石墨烯混煉不均勻、溫控波動(dòng)大，問題可能出在擠出機(jī)的螺桿構(gòu)型與加熱方式

通常情況下，做新能源材料制備的同行都有體會(huì)，把石墨烯均勻分散到高分子基體里面，一直是會(huì)直接影響最終產(chǎn)品導(dǎo)電性能還有力學(xué)穩(wěn)定性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，不少工廠試過盲目拉高螺桿轉(zhuǎn)速，或是拉長混煉時(shí)長，最后發(fā)現(xiàn)石墨烯還是以團(tuán)聚體的形態(tài)存在，搞不好還因?yàn)榫植窟^熱把材料給降解了，這類問題的根源，一般來說都不在配方層面，而是手里的冷喂料擠出機(jī)的螺桿構(gòu)型和溫控系統(tǒng)，壓根沒針對石墨烯這種高比表面積、高導(dǎo)熱性的填料做專門適配，我們這篇內(nèi)容就從設(shè)備配置的螺桿構(gòu)型、溫控精度還有工藝參數(shù)優(yōu)化幾個(gè)方向，捋清楚冷喂料擠出機(jī)的選型和調(diào)試思路。

石墨烯與高分子基體混煉的核心難點(diǎn)在哪里

相比傳統(tǒng)的炭黑或者礦物填料，石墨烯對混煉過程的要求要特殊不少，它不止需要更高的剪切應(yīng)力來破開團(tuán)聚體，對熔體里的停留時(shí)間分布也有更嚴(yán)格的要求，停留太久材料容易降解，停留太短又達(dá)不到充分分散的效果，石墨烯片層之間本身就存在很強(qiáng)的范德華力，很容易抱團(tuán)形成團(tuán)聚，混煉的時(shí)候高分子熔體的高粘度特性，還會(huì)進(jìn)一步加大分散的難度，另外石墨烯本身的導(dǎo)熱系數(shù)特別高，傳統(tǒng)擠出機(jī)那種單溫度控制區(qū)的設(shè)計(jì)，根本扛不住這類工況，局部溫控反應(yīng)滯后的話，直接就會(huì)導(dǎo)致熔體粘度波動(dòng)，進(jìn)而影響石墨烯在熔體里的均勻分布，說白了要解決石墨烯混煉的相關(guān)問題，核心還是要看冷喂料擠出機(jī)的螺桿結(jié)構(gòu)和溫控系統(tǒng)，能不能提供足夠的剪切作用還有精準(zhǔn)的熱管理能力。

冷喂料擠出機(jī)如何應(yīng)對這一特殊混煉需求

不是所有的冷喂料擠出機(jī)都能勝任石墨烯材料的混煉作業(yè)，一臺(tái)能滿足要求的設(shè)備，通常需要從幾個(gè)層面做針對性的設(shè)計(jì)或者調(diào)整。

螺桿構(gòu)型與剪切強(qiáng)度：決定石墨烯能否有效分散

石墨烯的分散效果，主要靠熔體在螺桿螺棱和機(jī)筒壁之間流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的剪切力，普通的冷喂料擠出機(jī)要是螺桿的壓縮比和長徑比設(shè)計(jì)得太低，輸出的剪切力不夠，石墨烯團(tuán)聚體就很難被有效剝開，反過來要是剪切力太大，又有可能把石墨烯片層給切壞，破壞它本身的結(jié)構(gòu)完整性，適配性好的螺桿構(gòu)型一般會(huì)采用兩段或者三段式的設(shè)計(jì)，進(jìn)料段主要用來完成物料輸送和預(yù)熱，混煉段加裝捏合塊或者齒形元件來產(chǎn)生高剪切作用，均化段就負(fù)責(zé)管控熔體壓力和溫度，這種分區(qū)設(shè)計(jì)，可以對照石墨烯的分散閾值，精準(zhǔn)調(diào)整各段的長度和角度，走先輸送、再剪切、后穩(wěn)定的混煉路徑。

溫控系統(tǒng)精度：防止局部過熱與粘度波動(dòng)

石墨烯的高導(dǎo)熱屬性，要求冷卻和加熱系統(tǒng)得有更快的響應(yīng)速度，傳統(tǒng)的冷喂料擠出機(jī)大多用的是鑄鋁加熱器加單一風(fēng)冷的結(jié)構(gòu)，本身熱慣性很大，很難跟上石墨烯混煉過程里頻繁出現(xiàn)的剪切生熱波動(dòng)，更穩(wěn)妥的方案是用上分段式循環(huán)水/油溫控系統(tǒng)，還得在機(jī)筒的熔體輸送段、混煉段分別配獨(dú)立的PID調(diào)控模塊，這樣在螺桿啟動(dòng)、升速或者調(diào)整喂料量的時(shí)候，各段的溫度波動(dòng)可以控制在±1℃以內(nèi)，穩(wěn)定的溫度場不光有利于石墨烯的均勻分散，也能保證出料的批次一致性，不會(huì)因?yàn)闇乜仄评彤a(chǎn)品的性能表現(xiàn)。

喂料方式與排氣設(shè)計(jì)：避免預(yù)混料分層與氣泡裹入

石墨烯一般是以母粒或者粉末的形式，和基體樹脂預(yù)混之后再送進(jìn)擠出機(jī)的，要是喂料段的設(shè)計(jì)不合理，預(yù)混料在料斗里面就有可能出現(xiàn)分層，最后導(dǎo)致石墨烯的實(shí)際含量和設(shè)定值出現(xiàn)偏差，對應(yīng)的解決辦法就是加裝強(qiáng)制喂料裝置，再搭配加長的進(jìn)料口螺紋元件，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的強(qiáng)制輸送，另外石墨烯本身吸附的空氣還有基體里面帶的水分，在高溫環(huán)境下很容易生成氣泡，影響最終制品的質(zhì)量，冷喂料擠出機(jī)得配真空排氣段，等熔體差不多完全塑化的時(shí)候再把揮發(fā)物抽走，保證擠出料的密實(shí)度還有表面光潔度。

不同工藝條件下，設(shè)備配置應(yīng)如何取舍

實(shí)際生產(chǎn)過程里，石墨烯的添加量、基體樹脂的熔融指數(shù)還有最終制品的形態(tài)，都會(huì)直接影響冷喂料擠出機(jī)的配置要求。

| 工藝條件 | 推薦螺杄長徑比 (L/D) | 溫控方式 | 特殊配置 |

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| 添加量<5%，熔指>30 g/10min | 28:1 - 32:1 | 分段PID電加熱+風(fēng)冷 | 強(qiáng)制喂料+單真空排氣 |

| 添加量5%-15%，熔指中等 | 32:1 - 36:1 | 分段PID+循環(huán)水冷卻 | 強(qiáng)制喂料+雙真空排氣 |

| 添加量>15%或高粘度樹脂 | 36:1以上 | 油溫閉環(huán)控制 | 強(qiáng)制喂料+雙真空排氣+齒形盤分散元件 |

要是現(xiàn)有設(shè)備的長徑比滿足不了當(dāng)前需求，也可以通過更換不同結(jié)構(gòu)的混煉段螺桿元件，或者升級(jí)溫控系統(tǒng)來部分改善效果，不過整體的生產(chǎn)效率一般來說還是比不上專門適配的機(jī)型，所以在選型的初期就把工藝窗口摸清楚，是避免后面反復(fù)調(diào)試的關(guān)鍵一步。

如何評(píng)估現(xiàn)有設(shè)備能否適配石墨烯混煉

工廠打算改造或者新采購冷喂料擠出機(jī)的時(shí)候，可以從兩個(gè)方向快速判斷設(shè)備的適配性，先看出料條的外觀，要是表面粗糙，斷面還有沒分散開的顆粒感，就說明設(shè)備的剪切力或者溫控精度達(dá)不到要求，要是出料條發(fā)黃，還能聞到明顯的刺激性氣味，就說明熔體的停留時(shí)間太長，或是出現(xiàn)了局部過熱的問題，再對照固定工藝下的功率消耗變化來看，石墨烯填料會(huì)拉高熔體的整體粘度，要是設(shè)備的電流波動(dòng)異常，或是溫控超調(diào)的情況出現(xiàn)得很頻繁，往往就代表驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)或者溫控模塊已經(jīng)摸到了原設(shè)計(jì)的性能邊界，打算在現(xiàn)有產(chǎn)線上新增石墨烯混煉工序的企業(yè)，也可以直接和設(shè)備廠家對接，把對應(yīng)的工藝參數(shù)和性能要求提供過去，評(píng)估出性價(jià)比最高的調(diào)整方案，要是需要結(jié)合您這邊具體的膠種配方、產(chǎn)能要求還有實(shí)際生產(chǎn)工況來定制評(píng)估方案，也可以直接和利拿實(shí)業(yè)的技術(shù)團(tuán)隊(duì)做進(jìn)一步溝通。