用于聚乙烯醇材料熔融改性加工的双螺杆组合与加工工艺
阅读说明：本技术 用于聚乙烯醇材料熔融改性加工的双螺杆组合与加工工艺 (Double-screw combination and processing technology for melt modification processing of polyvinyl alcohol material ) 是由 钱玉英 冯晓涛 邱守季 于 2021-09-07 设计创作，主要内容包括：本发明涉及高分子材料加工技术领域,特别是涉及一种用于聚乙烯醇材料熔融改性加工的双螺杆组合与加工工艺。本发明根据聚乙烯醇材料的流变特点,限定了螺杆中各功能段的长度占比以及所采用的螺纹元件的型号,使双螺杆组合与聚乙烯醇材料充分匹配,改善了聚乙烯醇材料的熔融混合,有效提升了聚乙烯醇改性加工过程中的塑化效果,使得改性后的聚乙烯醇材料具备更好的力学性能。与传统的更改聚乙烯醇材料的配方的研发思路相比,提供了一种更新颖、普适、环保的解决手段,对PVA材料的双螺杆熔融塑化改性技术的提高和深入开发具有积极的作用。(The invention relates to the technical field of processing of high polymer materials, in particular to a double-screw combination and processing technology for melt modification processing of a polyvinyl alcohol material. According to the rheological characteristics of the polyvinyl alcohol material, the length ratio of each functional section in the screw and the type of the adopted thread element are limited, so that the double-screw combination is fully matched with the polyvinyl alcohol material, the melt mixing of the polyvinyl alcohol material is improved, the plasticizing effect in the polyvinyl alcohol modification processing process is effectively improved, and the modified polyvinyl alcohol material has better mechanical property. Compared with the traditional research and development idea of changing the formula of the polyvinyl alcohol material, the method provides a more novel, universal and environment-friendly solution, and has a positive effect on the improvement and deep development of the double-screw melting plasticizing modification technology of the PVA material.)
技术领域
本发明涉及高分子材料加工技术领域，特别是涉及一种用于聚乙烯醇材料熔融改性加工的双螺杆组合与加工工艺。
背景技术
聚乙烯醇(PVA)是一种具有良好的耐油、耐磨以及气体阻隔性能的水溶性生物降解材料，由于其环境友好，且经改性后具备多样的性能，因而被广泛用于医疗、食品、洗涤、有毒物包装、运输等领域。PVA分子结构规整，结晶度高，并且分子链上的大量羟基能形成很强的氢键，因此具有强分子内作用力，导致PVA的熔融加工温度与分解温度十分接近，难以直接对PVA进行热塑性加工。针对此，目前发展了共聚改性、复配共混改性、后反应改性和增塑改性等PVA改性加工方法；其中，加入小分子物质及低聚物的增塑改性方法对于实现PVA熔融加工最为直接有效。
采用双螺杆挤出增塑熔融改性具有设备投资小、生产效率高、能耗低、工艺流程短、维护成本低等优势，可以极大拓展PVA的生产与使用，是目前研究的热点。双螺杆熔融挤出需要一步直接完成PVA树脂和改性助剂组分的塑化混合加工，除了需要合适的改性配方外，双螺杆的构型组合和挤出工艺，对PVA的熔融增塑改性具有至关重要的影响。然而，目前的研究主要集中在通过配方改性来改善PVA的塑化，对双螺杆的组合和挤出工艺的研究极少，因此，常常需要复杂的配方才能以较高质量实现对PVA的熔融改性，而且，过多添加剂的引入难免对PVA本身的性能造成影响，且对环境不友好。
发明内容
基于此，有必要提供一种用于聚乙烯醇材料熔融改性加工的双螺杆组合与加工工艺，其根据PVA材料的流变特点设计，与PVA具有良好的匹配度，采用简单的改性配方即可较大程度提升熔融改性PVA产品的品质。
本发明的一个方面，提供了一种用于聚乙烯醇材料熔融改性加工的双螺杆组合，其包括两根啮合平行同向的螺杆，按照占螺杆总长度的百分比计，所述螺杆包括以下功能段：
其中，所述加料段采用的螺纹元件的型号包括：24/24；
所述输送段采用的螺纹元件的型号包括：24/24和/或20/20；
所述输送压缩段采用的螺纹元件的型号包括：16/16和/或12/12；
所述混合段采用的螺纹元件的型号包括：30°/7/24、45°/5/16、45°/5/24、45°/5/24L、60°/4/16、60°/4/24、90°/5/16、90°/5/24中的一种或多种；
所述反向建压段采用的螺纹元件的型号包括：12/6L、12/12、16/16、45°/5/24L中的一种或多种；
所述真空输送段采用的螺纹元件的型号包括：24/24和/或20/20；
所述计量建压段采用的螺纹元件的型号包括：16/16和/或12/12。
本发明根据聚乙烯醇材料的流变特点，限定了螺杆中各功能段的长度占比以及所采用的螺纹元件的型号，使双螺杆组合与聚乙烯醇材料充分匹配，改善了聚乙烯醇材料的熔融混合，有效提升了聚乙烯醇改性加工过程中的塑化效果，使得改性后的聚乙烯醇材料具备更好的力学性能。与传统的更改聚乙烯醇材料的配方的研发思路相比，提供了一种更新颖、普适、环保的解决手段，对PVA材料的双螺杆熔融塑化改性技术的提高和深入开发具有积极的作用。
在一些实施方式中，所述输送段至少包括两个输送子段，所述输送压缩段至少包括两个输送压缩子段，所述混合段至少包括两个混合子段；所述螺杆包括至少两个子段组合，所述子段组合包括所述输送子段、所述输送压缩子段、所述混合子段中的至少两种。
在一些实施方式中，所述输送段包括2～7个输送子段，所述输送压缩段包括2～6个输送压缩子段，所述混合段包括2～6个混合子段；所述螺杆包括2～6个子段组合，所述子段组合包括所述输送子段、所述输送压缩子段和所述混合子段。
在一些实施方式中，所述子段组合依次由所述输送子段、所述输送压缩子段、所述混合子段排列而成。
在一些实施方式中，所述输送子段包括1～5个相应的螺纹元件，所述输送压缩子段包括1～7个相应的螺纹元件，所述混合子段包括1～3个相应的螺纹元件。
在一些实施方式中，所述混合段包括占螺杆总长度的百分比分别为8％～15％的熔融混合段和8％～18％的分散混合段，其中，所述熔融混合段采用的螺纹元件的型号包括：30°/7/24、45°/5/24、60°/4/24、90°/5/24中的一种或多种，所述分散混合段采用的螺纹元件的型号包括：45°/5/16、45°/5/24、45°/5/24L、60°/4/16、60°/4/24、90°/5/24中的一种或多种。
本发明的另一方面，提供了一种聚乙烯醇材料熔融改性加工工艺，其包括以下步骤：
将聚乙烯醇材料进行预混合，然后放入双螺杆挤出机的加料斗中，并采用前述的双螺杆组合进行加工。
在一些实施方式中，所述聚乙烯醇材料按照质量份计，包括以下组分：
在一些实施方式中，按质量份计，所述增塑剂包括以下组分：
甘露糖醇 5～15份；
山梨醇 1～5份；以及
麦芽糖醇 1～5份。
在一些实施方式中，所述双螺杆组合中各功能段的工作温度分别为：
在一些实施方式中，所述混合段包括熔融混合段和分散混合段，所述熔融混合段的工作温度为115℃～175℃，所述分散混合段的工作温度为125℃～190℃。
在一些实施方式中，所述双螺杆组合的工作转速为80RPM～300RPM。
附图说明
图1为实施例1的螺杆组合的排布示意图；
图2为对比例1的螺杆组合的排布示意图；
图3为实施例1的挤出效果图；
图4为对比例1的挤出效果图；
图5为对比例2的挤出效果图；
图6为对比例3的挤出效果图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。在本发明的描述中，“若干”的含义是至少一个，例如一个，两个等，除非另有明确具体的限定。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
本发明的一个方面，提供了一种用于聚乙烯醇材料熔融改性加工的双螺杆组合，其包括两根啮合平行同向的螺杆，按照占螺杆总长度的百分比计，螺杆包括以下功能段：
其中，加料段采用的螺纹元件的型号包括：24/24；
输送段采用的螺纹元件的型号包括：24/24和/或20/20；
输送压缩段采用的螺纹元件的型号包括：16/16和/或12/12；
混合段采用的螺纹元件的型号包括：30°/7/24、45°/5/16、45°/5/24、45°/5/24L、60°/4/16、60°/4/24、90°/5/16、90°/5/24中的一种或多种；
反向建压段采用的螺纹元件的型号包括：12/6L、12/12、16/16、45°/5/24L中的一种或多种；
真空输送段采用的螺纹元件的型号包括：24/24和/或20/20；
计量建压段采用的螺纹元件的型号包括：16/16和/或12/12。
本发明根据聚乙烯醇材料的流变特点，限定了螺杆中各功能段的长度占比以及所采用的螺纹元件的型号，使双螺杆组合与聚乙烯醇材料充分匹配，改善了聚乙烯醇材料的熔融混合，有效提升了聚乙烯醇改性加工过程中的塑化效果，使得改性后的聚乙烯醇材料具备更好的力学性能。与传统的更改聚乙烯醇材料的配方的研发思路相比，提供了一种更新颖、普适、环保的解决手段，对PVA材料的双螺杆熔融塑化改性技术的提高和深入开发具有积极的作用。
优选地，按照占螺杆总长度的百分比计，螺杆包括以下功能段：
其中，加料段采用的螺纹元件的型号包括：24/24；
输送段采用的螺纹元件的型号包括：24/24和20/20；
输送压缩段采用的螺纹元件的型号包括：16/16和12/12；
混合段采用的螺纹元件的型号包括：30°/7/24、45°/5/24、45°/5/24L和60°/4/24；
反向建压段采用的螺纹元件的型号包括：12/6L、12/12、16/16、45°/5/24L中的一种或多种；
真空输送段采用的螺纹元件的型号包括：24/24和20/20；
计量建压段采用的螺纹元件的型号包括：16/16和12/12。
在一些实施方式中，输送段至少包括两个输送子段，输送压缩段至少包括两个输送压缩子段，混合段至少包括两个混合子段；螺杆包括至少两个子段组合，子段组合包括输送子段、输送压缩子段、混合子段中的至少两种。将各功能段分为若干个功能子段，再结合成多个子段组合，在同等长度下，能够比未分解成功能子段、连续排列的功能段组合而成的螺杆对聚乙烯醇具备更好的熔融塑化效果。
在一些实施方式中，输送段包括2～7个输送子段，输送压缩段包括2～6个输送压缩子段，混合段包括2～6个混合子段；螺杆包括2～6个子段组合，子段组合包括输送子段、输送压缩子段和混合子段。优选地，输送段包括5～6个输送子段，输送压缩段包括4～5个输送压缩子段，混合段包括4～5个混合子段。限定各功能段的子段数目，能在一定的长度范围内使螺杆具备较优良的熔融塑化能力。
在一些实施方式中，子段组合依次由输送子段、输送压缩子段、混合子段排列而成。子段组合的排列方式对螺杆的熔融塑化效果也有直接的影响，按照预设的方式进行排列，能获得性能更好的改性聚乙烯醇指派。
在一些实施方式中，输送子段包括1～5个相应的螺纹元件，输送压缩子段包括1～7个相应的螺纹元件，混合子段包括1～3个相应的螺纹元件。
在一些实施方式中，加料段包括3～5个相应的螺纹元件，反向建压段包括1～2个相应的螺纹元件，计量建压段包括7～9个相应的螺纹元件。
在一些实施方式中，混合段包括占螺杆总长度的百分比分别为8％～15％的熔融混合段和8％～18％的分散混合段，其中，熔融混合段采用的螺纹元件的型号包括：30°/7/24、45°/5/24、60°/4/24、90°/5/24中的一种或多种，分散混合段采用的螺纹元件的型号包括：45°/5/16、45°/5/24、45°/5/24L、60°/4/16、60°/4/24、90°/5/24中的一种或多种。
优选地，在一些实施方式中，螺杆包括依次设置的：加料段、第一输送子段、第一输送压缩子段、第一混合子段、第二输送子段、第二输送压缩子段、第二混合子段、第三输送子段、第三输送压缩子段、第三混合子段、第四输送子段、第四输送压缩子段、第四混合子段、第五输送子段、第五输送压缩子段、第五混合子段、反向建压段、第六输送子段、真空输送段、计量建压段。
优选地，在一些实施方式中，加料段包括3个相应的螺纹元件，第一输送子段包括5个相应的螺纹元件，第一输送压缩子段包括7个相应的螺纹元件，第一混合子段包括2个相应的螺纹元件，第二输送子段包括3个相应的螺纹元件，第二输送压缩子段包括2个相应的螺纹元件，第二混合子段包括2个相应的螺纹元件，第三输送子段包括2个相应的螺纹元件，第三输送压缩子段包括1个相应的螺纹元件，第三混合子段包括2个相应的螺纹元件，第四输送子段包括2个相应的螺纹元件，第四输送压缩子段包括3个相应的螺纹元件，第四混合子段包括2个相应的螺纹元件，第五输送子段包括1个相应的螺纹元件，第五输送压缩子段包括3个相应的螺纹元件，第五混合子段包括1个相应的螺纹元件，反向建压段包括1个相应的螺纹元件，第六输送子段包括1个相应的螺纹元件，真空输送段包括3个相应的螺纹元件，计量建压段包括8个相应的螺纹元件。
在一些实施方式中，本发明提供的双螺杆组合应用于长径比为(36～52):1的双螺杆挤出机，优选地，特别适用于长径比为44:1的双螺杆挤出机。
本发明的另一方面，提供了一种聚乙烯醇材料熔融改性加工工艺，其包括以下步骤：
将聚乙烯醇材料进行预混合，然后放入双螺杆挤出机的加料斗中，并采用前述的双螺杆组合进行加工。
在一些实施方式中，聚乙烯醇材料按照质量份计，包括以下组分：
在一些实施方式中，按质量份计，增塑剂包括以下组分：
甘露糖醇 5～15份；
山梨醇 1～5份；以及
麦芽糖醇 1～5份。
在一些实施方式中，优选地，聚乙烯醇材料按照质量份计，包括以下组分：
在一些实施方式中，双螺杆组合中各功能段的工作温度分别为：
在一些实施方式中，混合段包括熔融混合段和分散混合段，熔融混合段的工作温度为115℃～175℃，分散混合段的工作温度为125℃～190℃。
优选地，在一些实施方式中，加料段的温度为90℃～120℃，第一输送子段的温度为120℃～140℃，第一输送压缩子段的温度为130℃～150℃，第一混合子段的温度为120℃～160℃，第二输送子段的温度为130℃～160℃，第二输送压缩子段的温度为130℃～170℃，第二混合子段的温度为135℃～170℃，第三输送子段的温度为140℃～180℃，第三输送压缩子段的温度为140℃～180℃，第三混合子段的温度为140℃～180℃，第四输送子段的温度为145℃～180℃，第四输送压缩子段的温度为145℃～180℃，第四混合子段的温度为150℃～180℃，第五输送子段的温度为150℃～180℃，第五输送压缩子段的温度为150℃～185℃，第五混合子段的温度为150℃～185℃，反向建压段的温度为150℃～190℃，第六输送子段的温度为155℃～195℃，真空输送段的温度为155℃～195℃，计量建压段的温度为155℃～200℃。
在一些实施方式中，双螺杆组合的工作转速为80RPM～300RPM。优选地，双螺杆组合的工作转速为100RPM～200RPM。
以下结合具体实施例和对比例对本发明做进一步详细的说明。可理解，以下实施例所用的仪器和原料较为具体，在其他具体实施例中，可不限于此，例如可不限于用硬脂酸作为润滑剂，也不限于用氢氧化铝作为稳定剂。
聚乙烯醇材料的准备：
将80份聚乙烯醇树脂、10份甘露糖醇、4份山梨醇、3份麦芽糖醇、0.6份硬脂酸、0.4份氢氧化铝加入高速预混机中，在1300RPM的转速下混合10min。
具体挤出工艺：
将准备好的聚乙烯醇材料加入长径比为44:1的双螺杆挤出机加料斗中，然后按照各实施例和对比例中采用的双螺杆组合和工作温度、转速进行改性加工，挤出料条后，风冷、切粒、密封保存。
实施例1：
总长度：1002mm，各功能段总占比：
螺杆具体分布按照表格中螺纹元件出现的顺序进行排列(可参见图1)：
实施例1设定转速为200RPM～300RPM。
实施例2
实施例2与实施例1基本一致，区别之处在于将各第五子段组合中的各子段合并至相应的第四子段，即，实施例2总共有四个子段组合，前三个子段组合与实施例1一致，第四子段组合变为：第四输送子段：24/24、24/24、20/20；第四输送压缩子段：16/16、16/16、16/16、12/12、12/12、12/12；第四混合子段(分散混合)：45°/5/24、45°/5/24L、45°/5/24L。
实施例3：
总长度：1002mm，各功能段总占比：
螺杆具体分布按照表格中螺纹元件出现的顺序进行排列：
实施例3设定转速为100RPM～200RPM。
实施例4
总长度：1002mm，各功能段总占比：
实施例4设定转速为80RPM～130RPM。
对比例1
总长度：1002mm，各功能段总占比：
螺杆具体分布按照表格中螺纹元件出现的顺序进行排列(可参见图2)：
对比例1转速设定为80RPM～130RPM。
对比例2
总长度：1002mm，各功能段总占比：
螺杆具体分布按照表格中螺纹元件出现的顺序进行排列：
对比例2设定的转速200RPM～300RPM。
对比例3
总长度：1002mm，各功能段总占比：
螺杆具体分布按照表格中螺纹元件出现的顺序进行排列：
对比例3设定转速100RPM～200RPM。
表征及性能测试：
(1)PVA挤出共混效果：
表1
停留时间：双螺杆下料口进料开始计时，到口模开始挤出样条计时结束。
(2)PVA注塑样条测试效果：
拉伸强度测试标准：GB/T 1040.2
断裂伸长率测试标准：GB/T 1040.2
表2
从表1和表2可知，本发明各实施例挤出的样条都光滑、无气泡，且具有较好的拉伸强度和断裂伸长率，尤其是各功能段的占比均位于优选范围的实施例1，具有55MPa以上的拉伸强度和160％以上的断裂伸长率。对比例1中，输送段和混合段占比不在预设范围内，导致样条挤出表面粗糙，竹节纹严重，样条变黄，严重发泡，因此拉伸强度和断裂伸长率都大幅下降；对比例2中，输送压缩段和混合段占比不在预设范围内，导致样条出口模分层，呈浅黄色，塑化效果差，无熔体强度，不能牵条，无法制样；对比例3中，输送段和输送压缩段占比不在预设范围内，虽然样条没有像对比例1和2中有明显变色，但是存在后面段严重发泡的问题，因此拉伸强度和断裂伸长率也较差，不能满足实际生产需求。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准，说明书及附图可以用于解释权利要求的内容。