一种改进型利于环保的PP混料多层丝卷取装置设计测试_姜国聚.pdf

化学化工资源2023 年 2 月第 50 卷第 2 期doi:10.3969/j.issn.1001-5922.2023.02.030Vol.50 No.02，Feb.2023收稿日期:2022-08-10;修回日期:2023-01-30作者简介:姜国聚(1900-)，男，硕士，高级实验师，主要从事机械设计及理论研究;E-mail:。引文格式:姜国聚，陈广娟，吴崇峰 一种改进型利于环保的 PP 混料多层丝卷取装置设计测试 J 粘接，2023，50(2):125-128一种改进型利于环保的 PP 混料多层丝卷取装置设计测试姜国聚1，陈广娟1，吴崇峰2(1 烟台职业学院，山东 烟台264670;2 天津科技大学，天津300457)摘要:通过对各类编织常用的塑料扁丝的特点和性能进行比较，从环保和提高产品拉伸性能的角度，自主研发创新设计了一种 PP 混料多层丝卷取装置，并通过对比实验进行了拉伸性能初步验证，结果表明采用聚丙烯 PP 多层卷取后再拉伸得到的扁丝，既能保证拉伸强度达到使用要求，又能将 PP 产品材料回收利用，从而解决了环保问题。关键词:塑料扁丝;拉伸;环保;多层卷丝中图分类号:TQ315文献标志码:B文章编号:1001-5922(2023)02-0125-04The design of a kind of multilayer coiling device of PPand the analysis of the tensile properties andenvironmental issues of braided plastic flat wireJIANG Guoju1，CHEN Guangjuan1，WU Chongfeng2(1 Yantai Vocational College，Yantai 264670，Shandong China;2 Tianjin Science and Technology University，Tianjin 300222，China)Abstract:By comparing the characteristics and performance of all kinds of commonly used braided plastic flat wire，taking into consideration environmental protection and improving the tensile property of the product，a kind of multi-layer coiling device of PP was designed independently and innovatively，and the tensile property was preliminarilyverified by the contrast experiment The results show that the flat wire obtained by multilayer coiling and drawing ofPP can not only ensure the tensile strength to meet the use requirements，but also recycle the PP product materials，thus solving the environmental protection problemsKey words:plastic flat wire;tensile;environmental protection;multilayer coiling20 世纪早期，Jaeque 通过对聚氯乙烯进行薄膜拉伸研究实验，发现了裂膜纤维和生产切割纤维丝2 项新技术。在 20 世纪 50 年代初期，Rasmussen 研究出利用塑料薄膜的挤出后再拉伸的方法，生产编织用的塑料扁丝。到 20 世纪 60 年代以后，用来进行大批量生产编织工业包装用的塑料编织袋的单向拉伸扁丝在欧洲一些国家已开始进行工业化生产。我国自 20 世纪 60 年代后期开发出塑料扁丝编织袋至今，扁丝的产品质量已达到国外同类产品的水平，并且产品规格齐全，品种多样。随着大型柔性521化学化工资源集装袋的不断开发和应用，塑料编织集装袋广泛用于海上，交通运输包装、食品包装、岩土工程、旅游运输、抗洪救灾，铁路公路的修建、日常生活用品等领域1;塑料扁丝的发展也进入到一个崭新的时期。塑料编织袋主要生产工艺是利用塑料原料经过挤出薄膜、切割薄膜、单向拉伸为扁丝，扁丝经过经纬编织等工序得到产品，即称为编织袋。塑料扁丝是生产塑料编织物的基础材料，扁丝加工工艺是塑料编织物生产的第一道工序，也是最重要一道工序2。目前，塑料编织袋的材料主要有聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)以及为了产品的性能改善在 PP 中加入少量的 PE 而形成的 PP/PE 共混改性材料等。材料的成分以及加工工艺对扁丝产品的性能起决定性作用3。国内外很多研究人员在优化加工工艺参数和改进加工设备等方面都进行了相应地研究，并取得了一定进展。本研究将根据各种编织用扁丝的性能特点，从环保和提高产品机械性能的角度，创新设计了一种 PP 混料多层卷丝装置，并通过实验初步进行了验证。1编织用塑料扁丝的种类及性能特点1 1窄而厚的丝塑料扁丝是由特定品种的塑料树脂经熔融挤出成膜后，纵向切成条，然后对其每条同时加热、牵引拉伸、取向后定型，最终卷绕成扁丝纱锭，用来织造编织物。这种扁丝极易形成窄而厚的丝4。其特点:(1)纵向切条后的厚丝因截面积大，加热拉伸时，丝的表面和内部温差太大，受热不均，在低温下不易拉伸5，或者说拉伸系数很小，达不到产品使用要求。(2)塑料扁丝厚度如果较厚，丝会变得很脆很硬，相对强度也会下降 6;因而要得到满足一定强度要求的塑料编织产品，就要提高编织产品单位面积的质量，这又会使编织产品变得更加脆硬，并使后面的编织、裁剪、缝纫等工序的加工难度增加，材料和制造等成本也相应提高，太厚太硬，美观感也降低 7。1 2打纬挤丝20 世纪 80 年代末，国外一些发达国家对高强度塑料编织制品的研究投入了大量的人力物力财力，开发出宽而薄的塑料丝，通过打纬和挤丝使扁丝宽度在编织时变窄，这样就取代了单根窄而厚的丝8。扁丝相对于厚丝，编织布的强度提高了，柔软性也改善了。但是，在织造过程中，进行打纬和摩擦，容易使丝起毛或劈裂等9，影响正常的编织生产，布的表面比较粗糙，毛丝遍布;另外，在加工过程中为使塑料扁丝更加柔软挤纬变窄，常常用针刺开网制成纤化丝，就会产生表面起毛、相对强度降低的缺陷。尤其对一些有清洁度要求的就无法满足包装的需求，如医药、化工、食品等产品的包装10。1 3PP 折叠丝折叠丝是塑料丝在拉丝过程中，通过专用的折叠装置，使塑料坯丝有规律的进行折叠，并完成定型后，然后进行牵引和拉伸取向，最后完成拉丝工序。30 多年前，塑料机械制造厂家在编织前，开始尝试利用宽而薄的扁丝将其 3 层对折得到“e”字形折叠丝，具体如图 1 所示。然后再进行定型和拉伸取向，极大地改善了编织制品的性能。其优点主要有:(1)强度有较大的提高，同等单位质量的编织布，绝对强度能提高 15%25%。(2)降低了单位面积的质量，节约原材料成本 15%25%。(3)编辑布的表面光滑、柔软平整、无毛丝。(4)改善了后续的织造工序，尤其是较大地提高了编织效率，减轻了挤出折叠丝的打纬力量和摩擦，降低断丝率11。图 1“e”字形折叠丝示意图Fig 1The schematic diagram ofE shaped folding wire该折叠扁丝主要用于生产克重较大的塑料编织基布，如用于柔性集装袋、帐篷布、人造草坪基布、地毯基布、土工布等高要求的塑料编织制品12。同时，“e”形纯 PP 折叠丝，可以回收利用，无破坏环境之虞。但在大型柔性集装袋的使用中，强度有时达不到使用要求13。1 4PP 和 PE 共混挤出扁丝目前，为了提高大型集装袋的强度，塑编业常采用聚丙烯和聚乙烯共混挤出的塑料扁丝。虽然 PP具有较高的纵向拉伸强度、优良的耐热性能、耐腐蚀性等特点;但它的收缩较大，还具有低温脆性，耐环境应力开裂性也较差等缺陷14。在拉丝生产过程中，常在聚丙烯中添加少量的聚乙烯，通过共混改性改善其性能15。(1)增加韧性抗冲击性，因为二者相容性较好，研究发现:在 PP中，加入 10%左右的 HDPE 时，其抗低温性能提高很多，在温度 200 条件下的冲击强度可比纯 PP提高 7 8 倍以上;另外，当加入 5%的 HDPE 时，扁丝的伸长率稍有提高，生产出的编织袋明显变软。(2)减少扁丝起毛，在 PP 中加入 3%8%的 HDPE时，扁丝的起毛现象和粉尘中扁丝的毛刺都明显减少。(3)减少扁丝劈裂丝，在 PP 中加入 3%8%的HDPE 时，扁丝劈丝现象明显减少。低温冷却时薄膜也变得柔软些，分丝时也不容易断丝。(4)编织时断丝率明显减少，由于前述 3 点，使编织时断丝率大大降低16。PP 和 PE 共混挤出的塑料扁丝存在主要问题:621化学化工资源(1)在 PP 中添加少量 PE，对扁丝拉伸强度影响不大，但是超过 10%，扁丝的拉伸强度会有所下降。(2)由于 PP 和 PE 二者存在着相容问题，产品在使用过程中容易起毛，强度变差，继而影响到后续使用18。(3)由于 2 种材料混合到一起，无法回收，浪费较大，不利于可持续发展，对环境影响较大。2PP 混料多层丝卷取装置的结构设计及工作原理2 1设计思路目前塑编行业经常使用的各种扁丝还存在以下问题:(1)PP 和 PE 共混料挤出的扁丝机械强度虽能够满足要求，还存在起毛现象;尤其是不能回收利用，对环境影响较大，还浪费了成本18。(2)纯的PP 折叠丝在使用过程中往往强度达不到要求，影响某些场合的应用，如大型集装吊装等。(3)打纬挤丝易起毛、相对强度降低、产品不清洁，因此不利于医药、食品等某些特殊包装场合。(4)挤出的窄厚丝，高温时膨胀体积大，低温下拉伸系数低或不利于拉伸;另外，由于厚度较厚，相对强度也会下降，编织产品变得又脆又硬，增加了原料和制造成本。为了使扁丝产品尽量避免上述缺陷，提高机械强度，满足使用要求，便于塑料编织产品的回收利用达到保护环境的目的，我们和山东烟台鲁星塑料机械有限公司合作，设计研发了一种 PP 多层卷丝装置。2 2PP 多层丝卷取装置的结构设计与原理图 2 所示为成型多层卷丝的工艺流程图。1 挤出主机;2 挤出模头;3 挤出的 PP 膜片;4 冷却装置;5 分丝装置;6 数组多层卷丝装置;7 加热装置;8 拉伸牵引卷曲等装置图 2PP 多层卷丝工艺流程图Fig 2The flow diagram PP multilayer coiling process从图2 可以看出，工艺过程:从模头挤出的 PP 膜片经过冷却定型后，由分丝装置分成多个 PP 片，每个PP 片分别由多层塑料卷丝装置卷为多层 PP 卷丝，具体如图3 所示。卷出的丝可以经过 7 装置进行加热、8 拉伸牵引卷曲成为所需的具有一定强度的塑料扁丝，也可以从中间平分为2 部分后，再经过7、8 这2 个装置加热、拉伸变成编织所需的塑料扁丝。图 3多层 PP 卷丝示意图Fig 3The schematic diagram of PP multilayer coiling图 4 所示为多层卷丝装置示意图。图 4多层卷丝装置示意图Fig 4The schematic diagram ofmultilayer coiling device从图4 可以看出，1 为分割后的 PP 膜片;2 为圆柱，在圆柱的圆周上有条供卷丝用的 3 为长槽;长槽是由 2 条相对的 4 为凸起螺旋构成。凸起螺旋根部在圆柱的轴切面的投影分为 3 段:a、b、c，a 段螺旋槽根部比较宽，与轴切面的夹角为钝角;b 段与轴切面垂直;c 段根部较窄，与轴切面夹角为锐角。其工作原理是:当膜片经过 a 段时，膜片逐渐呈钝角向上卷起;经过 b 段时，被卷起的膜片与轴切面呈直角，经过 c 段后膜片向内锐角卷起多层，最后便得到图 3 所示的多层卷丝;至于多层的层数由 c 段的长度确定。图 5 是多层卷丝装置的三维立体造型示意图。图 5多层卷丝装置的三维立体造型示意图Fig 5Three-dimensional modeling schematic diagramof multilayer coiling device从图 5 可以看出，A 部分对应图 4 中 a 部分;B部分对应图 4 中的 b 部分;C 部分对应图 4 中的 c部分。PP 多层卷丝经过图 2 的工艺流程后，完全避免了窄厚丝和打纬挤丝产生的各种缺陷，PP 多层卷丝与 PP 3 层“e”丝相比，丝的机械强度也提高了很多。最关键的问题是:由于该装置加工的材料为纯 PP料，后续的回收利用没问题了，既节省了能源，又不会对环境造成影响，又可解决环保问题。3测试结果分析利用刚研发的 PP 混料多层卷丝装置进行了 PP多层丝卷取的加工实验，并对加工出的 PP 扁丝的性能进行了测试，最后和 PP 单向取向、PP/HDPE(10%)共混生产的扁丝性能进行了对比，该产品基本达到质量要求，满足了拉伸强度条件。本次的实验条件:材料为拉丝机用的 PP 料(T30S W，MFR 2 0 4 0 g/min)，普通的单螺杆721化学化工资源挤出机(SJ 120*30，大连生产)，常规挤出拉丝薄膜的挤出温度、压力和速度等挤出工艺参数，拉伸性能测试按 GB/T 10401992 标准。实验结果:塑料扁丝拉伸强度如表 1 所示。表 1塑料扁丝拉伸强度Tab 1The tensile strength of plastic flat wirecN/dtex材料高温(130 140)低温(95 105 )PP 单向取向3 9694 586PP+HDPE(10%)5 733 6 174PP 多层卷丝5 292 5 9104结语聚丙烯 PP 混料高温单向取向拉伸能达到要求，但存在体积大的问题，低温拉伸取向强度较高，在95 105 拉伸取向比 130 140 拉伸取向高20%;但因为高旦数时，硬度高无弹性，为了提高柔韧性，低温拉伸时就要加上 PE，二者共混后，强度能满足要求，但存在产品不能回收利用的弊端。采用聚丙烯 PP 混料多层卷取后再拉伸得到的扁丝，既能保证拉伸强度达到使用要求，又能将该产品材料回收利用，从而解决了环保问题。【参考文献】1 王永仁 2009 塑编产业概述与当前发展形势 J 塑料包装，2010，20(3):21-24 2 段为，朱卫平，戴文利 塑料扁丝研究进展 J 塑料制造，2010，(7):64-67 3 汤振明，石建高，柴秀芳 鱼用聚丙烯扁丝的耐磨性能比较研究 J 中国水产科学，2004(11):26-30 4 韦丽明 全球落实2030 可持续发展议程举措及塑料薄膜/片及未来包装产业可持续发展的趋势研究 J 塑料包装，2022(3):1-3 5 刘义，孙伟，曲国兴 薄壁注塑透明聚丙烯专用料的结构与性能分析 J 中国塑料，2022(7):37-43 6 梁家红 聚丙烯纤维长径比对再生透水混凝土改性研究 J 粘接，2023(1):125-129 7 谢正瑞，李国明 高熔体强度聚丙烯对短玻纤增强聚丙烯性能的影响 J 上海塑料，2022(1):49-53 8 崔英，于功强 聚丙烯扁丝的生产工艺 J，大化科技，2002(2):9-10 9 周蓉 减缩剂与聚丙烯纤维对陶粒混凝土收缩性能的影响研究 J 粘接，2021(8):131-135 10 彭新龙，梁卓恩 玻璃纤维增强乙烯基酯复合材料的层间增韧研究 J 塑料科技，2022(8):60-65 11 马良海，尚小杰，杜宇立，等 抗老化 PP 扁丝编织土工布专用料的研究 J 现在塑料加工应用，2003(4):1-5 12 李炯 浅谈如何控制编织袋扁丝的拉伸强度J 塑料包装，2005(5):55-56 13 任巨光，窦强 我国聚丙烯增韧改性研究 J 现在塑料加工应用，2002(3):42-44 14 李济根，胡玉洁，薄文海 聚乙烯加工流变改性剂与LLDPE/HDPE 共混体系流变性能研究 J 齐齐哈尔大学学报，1993(4):50-53 15 宋祥，张喆 刚性聚丙烯纤维改性透水混凝土制备及路用性能研究 J 粘接，2021(12):120-124 16 李翠云，李辅安 聚丙烯共混增韧改性研究进展 J 化学推进器与高分子材料，2006(2):19-22 17 张增民 BHDPE/HDPE/LLDPE 共混体系的研究 J 合成材料老化与用，2012(2):29-31 18葛建芳 聚丙烯增强增韧进展J 工程塑料应用，2002，28(2):37-39(上接第 124 页)5 王晓婉，戴磊，江峰，等 TEMPO-氧化纤维素纳米纤维对染料的吸附性能及其在有色纸中的应用研究J 中国造纸学报，2022，37(1):56-64 6 赵冬梅，初小宇，魏丽娜，等 纳米纤维素在食品包装材料中的应用研究进展 J 高分子通报，2021(11):11-20 7 褚夫强，张志广，刘闯 纳米纤维素在印刷电子中的应用研究进展 J 数字印刷，2021(3):66-74 8 霍丹，张希鹏，孙悦凯，等 纳米纤维素吸附材料的制备及在工业废水处理中的应用J 中国造纸，2021，40(11):90-97 9 魏洁，邵自强 纳米纤维素材料在功能膜材料中的应用研究进展 J 材料导报，2021，35(1):203-211 10 符庆金，王燕云，梁帅博，等 纳米纤维素在功能纳米材料中的应用进展J 高分子材料科学与工程，2020，36(3):175-182 11 许凯瑞、宫庆华、周国伟 纳米纤维素的分类制备及其在电化学应用中的研究进展 J 高分子通报，2020(10):12-20 12 于亚童，王晓映，王文波，等 氨基纳米纤维素的制备及其抗菌应用研究进展 J 中国造纸，2021，40(11):118-125 13 侯爱芹 纳米纤维素用于劣化宣纸的加固研究 J 中国胶粘剂，2020，29(1):55-58 14 耿俊强，刘辰澍，郝艺琳，等 纸质档案绿色抑菌剂的筛选及应用研究 J 档案学研究，2022(1):130-135 15 李光发，吴静雷 碳酸氢镁水溶液脱酸技术在档案修裱过程中的应用研究 J 中国档案，2021(2):64-66 16 何蕾 馆藏纸质清代，民国破损档案修裱方法及原则 J 档案学研究，2020(6):139-141 17 张璇 家庭纸质照片档案化管理研究 J 黑龙江档案，2021(1):78-79 18 孟瑶，陈刚 无患子皂苷复配清洗剂对纸质档案铁锈斑的清洗研究 J 复旦学报:自然科学版，2022，61(5):608-614 19 张旭，闫玥儿，唐颐 纸张脱酸中硅烷偶联剂与纤维素的相互作用研究J 复旦学报:自然科学版，2022，61(5):598-607 20 张羽，吴晓红，李嵋 综合档案馆纸质档案酸化问题研究 以某综合档案馆为例 J 档案管理，2021(2):66-68821