒng)工程投資可快速收回，材料成本得以降低。技術(shù)簡便的工廠概念對于經(jīng)濟合理地使用直接配混方法而言至關(guān)重要。
利用特殊螺桿溫和均化
將纖維加入單螺桿擠出機中的熔體需要特殊的螺桿結(jié)構(gòu)。在傳統(tǒng)的擠出機中，壓力通常加至計量區(qū)，因此纖維無法直接加入熔體，因為加壓的熔體會從纖維加料口流出。
通過新開發(fā)螺桿的部分填充區(qū)將纖維加入塑化的熔體是可行的。纖維加料采用重量法計量。接著，它們和熔體一起被壓縮，隨后可用于填充任何模具。通過計算流體動力學(xué)（CFD）模擬技術(shù)改裝的可交換混合元件，能夠溫和地均化熔體中的纖維。系統(tǒng)工程可根據(jù)客戶的喜好改變纖維長度。纖
維可以分切也可以整卷購買。常用于雙螺桿擠出機的這種切割單元按工藝所需的長度提供纖維。涵蓋不同的材料和配方的PP 和HDPE 在該系統(tǒng)加工，工藝行為正在進行驗證描述。為此，Kunststofftechnik Paderborn 加工實驗室使用了上述工廠概念的原型
（圖2）。
以更低的成本生產(chǎn)更好的材料
傳統(tǒng)的滑膛擠出機的產(chǎn)量取決于反壓力。因為模具各不相同，將配方調(diào)整到特定的玻璃纖維比例
（按重量百分比計）只能通過實驗實現(xiàn)。每個模具的每轉(zhuǎn)速產(chǎn)量都不一樣，因此纖維質(zhì)量流量也必須有所改變，才能保持恒定的纖維比例（按重量百分比計）。
Arenz 最新開發(fā)的擠出機不受反壓力的限制。針對已知的產(chǎn)量，按重量百分比計的玻璃纖維比例適用于任何反壓力。產(chǎn)生這種效果的原因在于螺桿的部分填充區(qū)。根據(jù)模具中流動阻力的不同，螺桿

填充的程度也會發(fā)生變化，但不會影響固體顆粒的吸入。德國LyondellBasellPolyolefine GmbH 公司生產(chǎn)的兩種聚丙烯和奧地利BOrealis AG 公司生產(chǎn)的HDPE 的工藝行為正在研究之中。根據(jù)美國PPG Industries Inc. 公司的制造商信息顯示，其纖維尺寸可與相應(yīng)的基材一起使用。

圖2 KTP 技術(shù)中心直接配混生產(chǎn)線的原型
（ Kunststofftechnik Paderborn）

針對低粘度PP，其熔體可在10 巴以上的低反壓下充分均化。該壓力可通過具有可變流動橫截面的節(jié)流模具調(diào)節(jié)。纖維縮短程度從傳統(tǒng)制造工藝中的50%~80% 下降到了約30%，同時還能獲得纖維完全均化的恒定纖維比例（按重量計）。圖3 所示為4.5mm 長玻璃纖維可以達到的纖維長度，它的玻璃纖維比例為20%（重量），基材為低粘度PP。
擠出機中的反壓力不能無限制地增加。隨著反壓力不斷增加，螺桿完全被填滿，逐漸接近纖維加料口。螺桿的加壓能力隨之上升，對越來越高的反壓力進行補償。但是，這一過程只能持續(xù)到熔體流入纖維加料口，因為壓力實在太高。
可以達到的纖維長度取決于擠出機的負荷點。事實證明，每種材料的均勻性都可以在高溫條件下

得到改善（圖4）。從工藝技術(shù)的角度來看，一般建議以溫度的上限加工材料。在熔體中加工纖維也有助于獲得更高的纖維比例（按重量百分比計）。與纖維比例為20%（按重量計）的纖維相比，其可以達到的纖維長度更短（圖5）。

圖3 直接配混方法在不同反壓下可以達到的纖維長度（轉(zhuǎn)速
n=40rpm，T=250℃）（來源：Kunststofftechnik Paderborn）

圖4 在270℃的高溫和40rpm 的轉(zhuǎn)速下可以達到的纖維長度（平均值）（來源：Kunststofftechnik Paderborn）

圖5 纖維比例（按重量計）為30% 時可以達到的纖維長度
（平均值）（轉(zhuǎn)速n=40rpm，T=270℃）
（來源：Kunststofftechnik Paderborn）

通過反壓力獲得均勻的纖維分布
除了纖維長度，熔體中纖維的均勻分布對可獲得的部件質(zhì)量而言也至關(guān)重要。樣品在多個反壓力下擠出，并且通過側(cè)面拍照來評估纖維分布情況。如果樣品中沒有可識別的纖維束，則纖維分布是均勻的。一般來說，每種材料都可以找到特定的反壓力值來獲得均勻的纖維分布。
據(jù)觀察，當(dāng)纖維比例為30%（按重量計）時，纖維充分均化需要更高的反壓力。雖然團聚體在纖維比例為20%（按重量計）時快速溶解，但只有在纖維比例為30%（按重量計）且反壓力為14 巴以上時才能充分均化。圖6 所示為擠出樣品在兩種不同的反壓力條件下且纖維比例為30%（按重量計）時的側(cè)面圖。如圖所示，樣品中的團聚體在14 巴的反壓力下溶解更充分。

5 bar 14 bar
反壓力 反壓力
圖6 纖維比例為30%（按重量計）時可以達到的均勻性
（來源：Kunststofftechnik Pade rborn）

另據(jù)觀察，對于高粘度基材材料而言，更高的粘度對纖維束溶解的作用更大。選用HP Moplen 500N（PP，制造商：LyondellBasell）為基材時，纖維的縮短程度與HP Moplen 500V 相當(dāng)。但是，它需要 15 巴以上的反壓力使熔體充分均化。HDPE 和玻璃纖維的直接配混也很成功。在粘度較高的情況下， 反壓力值也會增大而不會通過側(cè)孔填滿擠出機。較高的反壓力（30 巴以上）反過來能夠形成充分均化

的樣品。
根據(jù)纖維比例（按重量百分比計）和基材粘度的不同，纖維束的溶解可通過添加劑或螺桿的剪切區(qū)來改善。分散劑等添加劑能夠降低粘度，但會增加材料成本。盡管如此，添加劑也能降低同等均化所需的壓力，而這對部件的纖維長度有著積極影響。剪切區(qū)能夠通過機械方式溶解纖維束，但與具有混合區(qū)的螺桿相比降低了可以達到的纖維長度。轉(zhuǎn)速影響著材料的剪切速度及其在擠出機中
的停留時間。轉(zhuǎn)速越快，纖維越長，因為材料的停留時間過短。以纖維比例為30%（按重量計）的低粘度PP 為例，轉(zhuǎn)速對纖維長度的影響如圖7 所示。隨著粘度的增加，剪切的效果決定了材料的停留時間。因此，高轉(zhuǎn)速和短停留時間會導(dǎo)致纖維縮短。有鑒于此，轉(zhuǎn)速應(yīng)根據(jù)基材和溫度進行選擇。

圖7 在溫度為270℃且玻璃纖維比例為30% 的條件下，轉(zhuǎn)速對平均纖維長度的影響（來源：Kunststofftechnik Paderborn）

展 望
通過單螺桿擠出機生產(chǎn)長纖維增強塑料的生產(chǎn)階段工藝預(yù)計將在未來三年內(nèi)推向市場。建筑行業(yè)連續(xù)部件制造商中發(fā)現(xiàn)了在擠出過程中直接配混的典型應(yīng)用。直接配混方法的低產(chǎn)量有助于顯著降低成本。
直接配混工藝還有待研究用于加工其他塑料，例如聚酰胺。未來，該方法還將被引入到注塑成型領(lǐng)域。目前的挑戰(zhàn)是如何盡可能經(jīng)濟高效地開發(fā)技術(shù)，包括所有潛力。相應(yīng)的項目計劃將于2019 年5 月開始。
（來源：榮格原文譯自KUNSTSTOFFE
INTERNATIONAL 雜志）