低烟无卤绝缘材料挤出机螺杆设计及其应用技术研究

1. 引言

低烟无卤绝缘材料以聚烯烃为基体，添加氢氧化铝、氢氧化镁等无机阻燃剂，燃烧时烟雾量少且无卤酸气体释放，广泛应用于轨道交通、建筑电气等领域。然而，其高填充特性（阻燃剂占比可达 60% ）导致熔体粘度高、摩擦生热显著，传统螺杆设计易引发阻燃剂分解、表面气孔等缺陷。本文从材料特性与设备设计的相互作用出发，提出螺杆优化方案及配套工艺技术。

2. LSZH 材料特性对螺杆设计的核心要求

2.1 材料组成与加工难点

WDZ 材料通常以 EVA 或 PE 为基材，填充大量金属氢氧化物阻燃剂，其熔融指数低（通常 <1g/10min ），剪切敏感性高。加工过程中存在三大挑战：

热稳定性差：阻燃剂在 180^∘C 以上易分解产气；流动性不足：高填充导致熔体粘度比普通 PE 高 3～5 倍；摩擦系数大：无机填料与金属螺杆的摩擦扭矩提升 30‰

2.2 螺杆设计关键指标

根据 IEC 60754-1：2025 标准，螺杆需满足以下性能平衡：

长径比（L/D）：推荐 25：1～32：1，过小导致塑化不充分，过大增加能耗与焦烧风险；

压缩比：理想范围为 1：1～1：2.5，高压缩比会加剧剪切热引发气孔缺陷；

分段设计：进料段（5D）、塑化段（9D）、BM 分离段（7D）的阶梯式结构可优化熔融均匀性。

3. 螺杆几何参数优化设计

3.1 压缩比计算与案例分析

压缩比ε 计算公式：

＼$＼$ ε Σ=Σ ＼frac{V_1}{V_2} σ=σ ＼frac{（D - h_1） ＼cdot S_1}{（D - h_2） ＼cdot S_2} ＼$＼$其中， （V_-1） 为加料段螺槽容积， （V_-2） 为均化段螺槽容积，（D）为螺杆直径，（h）为螺槽深度，（S）为螺距。

应用实例：某厂采用直径 65mm 螺杆加工 WDZ 护套料，原压缩比2.8：1 时产品气孔率达 。优化为 1.8：1 后（加料段螺槽深 8.5mm ，均化段 5.0mm ），气孔率降至0.8% ，产能提升 。

具体WDZ 螺杆实施例附图

（WDZ 材料螺杆设计的压缩比 1.5～2.0：1）

所述匀化段的螺距为 120mm

（优选设计的，所述α为 60°，β为 120°）

所述的 WDZ 低烟无卤材料的挤出机螺杆安装结构，包括机架、螺筒、连接机头的机颈、分料筒和上述的螺杆，所述螺筒（也叫炮筒）固定于所述机架上，所述螺杆是设计在螺筒内进行工作，所述机头是通过法兰固定于所述螺筒的一端，所述法兰内部具有机颈；所述螺杆位于所述螺筒内部，所述进料段与所述螺筒旋转连接，所述螺杆头延伸至所述机颈内；所述分料筒固定于所述机头的内部，且一端与所述机颈相通，另一端与所制品相通。

3.2 长径比与混炼效果的关系双螺杆挤出机通过模块化组合实现长径比灵活调整。

案例显示：

L/D=28：1 时，阻燃剂分散均匀性达 92% （粒径 ≤5μm ）；

L/D=36：1 时虽分散性提升至 95% ，但能耗增加 27%_< 。

推荐采用分段式花键螺杆结构，在主动塑化段（ L/D=20：1 ）与从动混合段（ L/D=8：1 ）间取得平衡。

4. 螺杆结构创新与应用技术

4.1 屏障型螺杆

在 BM 分离段设置液相螺纹（外径差 1～1.5mm ），使熔体与未熔固体分离，减少阻燃剂热分解。某型号螺杆应用后，挤出温度波动从± 15^∘C 降至± 5^∘C

4.2 双阶挤出系统

“ 单螺杆熔融 + 双螺杆混炼” 组合可降低 30% 能耗。上海某企业采用此系统生产 125℃辐照交联 WDZ 材料，缺陷率从 3.1% 降至 0.9%

4.3 智能温控技术

多回路 PID 控制模块实现机筒分段精确控温 （±1^∘C ），配合电磁感应加热节能40% 。典型温度设置：见附图（1）

附图（1）

附图（2）典型工艺参数对比

附图（3）工艺优势对比

5. 行业标准与未来发展趋势

5.1 IEC/UL 标准对螺杆设计的强制要求耐腐蚀性：需抵抗氢氧化铝分解产物的酸性腐蚀；可追溯性：螺杆材质需提供RoHS 合规证明 'Cl/Br<900ppm ）。

5.2 技术发展方向

低能耗设计：超高分子量硅酮母粒添加可降低扭矩 15%～20% ；

智能化升级：基于黏度传感器的自适应螺杆转速控制系统正在研发中。

6. 结论

低烟无卤绝缘材料的挤出质量高度依赖螺杆设计与工艺匹配。通过优化压缩比（1.5～2.0：1）、采用屏障型结构、结合智能温控，可显著提升生产效率和产品一致性。未来需进一步开发耐腐蚀涂层与在线监测技术，以满足更严苛的环保标准。

参考文献

[1] 关鹏. 低烟无卤电缆料挤出的探讨. 上海斯瑞聚合体科技， 2017.

[2] 低烟无卤聚烯烃护套料挤出方法分析. 2025.

[3] LSZH 低烟无卤阻燃聚烯烃电缆料性能与应用. 人人文档， 2022