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雙螺桿押出機混鍊效率及衝擊特性之研究

為了解決ESS機械 增壓的問題，作者張文彬 這樣論述：

摘要 探討雙螺桿押出機的螺桿組合與操作條件對碳酸鈣混鍊填充於聚丙烯 的影響。 實驗前先以流動網路分析法（FAN）模擬熔融態高分子在雙螺桿 內流量與壓降的關係。碳酸鈣的表面以液態的鈦系偶合劑（LICA12）做表 面處理。複材衝擊強度的量測採用有刻痕Izod衝擊測試， 試片的刻痕為U 型銳角刻痕 ， 並且以線性彈性破壞理論來決定純聚丙烯及填充複材的破 壞韌性。 簡介 添加填充劑於高分子基材中來達到降低

成本和改質的目的，在高分子 加工業中之應用已經有相當長的時間。而對於熱塑性基材添加礦物性填充 劑的研究，至今亦有許多學者深入探討。其中常用的礦物性填充劑有：碳 酸鈣（Calcium carbonate） 、 高嶺土（Kaolin） 、雲母（Mica）、滑 石粉（Talc）等。此類礦物性填充劑添加於高分子基材中，對基材機械性 質的影響因素大致可歸納為下列幾項：填充劑的大小〔1〕、形狀〔2〕、 濃度〔3〕、填充劑的表面處理〔4〕、以及填充劑是否能均勻分散於高分

子基材中 〔5〕。一般而言，填充劑的粒徑越小則衝擊強度越大，填充濃 度越高則衝擊強度越高，填充劑表面經偶合劑處理後則比未經處理所造成 的衝擊強度強，填充劑若均勻分散於基材中則可視為一連續性複材，衝擊 強度亦會比因聚集造成不連續性之複材強。因此，除了填充劑本身的性質 對複材有影響之外，混鍊過程的優劣亦為一影響因素。 而在混練設備中，單元式同向雙螺桿押出機（modular intermeshing co-rotating twin-screw extruder ）為重要

性高，應用較廣之雙螺桿押 出機。此種機型通常多由數種不同元件（element） 所組成，此等元件均 互相交合並具備自清（self-wiping） 之功能，而且可在螺桿上安排不同 之組合來達成分配式 （distributive mixing） 及分散式 （dispersive mixing） 混合的效果 。 因此如欲選擇最適組合 ，必須與處理程序，如 進料、輸送、融熔、分散、 排氣等配合， 同時對各元件之功能亦需完全 了解。因此利用電腦模擬方法可幫助我們設計螺桿組態，以達到均勻

混練 的目的。而早在1973年Tadmer〔6〕等以FAN法模擬牛頓流體在恆溫狀態下 ，流道中壓力分布的情形， Szydlowski〔7〕 與Wang〔8〕等 ， 又以指 數流體模擬雙螺桿中 kneading disk 元件的流動情形，而White〔9〕等 ，則是在非恆溫下分析螺桿內壓力與溫度的分布。 實驗方法 （一） 實驗材料： （a） 基材：聚丙烯（polypropylene），批號為 1040，密度0.904g/cm3

，熔點165 oC。 （b） 填充劑：小粒徑碳酸鈣由OMYA公司提供，型號Hydrocarb900 G，平 均粒徑0.8mm，密度2.7g/cm3。 （c） 偶合劑：LICA12，與碳酸鈣表面處理濃度 為0.2wt﹪。 （d） 安定劑：由妙春（EVERSPRING）實業提供，型號為EVERNOX-10，熔 點112 oC ~113 oC， 添加濃度為0.2wt﹪。 （二） 實驗步驟：

（a） 混鍊實驗：以雙螺桿押出機 （由澤機公司製造，型號為ZPT30，螺 桿直徑30㎜， L/D=36） ，實驗所使用的螺桿組態如圖 1，並於模頭加裝壓力感測器，由Dynisco公司所製造， 型號為TPT432A-IM-6/18 ，螺桿轉速為60RPM，8段加熱 片溫度設定分別為：180oC、185 oC、190 oC、195oC、

200 oC、200 oC、200 oC、200 oC、模頭200 oC。聚丙 烯流量為 30 g/min，分別混鍊添加碳酸鈣濃度5、10、 15、20、25、35vol﹪之複材，並經由切粒機切粒。 （b） 製作衝擊試片 ：以熱壓機（駿諺精機製造） 製成衝擊試片 ，長 5㎜、寬12.5㎜、厚度3㎜，且衝擊測試採用有刻痕的衝 擊試驗 （ Izod notch test

），以鑽石刀片厚度為 0.15㎜的切割機 （ 駿諺精機製造），分別切入深度為 1、2、3㎜的刻痕，刻痕缺口為U字形，寬度為0.21㎜， 刻痕末端的曲率半徑為0.085㎜， 可以將其視為銳角的 刻痕進行衝擊測試。 （c） 影像處理：截取衝擊後試片之斷面約2㎜ ，並以真空烘箱乾燥12小 時，以真空噴射鍍膜儀（JBS E5

150 sputter coater） 在衝擊斷面鍍上一層黃金薄膜 ， 以掃描式電子顯微鏡 （TOPCON ABT-150S SEM） 15KV的電子束捕捉二次電子 為影像，並以拍立得相機拍下，再利用掃描器將影像傳 入電腦以影像處理軟體 （Optimas 5.1a ）進行影像分 析，分別統計出碳酸鈣顆粒的平均粒徑，粒徑分佈以及

面積分率分佈。 結果與討論 一、螺桿組態之混練效率分析 利用FAN法模擬不同元件之塑料流量與壓降的關係，並且以不同元件的 FAN結果，模擬預測螺桿組合的壓力分布 。並在混練段的後半段使用了左 旋的kneading disk元件，然後再接一節左旋的螺旋元件 ，目的是希望左 旋元件能發揮阻擋的功效 ， 使得高分子融熔體能在混練段得到充分的混 合，其結果顯示在混練段是處於全填滿的狀態，亦有較大的增壓效果（如

圖1、2、3中之比較） ，而其他則是半填滿的狀態，到了接近模頭前兩節 的螺旋元件部分，又有壓力上升，將高分子融熔體擠押出模頭，由於塑料 在混練段能夠獲得充分的混練，所以這個組合能充分發揮混練的效果。 二、分散度的檢測 由掃描式電子顯微鏡（SEM）之顯微相片 ， 觀察衝擊斷面之顯微結 構，不論是純聚丙烯或聚丙烯/碳酸鈣複材， 其室溫下之衝擊斷面皆為不 規則層狀脆性破壞，無展延性。且由實驗結果顯示有處理之碳酸鈣複材之 平均粒徑較小、分散

較為均勻、 且顆粒大部分皆埋於基材當中， 表示經 LICA12處理的碳酸鈣與聚丙烯之間有較佳之黏著性，圖4、5為粒徑分析之 結果。而為了探討分散狀態與衝擊強度的關係，定義一分散指標。 三、衝擊強度之檢測與分散效果的關係 由圖6、7中，衝擊強度隨著濃度的增加而增加，但濃度超過10vol%之 後，衝擊強度迅速下降，並無增強的效果。但是當填充濃度超過20vol%以 後，衝擊強度下降的趨勢則明顯趨緩，因此當添加量相當高時，因粒子間 作用力的關係自然產生三維

的立體結構，聚丙烯扮演類似黏著劑的角色。 且有處理碳酸鈣之複材，其衝擊能均比未處理的碳酸鈣高，破壞韌性亦較 高。由圖8、9、10、11顯示Gc隨著分散度增加而降低。 結論 （1） 在混練段之後加上左旋螺旋元件，使其在全填滿的狀態之下，有助 其混練的能力。 （2） 偶合劑LICA12可改善碳酸鈣與聚丙烯的黏著性，並且減少填充顆粒 的聚集現象。 （3） 碳酸鈣的分散效果越佳，衝擊強度越強，Gc也越大。

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