共混改性工程塑料POM工艺安全技术分析研究章楠.docx
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共混改性工程塑料POM工艺安全技术分析研究章楠
南京化工职业技术学院
毕业论文
题目：
共混改性工程塑料POM工艺的安全技术研究
姓名：
章楠
所在系部：
化学工程系
班级：
化工安全0821
学号：
0801320137
专业名称：
工业环保与安全技术
指导老师：
曹洪印
2011年4月
摘要I
AbstractII
1概论1
1.1基本概念1
1.2工程塑料分类及一般特性1
1.3工程塑料改性的目的与意义2
2共混改性工程塑料POM生产原料和产品物性介绍3
2.1生产原料物性3
2.1.1添加剂3
2.1.2玻璃纤维4
2.1.3矿物填料5
2.2产品的物性5
2.2.1聚甲醛POM5
3共混改性工程塑料POM生产设备介绍7
3.1高速混合器7
3.2干燥器7
3.3双螺杆挤出机7
4共混改性工程塑料POM生产工艺的介绍9
4.1共混改性工程塑料POM的生产过程9
4.1.1原料预处理10
4.1.2计量与配料混合10
4.1.3熔融共混挤出10
4.1.4冷却造粒11
4.1.5筛分包装11
5共混改性工程塑料POM的生产过程的危险性分析12
5.1生产物料的危险性分析及应急措施12
5.1.1生产物料的危险性分析12
5.1.2生产物料的应急措施12
5.2生产设备危险性分析及应急措施13
5.2.1混合器危险性及应急措施13
5.1.2干燥器的危险性和应急措施13
5.2.3双螺杆挤出机的危险性及应急措施14
5.3生产工艺过程中危险性分析及应急措施15
5.3.1原料预处理危险性分析及应急措施15
5.3.2计量与配料混合危险性分析及应急措施15
5.3.3熔融共混挤出危险性分析及应急措施15
5.3.4冷却造粒危险性分析及应急措施17
5.3.5筛分包装危险性分析及应急措施17
6结束语18
参考文献19
致谢20
摘要
由于共混改性工程塑料POM生产工艺过程是物理过程，所以在生产过程中火灾和爆炸的危险性较小，但改性是在高温下进行，存在着高温烫伤的危险性；该生产工艺所用的原料大多数为粉料，故在生产过程中存在粉尘对人体的呼吸道造成刺激危害。
在生产中所有设备均为动设备，因此会存在机械伤害的危险。
本论文借鉴了相关文献和书籍简述了共混改性工程塑料POM生产过程中物料、设备和生产工艺，并从物料、设备和工艺三个方面对生产过程的危险性进行了分析。
其中主要对熔融共混挤出过程的开车、停车的危险性进行了分析，找出了其中涉及的危险有害因素，并提出了相应的预防对策措施，以确保共混改性工程塑料POM工艺的安全性，避免不必要的事故发生，从而减少人员伤亡和财产损失。
关键词：
共混改性；工程塑料；工艺；危险性分析；安全
Abstract
AstheblendofengineeringplasticsofthePOMofproductionprocessisthephysicalprocesssothepossibleoftheriskoffireandexplosionissmaller,butthemodificationiscarriedoutathightemperatures,thereisthedangerofscaldinghot。
Becausetherawmaterialsweuselargemostofthepowder,sothereisdustintheproductionprocesscausedbythehumanbodytostimulatetherespiratoryhazards.Alldevicesareinproductionmovingequipment,sothereismechanicaldamage。
ThispaperdrawingontheliteratureandbooksoutlinedtheblendofengineeringplasticsofthePOMproductionprocess,materials,equipmentandproductiontechnologybriefly,andanalysistheriskoftheproductionprocessfromthesethreeaspects.Themainprocessofmeltextrusionblendingdriving,parkingwastheriskanalysistoidentifytheriskofharmfulfactorsinvolved,andthecorrespondingpreventivemeasuresputforwardmeasurestoensurethattheblendofengineeringplasticsofthePOMprocesssafety,toavoidunnecessaryaccidents,therebyreducingcasualtiesandpropertylosses.
Keyword：
BlendingModification。
EngineeringPlastics。
Process。
Hazardanalysis。
Safety
1概论
1.1基本概念
所谓工程塑料，日本松岛定义为：
拉伸强度在49MPa，弯曲弹性模量2GPa以上，耐热温度在100℃以上的可用于汽车部件、机械部件、电子电气部件等工业的塑料。
改性工程塑料就是以基本工程塑料为基料，通过加入改性单体与之反应，或者在集体树脂中添加一些改性剂进行共混所制造的塑料，后者我们称之为共混改性工程塑料。
共混改性在某意义上来说是聚合物大分子链结构没有发生化学变化，而是体系组成与微观结构发生了变化。
从工艺上讲，共混改性工艺简单，而且具有很强的针对性，产品设计的自由空间相对很宽，原料的选择也可以多样化。
1.2工程塑料分类及一般特性
通常，工程塑料分为通用工程塑料与特种工程塑料，如图1-1.
通用工程塑料易成型加工，特种工程塑料大部分是耐热性较高分子，其加工成型性较差。
工程塑料具有以下特性：
①密度小；②比强度高；③耐热性高；④化学稳定性好；⑤优良的电绝缘性能；⑥机械性能优良；⑦耗能少；⑧尺寸稳定性好。
在改性工程塑料中聚甲醛POM的改性技术最成熟、最先进，成型最简单，应用最广泛。
1.3工程塑料改性的目的与意义
工程塑料虽然具有很多优良的性能，但与金属材料比存在很多缺点，不同品种的特性与缺陷也不尽相同。
一些对综合性能要求高的领域，单一的工程塑料难以满足要求。
因此，改性工程塑料的目的如下：
（1）提高工程塑料的综合性能。
（2）提高工程塑料的力学性能，如强度、低温韧性等。
（3）提高工程塑料的耐热性。
大多数工程塑料的热变形温度都不高，对于一些在一定温度下工作的部件来讲，普通工程塑料就很难以胜任。
（4）提高其加工性能。
（5）降低吸水性，提高制品尺寸稳定性。
（6）提高工程塑料的耐燃烧性。
大多数工程塑料属于易燃材料，用于电气、电子设备的安全性较低，通过阻燃化改性，使材料的安全性有所提高。
（7）降低材料的成本。
工程塑料尤其是特种工程塑料的价格较高。
用无机填料与工程塑料共混改性，既降低了材料的成本，又改善了成型收缩与挠曲性。
（8）实现工程塑料功能化，提高其实用性能。
如工程塑料的导电性，对一些需要防静电、导电的用途需进行抗静电或导电改性，使其具有防静电、导电、电磁屏蔽的功能。
通过共混改性，提高工程塑料的性能，增强其品种，扩大其用途，实现工程塑料高性能化、功能化、专用化、系列化，促进高分子材料产业的发展，同时，促进了汽车、电气、电子、机械等工业的进步。
2共混改性工程塑料POM生产原料和产品物性介绍
工程塑料改性最关键的是通过添加其他组分，用共混等物理方法实现的改性。
所以添加剂是改性过程最主要的原料，它具有效果明显、工艺简单、成本低等优点。
塑料改性所用的添加组分种类很多。
根据不同喂料器中喂的料，将生产原料分为四大种类：
聚甲醛POM、添加剂、纤维增强剂和矿物填料。
本章主要介绍几种重要的改性组分和产品的主要性能。
2.1生产原料物性
2.1.1添加剂
（1）阻燃剂
POM的难燃化是首当其冲的重要问题。
阻燃剂可以提高其耐燃性，延缓燃烧速度或阻止它的燃烧。
阻燃剂大多是元素周期表中第Ⅴ族的氮、磷、锑、铋的化合物，第Ⅶ族的氯、溴的化合物和第Ⅲ族的硼、铝的化合物。
此外，硅和钼的化合物也作为阻燃剂使用。
按化学成分来分类，阻燃剂可以分为卤系（溴系和氯系以及溴-氯系），磷系（磷-卤系，磷-氮系，红磷），氮系，硅系，无机物系（硼系，钼系，锑系，铝镁系）等。
其中应用最广的是多溴二苯醚和磷酸酯
（2）增韧剂
增韧剂是用于改善POM的冲击性能，即提高其韧性的一种添加剂，增韧剂主要分为弹性体增韧材料和刚性体增韧材料。
①弹性体增韧材料弹性体增韧材料按照玻璃化温度高低分为高抗冲击树脂和高抗冲击橡胶。
高抗冲击树脂中应用最广的是氯化聚乙烯（CPE）和乙烯-乙酸乙烯共聚物（EVA）.高抗冲击橡胶应用最多的是乙丙橡胶（EPR）和丁氰橡胶（NBR）。
②刚性体增韧材料刚性体增韧材料可分为无机刚性增韧材料和有机刚性增韧材料两大类。
目前得到广泛应用的有机和无机刚性粒子增韧剂有超细（超微）碳酸钙、滑石粉、硫酸钡、聚甲基丙烯酸甲酯等
（3）抗氧剂
POM是高分子结构稳定的高分子化合物，具有很强的稳定性。
但在加工及应用时，由于温度高，又要承受很大的机械剪切力，造成局部过热，残留的金属催化剂又受到空气中氧的作用，易发生氧化作用而被氧化，导致断链、交联等降解作用的发生。
抗氧剂的作用就是自动打破或阻断上述自动氧化作用，保护POM免受氧化或延迟氧化反应。
抗氧剂分为无机类和有机类抗氧剂。
碘化钾、溴化铜、溴化钠、等盐类和卤化物是很有效的无机类抗氧化剂，有机类抗氧稳定剂为芳胺和酚类抗氧剂。
（4）光稳定剂
塑料材料暴露在日光或强的荧光下，由于吸引了紫外光的能量，引发了自动氧化反应，导致聚合物的降解，使得制品的外观和物理机械性能变坏。
光稳定剂对于防止POM发生光老化，延长其使用寿命。
光稳定剂主要有光屏蔽剂和猝灭剂两种。
光屏蔽剂一般是指能够反射和吸收紫外光的物质，通常，作为光屏蔽剂的多是一些无机颜料、填料以及炭黑。
猝灭剂作为一种光稳定剂，可以接受塑料中发色团所吸收的能量，并将这些能量以热量、荧光或磷光的形式发散出去。
2.1.2玻璃纤维
为了改善POM的机械性能和热性能，用玻璃纤维增强是极为有效的手段，玻纤最显著的是具有大的长径比和足够的强度和韧性。
作为塑料改性的玻纤必须具备：
①高强度、高模具；②低的密度；③与树脂基本体有好的界面黏合度；④耐热；⑤价格便宜等优点。
（1）玻璃纤维的分类及化学组成玻纤分类的方法很多（见表2-1），但一般按照碱金属含量来选择玻纤。
玻纤的化学组成见表2-2。
表2-1玻璃纤维的分类
类别
分类
按纤维的形态和长度分
定长纤维——直径细、长度短。
长度一般为300~500mm
玻璃棉——长度在150mm以下
玻璃棒——直径为35~500
空心纤维——纤维呈中空状
卷曲纤维——纤维呈卷曲状
按纤维直径分
初级纤维（粗纤维）——单丝直径20~30
中级纤维——单丝直径10~20
高级纤维（纺织纤维）——单丝直径4~10
超级纤维（超细纤维）——单丝直径小于4
按碱金属氧化物含量分
无碱纤维（E玻璃纤维）——碱金属氧化物含量很少（一般低于1%），且具有良好的电绝缘性的玻璃纤维。
低碱纤维——碱金属氧化物含量为2%~6%的玻璃纤维
中碱纤维（C玻璃纤维）——碱金属氧化物含量在12%左右
高碱纤维（A玻璃纤维）——碱金属氧化物含量大于15%的玻璃纤维
表2-2玻璃纤维的化学成分
名称
代号
无碱玻纤
E
53.5
15.3
10.0
16.3
4.5
<0.5
2.0
中碱纤维
5#
67.3
7.0
9.5
4.2
12.0
高碱纤维
A
72.0
0.6
10.0
2.5
14.2
（2）玻璃纤维增强工程塑料的优缺点
优点：
增加强度；增加刚性；提高热变形温度；减少缩短；减小线膨胀系数；改善尺寸稳定性；缩短循环时间；节省能源。
缺点：
降低大多数工程塑料的冲击性能；方向性翘曲；增强加工设备的腐蚀；降低表面光泽；增加质量。
2.1.3矿物填料
矿物填料在POM改性中用量最大，它的作用是改善POM的物理性质如机械性能、表面性能、加工性能、热绝缘和电气性能。
下面介绍几种应用比较广泛的矿物填料。
（1）碳酸钙碳酸钙系由天然的矿物如石灰石、大理石等研磨而成，细度一般5~40
.高质量的碳酸钙填料由如下性能来判别：
①高化学纯度，没有能催化聚合物老化的重金属离子；②无生成附聚物的倾向；③具有相对低的比表面的方解石结构；④高白度；⑤可用染料着色，高填料容量；⑥对机器部件无磨损或轻度磨损；⑦优良的可分散性对制品的力学和电化学性能影响较小；⑧增加韧性及弹性模具。
（2）滑石粉滑石粉是硬度最小的矿物填料，其用量仅次于碳酸钙。
由于滑石粉具有疏水性，它能与聚合物有很高的相容性，减少对加工设备的磨损。
此外，他还可以改善制品的刚度、蠕变及收缩性，提高在负载下的热反射温度及降低线膨胀系数。
（3）二氧化硅二氧化硅作为改性填料与天然产品不同，它们不是结晶，而是无定形粉末。
少量添加后能减少制品的裂纹，增加强度，提高硬度，防止粘结，减少线膨胀系数，改善电性能，降低挤出时的膨胀及增稠与改善流动性和触变性。
（4）二氧化钛即钛白粉，可以增加制品的密度，由于色白，有消光性，常用作塑料的白色颜料。
锐钛型二氧化钛，具有光敏性，是一种光降填料。
2.2产品的物性
2.2.1聚甲醛POM
（1）结构和基本性能
聚甲醛学名聚氧亚甲基，英文名称Acetalresin,Polyoxy-methylene,简称POM,是分子主链中含有
链节的线性高分子化合物。
POM是一种弱极性线型无分支结构的结晶性高分子聚合物，按其合成方法及分子结构不同可分为均聚甲醛和共聚甲醛两大品种：
由于均聚甲醛和共聚甲醛分子结构存在着差异，使他们结晶性、耐化学药品性、力学性能和稳定性都有一定的差异。
POM通常呈白色颗粒状，分子质量分布较窄。
POM具有较高的结晶度（70%~85%），而且极易形成球晶结构，所以它的密度要比其他结晶性高分子材料高。
POM综合性能优异可概括为：
1非常高的力学强度和刚性。
2优异的耐疲劳特性和耐多次冲击性能。
3优良的自润滑性和耐磨性。
4好的尺寸稳定性和耐湿性，吸水率很小。
5好的电性能，介电损耗极小。
6广泛的使用温度，可在-40℃~+120℃内长期使用。
7好的耐化学药品性，对弱酸、弱碱、大部分有机溶剂、农药具有良好的抗性。
（2）聚甲醛的改性
如前所述，POM有很好的力学性能、独特的耐磨自润滑性，但是其缺点也十分突出。
因此，在汽车、家电、电子、办公用品机械行业，POM作为其结构材料，其性能还不能满足要求。
采用共混改性的是提高聚甲醛性能的有效途径。
聚甲醛改性研究主要集中在以下几个方面：
①采用玻纤等增强POM，使其强度成倍增加。
②与弹性体共混，提高其抗冲击性能，改善POM的低温韧性。
③添加阻燃剂共混，提高其阻燃性能。
④添加耐磨剂共混，制备高耐磨润滑POM。
⑤与其他聚合物共混，制备高性能POM合金。
⑥与各种热稳定剂、紫外光吸收剂共混，提高其耐老化性能。
⑦与各种抗静电剂共混，制备抗静电或导电POM。
使其具有一定的导电能力。
3共混改性工程塑料POM生产设备介绍
3.1高速混合器
高速混合器是使用极为广泛的塑料混合设备，可用于混色、制取母液、配料及共混材料的预混。
普通高速混合机有混合室、叶轮、折流板、回转盖、排料装置及传动装置等组成。
当高速混合器工作时，高速旋转的叶轮借助表面与物料的摩擦力的侧面对物料的推力使物料沿叶轮切向运动。
同时，由于离心力的作用，物料被抛向混合室内壁，并沿壁面上升，当升到一定高度后，由于重力作用，又落回到叶轮中心，接着又被抛起。
这种上升运动与切合运动结合，使物料运动速度也很快，快速运动着的粒子间相互碰撞、摩擦，使得团块破碎，物料温度相应升高，同时迅速地进行着交叉混合，混合室外的折流板进一步搅拌了物料的流态，使物料形成无规运动，并在折流板附近形成很强的涡旋。
混合结束后，夹套内通冷却介质，冷却后的物料在叶轮作用下由排料口排出。
高速混合器是一种高强度、高效率的混合设备，混合时间短，很适合中小批量的混合。
它的缺点是对热改性物料及低软化点物料不适用。
3.2干燥器
根据树脂与水的亲和能力，可将树脂分为两大类：
非吸水性树脂和吸水性树脂。
某些情况下，POM放置在环境中只几分钟，便会吸湿空气中的水分，对改性产生很大的影响，所以在改性前需对其进行干燥。
根据POM的最高温度和露点温度的要求，一般采用直接式干燥，直接式干燥也叫绝热干燥或对流干燥，它是通过热气流与POM直接接触传热，传热介质一般为空气。
应用最广泛的是料斗式干燥器，料斗式干燥器是在料斗下部装有加热器，鼓风将空气送入加热器时，受热而变成热风，经管导入料斗，并从顶料放空。
这种干燥器的特点是受热均匀，使用灵活，适合干燥要求不高，且不易热氧化的物料干燥。
3.3双螺杆挤出机
双螺杆挤出机是共混改性工程塑料POM生产的主要设备。
它集混合、混炼、熔融反应、挤出成型于一体，使工程塑料变得简单而高效。
（1）双螺杆挤出机的类型从螺杆的转向，可分为同向和异向两大类；从螺杆啮合情况分，可分为啮合与非啮合两大类；从螺杆直径变化，可分为圆柱与圆锥两种；从功能上，可分为共混挤出型和反应挤出型两大类。
从实际使用量看，同向螺杆最多。
一般用于共混挤出机的螺杆均为同向啮合普通型，这种螺杆属于熔融混炼型。
（2）双螺杆挤出机结构双螺杆挤出机由传动装置、加料装置、螺杆、机筒、加热器、机头和控制柜冷却系统组成。
①传动装置包括电机、齿轮箱两部分。
②加料装置料斗和调速电机和小型螺杆加料器。
料斗分为单一料斗和搅拌式料斗，树脂，玻纤和矿物质采用单一料斗，粉料采用搅拌式料斗。
螺杆进料器采用单螺杆。
采用侧向加料和正向加料，主料和添加剂从正向加料，玻纤和矿物质从侧向加料。
③加热器双螺杆挤出机加热器采用热电偶。
从螺杆各区的作用不同，加热的温度也不同，加料区的温度应该大于其他区，在啮合区由于啮合摩擦生热，温度应该较其他区低。
④螺杆的控制系统双螺杆挤出机的控制系统包括：
进料速度、主机转速、机筒温度、主机电流控制。
⑤冷却系统冷却系统应包括两个部分，一部分时传动箱的润滑油冷却系统，该系统有冷凝器，循环泵。
循环泵将传动箱内的润滑油抽出经冷凝器冷却后送入传动箱，使传动箱温度保持在40℃以下，以保证传动齿轮的正常运转与寿命。
另一个冷却系统是机筒冷却系统，该系统由水箱、冷凝器、循环泵、电磁阀等组成。
其作用是对机筒各区温度进行调节，保证实际温度与设定温度偏差控制在最小范围。
（3）双螺杆挤出机主要技术参数
①螺杆直径螺杆直径系指螺杆外径，用D表示，单位mm。
它的大小在一定程度上表示出双螺杆挤出机生产能力的大小，螺杆直径越大，生产能力越大。
②螺杆长径比螺杆长径比系指螺杆上有螺纹部分的长度与螺杆直径之比,用L/D表示，其中L表示螺杆有效长度，D表示螺杆直径。
螺杆长径比在一定意义上表示出双螺杆挤出机能完成特定生产任务和功能的能力，也能表示出生产能力的大小。
③螺杆转速双螺杆挤出机的螺杆转速一般都能无级调节，其螺杆有一个最低和最高转速，目前最高转速为1000r/min。
转速越高，剪切力越大，产量越大。
4共混改性工程塑料POM生产工艺的介绍
4.1共混改性工程塑料POM的生产过程
共混改性工程塑料POM的生产过程包括原料预处理、计量与配料混合、熔融共混
挤出、冷却造粒、筛分包装等工序。
其工艺流程图如图4-1所示。
干燥（根据需求）
称量
POM
添加剂
高速混合器
称量
玻纤增强
矿物填充
称量
称量
熔融混炼挤出（双螺杆挤出机）
冷却（水槽、风刀）
切粒造粒
振动分筛
称量包装
成品储罐
取样检测
入库
图4-1共混改性工程塑料POM生产工艺
4.1.1原料预处理
原辅材料的预处理包括：
表面处理、干燥和稀释等过程，其中干燥是最主要的原料处理。
由于大多数的聚合物都具有一定的吸水性，而POM在熔融状态下，易发生水解而导致相对分子质量下降，最终使得材料力学性能下降。
根据具体情况，在共混挤出前，相应的对其进行干燥，除去其中的水分。
干燥时间一般为4-8个小时。
4.1.2计量与配料混合
计量是生产过程中十分重要的工序，所有物料均应按标准操作参数（SOC）严格计算，特别是对于一些微量组分的计算不得有误，否则，将影响产品性能。
混合是将不同组分的原料通过搅拌达到一定程度的相互分散的过程。
亦是物料能否均匀地进入双螺杆挤出机，保证产品的均匀性的重要手段。
特别是对密度差别较大、各组分的形状不同的共混体系，保证物料均匀混合尤为重要。
共混组分混合的基本原则如下：
①根据不同物料选择适当的混合时间。
有些粉料在长时间搅拌下，会因物料摩擦发热而结块，造成分散不均，甚至出料困难。
②控制温度。
对于易挥发组分，必须严格控制混合温度，以免挥发导致物料计量不准，产生组分变化，进而影响改性效果。
4.1.3熔融共混挤出
熔融共混挤出是生产改性工程塑料的主要工序。
原料经过上游预处理、计量、混合，通过三个加料口加入挤出机，树脂和添加剂从挤出机第一个筒节加入，玻纤和矿物质分别通过侧喂料从第4、6筒节加入。
原料加入挤出机通过双螺杆在高温下挤出熔融、混炼时各组分间实现一定程度的或分子级的分散，得到性能优良的产品，熔融共混的温度、螺杆元件的组合是产品质量的主要影响因素。
（1）熔融共混的温度熔融共混的温度是物料熔融的外部条件。
因此，螺杆各区加热的设置与调节不仅影响物料的熔融，对组分的混合程度也影响很大。
一般来说，提高温度有利于物料的熔融与混合，但温度太高时，会引起部分助剂的分解，同时，当物料变成流体状态时，所受到螺杆的剪切作用变小，从而，其混合效果变差。
加热区采用电加热，根据物料的性质设置加热的温度，考虑到加料区加料时物料由低温变成高温，所以在加料区的温度要低于其他区域。
（2）螺杆元件的组合双螺杆挤出机是依靠其螺杆元件即螺纹块和啮合块相互啮合相对运动时，不断改变物料的流动方向以及空间变化对物料施加高剪切，促使物料变形、破碎来实现物料的混合和熔融。
整根螺杆按照其功能可分加料段、压缩段、熔融塑化段、下游加料区的螺纹段、排气段和熔体输送段。
不同的螺杆段采用不同的螺杆元件。
①加料段该段位置对应于料筒的加料口，为了能够顺利地加入不同的物料，如料粒、低密度的粉料等，这段螺杆元件通常采用大螺距的正向输送螺杆元件。
②压缩段该段螺杆通常采用螺距阶跃式或渐进式变化的螺杆元件或螺距不变、螺棱厚度改变的螺杆元件，达到使物料压缩、密实的目的。
③熔融塑化段该段螺杆通常设置啮合盘元件，反向螺纹元件等，以提供较强的剪切作用，提高熔体温度，以利于物料的熔融与塑化。
但是，为了
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