凝膠是采用單螺桿擠出機(jī)生產(chǎn)聚乙烯薄膜的一個(gè)常見問題。

凝膠會(huì)引發(fā)質(zhì)量問題，造成薄膜在吹膜或流延膜生產(chǎn)線上出現(xiàn)斷裂。

凝膠有多種來源，緩解的方法取決于對凝膠類型的了解。 

凝膠通常是指引起薄膜產(chǎn)品變形、降低薄膜質(zhì)量的任何一種小瑕疵。

凝膠有多種類型，常見的凝膠包括：

1、高度氧化的聚合物材料，表現(xiàn)為易碎的黑色斑點(diǎn)；

2、通過氧化過程交聯(lián)的聚合物材料，產(chǎn)生柔軟且常變色的凝膠；

3、不分散且不交聯(lián)的高度糾纏的聚合物材料，如高分子量類型；

4、未熔化的樹脂；

5、源于母料的填料結(jié)塊；

6、不同種類的樹脂或諸如金屬、木材、纖維、昆蟲或泥土等的污染物。

確定凝膠類型通常是困難的，需要專用設(shè)備和受過培訓(xùn)的操作人員。

此外，不同的凝膠類型需要采取不同的技術(shù)來緩解。

對于加工商而言，維護(hù)凝膠分析設(shè)備以及培訓(xùn)專業(yè)人員通常過于昂貴，

但大多數(shù)的樹脂供應(yīng)商會(huì)為他們的客戶提供這種分析服務(wù)。

通過對螺桿進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以緩解降解凝膠、固體聚合物碎片和高度糾纏的凝膠。

顯然，對螺桿的設(shè)計(jì)并不能緩解源于母料和外來材料的填料結(jié)塊，因此，本文將不討論源于外來材料的凝膠問題。

降解的樹脂在薄膜中顯而易見，它可能是自然色部分特別是薄的橫截面部分的一個(gè)問題。

本文介紹的螺桿設(shè)計(jì)選項(xiàng)，可用于減輕樹脂降解凝膠、聚乙烯樹脂中高度糾纏的凝膠以及固體聚合物碎片等問題。 

1、固體聚合物碎片

當(dāng)固體的輸送速率和計(jì)量速率超過螺桿的熔化能力時(shí)，幾乎所有的樹脂擠出都可能會(huì)出現(xiàn)固體聚合物碎片。

通常，當(dāng)擠出機(jī)螺桿的轉(zhuǎn)速增加2倍時(shí)，固體的輸送速率和計(jì)量速率也會(huì)增加2倍，

但熔化速率只增加了1.4倍，這樣，隨螺桿轉(zhuǎn)速的增加而增加的流體速率要快于熔化能力可以實(shí)現(xiàn)的流體速率。

比如，利用一臺(tái)螺桿直徑63.5mm的單螺桿擠出機(jī)來做一個(gè)熔化能力試驗(yàn)，

擠出機(jī)的螺桿擁有3.18mm的計(jì)量槽深度，壓縮比是2.8。

如果擠出機(jī)中所有的材料都在早期熔化，在螺桿轉(zhuǎn)速低于60r/min的情況下，擠出物幾乎都是均勻的黑色。

當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速增加到一定程度時(shí)，開始釋放出大量的固體聚合物碎片。

隨著螺桿轉(zhuǎn)速的進(jìn)一步提高，從擠出機(jī)中釋放出的固體聚合物碎片會(huì)越來越多，此時(shí)螺桿轉(zhuǎn)速達(dá)到150r/min。

有幾種方法可以減少擠出物中的固體聚合物碎片。

一種方法是，降低螺桿轉(zhuǎn)速和輸出速率，直到能夠減少擠出物中的固體聚合物碎片。

這種方法作為一種診斷工具通常效果良好，但對于加工商來說，低速運(yùn)行是不經(jīng)濟(jì)的。

第二種方法也是好的選擇，就是設(shè)計(jì)制造一種新的螺桿，在螺桿的出料端附近設(shè)有一個(gè)Maddock 混合器。

Maddock混合器非常適合捕獲、熔化然后分散固體聚合物碎片。

第三種選擇是制造一種計(jì)量段較淺并帶有一個(gè)Maddock混合器的新螺桿，

較淺的計(jì)量段將以較低的比轉(zhuǎn)速運(yùn)行，并相對于固體輸送速率和計(jì)量速率而提高了熔化能力。

2、降解凝膠

降解的樹脂可能在螺桿的滯留區(qū)或者滯留時(shí)間很長的區(qū)域形成。

雖然抗氧化劑可以緩解這一過程，但一旦被消耗完，就會(huì)發(fā)生樹脂降解。

高溫和大氣中的氧氣會(huì)加速降解過程。

一旦降解的樹脂在滯留區(qū)形成，即使加工發(fā)生微小的變動(dòng)，

也會(huì)導(dǎo)致降解的樹脂從螺桿上脫離并隨著擠出物流出，在成品中形成凝膠。

有許多螺桿設(shè)計(jì)上的缺陷可以引起樹脂的滯留、降解，然后污染產(chǎn)品，

這里只討論3種常見的缺陷，包括屏障熔融段的設(shè)計(jì)、Maddock混合器和計(jì)量段中的螺棱半徑。

導(dǎo)致降解凝膠在聚乙烯產(chǎn)品中含量至高的螺桿設(shè)計(jì)缺陷是屏障熔融段入口的設(shè)計(jì)不良。

在此設(shè)計(jì)中，用于輸送固體的螺槽通過提高螺槽的溫度和壓力來壓實(shí)PE顆粒，

然后這些被壓實(shí)的固體顆粒必須通過入口才能到達(dá)屏障熔融段，再進(jìn)入固體熔化螺槽，

在一些設(shè)計(jì)中，這一路徑可能存在很大的約束性，

這種約束是由于引入了熔融屏障棱，它使得便于固體流動(dòng)的螺槽寬度減小了30%。

有幾種設(shè)計(jì)，可以通過增加屏障段的引導(dǎo)長度來減輕這種約束。

如果流動(dòng)路徑是高度限制性的，可以控制這一過程的具體速率。

也就是說，可將螺桿設(shè)計(jì)成按完全特定的速率運(yùn)行，而約束允許的速率只有特定速率的一半左右，

這會(huì)引起受限的一些下游螺槽被部分填充，部分填充的螺槽通常會(huì)導(dǎo)致樹脂降解。

在螺桿的計(jì)量段中，部分填充的螺槽會(huì)導(dǎo)致樹脂的降解。

在這種情況下，樹脂的主流是透明的，位于螺槽的推進(jìn)側(cè)。

在運(yùn)行過程中，一些透明的樹脂遷移到空隙區(qū)，然后附著在螺桿上持續(xù)一段時(shí)間。

根據(jù)聚乙烯樹脂的類型，降解的發(fā)生將持續(xù)幾小時(shí)到幾天。

一旦降解樹脂形成，就會(huì)引發(fā)加工出現(xiàn)一些小的波動(dòng)，導(dǎo)致一些降解樹脂從螺桿上脫離。

降解的樹脂可以在螺桿的下游段分解，在擠出物和產(chǎn)品中形成凝膠簇。

有幾種方法可以消除屏障熔融段入口處的限制。

簡單的方法是，讓螺桿的引導(dǎo)長度等于固體輸送段的料筒直徑，然后過渡到使引導(dǎo)長度是屏障熔融段直徑的1.25倍。

屏障段的引導(dǎo)長度越長，主螺棱間的距離就越大，從而為熔體分隔（屏障）螺棱的引入提供了更大的寬度。

雖然這種結(jié)構(gòu)類型采用了一些專有設(shè)計(jì)，但仍然可能出現(xiàn)約束。

第二，不采用屏障熔融段就可以簡單地消除限制，也就是使用一根帶有Maddock混合器的簡單的螺旋螺桿。

雖然放棄了屏障熔融段帶來的好處，但這種類型的螺桿適合用作直徑小于80 mm的擠出機(jī)螺桿。

還有其他方法可以減少入口限制, 但它們超出了本文所要介紹的范圍。

樹脂降解也可能發(fā)生在設(shè)計(jì)不當(dāng)?shù)腗addock混合器的凹槽處。

一些螺桿制造商設(shè)計(jì)的螺桿所帶有的Maddock混合器的凹槽太深，這種設(shè)計(jì)可用來減少通過該裝置的壓力消耗。

由于此處的凹槽被切的很深，所以在靠近螺棱尖的地方會(huì)形成平的邊緣。

這種設(shè)計(jì)可能引起樹脂降解，降解的樹脂是圖中的棕色物質(zhì)。

該混合器上的凹槽是由球頭銑刀加工的，對金屬坯料的銑削深度大于球頭銑刀直徑的一半，

這樣就形成了一個(gè)與螺桿徑向平行的平的邊緣，深的螺槽和平的邊緣是引起樹脂降解的主要根源。

在此設(shè)計(jì)中，將凹槽深度設(shè)定為凹槽寬度的一半，這樣，球頭銑刀切入金屬坯料的深度就是銑刀直徑的一半。

如果計(jì)量段的螺棱半徑太小，就可能產(chǎn)生低水平的背景凝膠。

小的螺棱半徑會(huì)產(chǎn)生被稱為莫法特渦旋的回流區(qū)，這些渦流會(huì)滯留很長時(shí)間。

長時(shí)間的滯留和大氣中的氧會(huì)導(dǎo)致樹脂降解。

這樣，加工的些許波動(dòng)都會(huì)導(dǎo)致少量的降解樹脂從螺桿上脫離，在薄膜產(chǎn)品中造成背景層次的缺陷。

小的螺棱半徑是商用螺桿的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，它易于加工，能保證生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的微小波動(dòng)不會(huì)引起螺棱寬度的變化。

大于螺槽深度的半徑很難加工，并可能導(dǎo)致螺棱寬度的變化。

大多數(shù)商用螺桿的典型螺棱半徑是小半徑R1，這個(gè)半徑大約是此處螺槽深度的50%，

在大多數(shù)的聚乙烯樹脂中，它可能會(huì)導(dǎo)致樹脂降解。

而大的半徑R2大約是螺槽深度的1.5倍，它不太可能引起樹脂降解。

因此，在訂購新的螺桿時(shí)，加工商們應(yīng)該要求將計(jì)量段中的螺棱半徑設(shè)定為螺槽深度的1.5倍。

3、高度糾纏的（未混合的）凝膠

高度糾纏的凝膠也叫未混合的凝膠，當(dāng)它們從模頭中排出時(shí)是熔融狀態(tài)的，冷卻后先凝固，

然后形成一種像固體聚合物碎片的凝膠，這種類型的凝膠通常擁有大約0.5mm的直徑。

通過讓所有的熔融樹脂在螺桿排料附近一次性地承受高強(qiáng)度的應(yīng)力，可以很容易地將這類凝膠從擠出加工中去除。

利用Maddock混合器以及混合螺棱上相對較小的間隙，可以輕易地施加這種應(yīng)力。

采用高溫?zé)崤_(tái)顯微鏡可以識(shí)別出高度糾纏的凝膠。

先將凝膠從薄膜中分離出來，放到顯微鏡載物片上，覆蓋硅油和玻璃蓋滑片；

接著，按階段緩慢升高溫度，以確定基體樹脂和凝膠的熔融溫度。

利用一種牙科工具在玻璃蓋滑片上推動(dòng)，使凝膠在135℃下受壓，凝膠即被分散開。

當(dāng)樣品冷卻后，凝膠不會(huì)再現(xiàn)。因此，施加的應(yīng)力解開了凝膠。

由于高度糾纏的凝膠可以用應(yīng)力解開，因此，利用靠近螺桿末端的Maddock混合器，

可以使這些凝膠很容易地分散到基體材料中。

分散高度糾纏的凝膠所需的應(yīng)力取決于樹脂和鏈的糾纏程度。

按照過去的經(jīng)驗(yàn)，分散糾纏凝膠所需的應(yīng)力大約是100～200kPa，

為獲得這種應(yīng)力，可以在Maddock混合器的混合螺棱上設(shè)置根切。

在高溫?zé)崤_(tái)顯微鏡上看到的不同溫度下的未混合凝膠。

高度糾纏的凝膠和基體材料在大約135℃時(shí)熔化。

當(dāng)移動(dòng)玻璃蓋滑片涂抹凝膠時(shí)，獲得的應(yīng)力足以解開聚合物鏈，使凝膠不會(huì)再現(xiàn)。

擦拭螺棱延伸到了料筒壁處并處于正常的螺棱間隙內(nèi)（λ），

在混合螺棱與擦拭螺棱之間根切u的距離，這樣，料筒壁與混合螺棱之間的間隙為u+λ。

許多螺桿設(shè)計(jì)師將混合器的根切設(shè)置為擠出機(jī)螺桿直徑的1%～1.5%，這通常足以均化著色劑和添加劑，

捕獲和分散固體聚合物碎片，但在許多情況下，產(chǎn)生的剪應(yīng)力不足以緩解高度糾纏的凝膠。

對于許多聚乙烯樹脂來說，只有當(dāng)所需的根切大約是螺桿直徑的0.5%時(shí)才能獲得100～200kPa的剪切應(yīng)力。