了解同向双螺杆挤出机结构、性能、挤出过程、
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同向双螺杆挤出机也即啮合型同向旋转平行双螺杆挤出机,是双螺杆挤出机主要类型之一。如:Coperion公司、Leistritz公司以及Krauss Maffei Berstorff公司的技术发展备受关注。
啮合同向旋转双螺杆挤出机具有输送效率高、分散混合能力强、自洁性能好、物料在机内停留时间分布均匀和良好的适应性等优点,广泛应用于不同塑料之间、塑料与橡胶之间的共混改性,各种添加剂与塑料共混、玻璃纤维、碳纤维增强塑料等等,是聚合物改性连续混合设备之首选。
同向双螺杆挤出机由挤压系统、加料系统、传动系统、加热冷却系统和控制系统等主要部分组成。
同向双螺杆挤出机最显著的特点是螺杆和机筒都采用“积木式”设计。螺杆由套装在芯轴上的若干元件组成,如螺纹元件、捏合块、齿形混合盘、挡环等;机筒也是由不同机筒段(全封闭、带排气口、带加料口)组成。
根据特定的物料、配方和将要制备混合物性能的要求,通过科学组合,将不同类型、不同数目的螺杆元件和机筒元件按一定顺序组合起来,从而高效地完成设定的混合任务。并通过改变螺杆和机筒组合顺序,实现对不同物料、配方的最佳使用效果,达到一机多用、一机多能的目的。
此外,积木式设计的另一优点是可以局部更换磨损了的螺纹元件和机筒元件,避免了整个螺杆或筒体的报废,大大降低了维修成本。
模块化设计的机筒,可以通过法兰或拉杆连接,通常小型机采用拉杆连接。机筒通常嵌入双金属衬套以提高机筒内表面的耐磨性能。为实现精确的温度历程,每个机筒上都有单独的加热/冷却设计,从而实现冷却与加热功能的最佳组合。
通过组合各种螺纹元件,所有同向双螺杆挤出机都有加料、熔融、混合、排气、建压和输送功能,实现物料的输送、塑化、剪切、排气、建压以及挤出等各种工艺过程。
同向双螺杆挤出机的结构和功能与单螺杆挤出机很相似,但在工作原理上存在着很大的差异。主要表现在以下几个方面:
啮合同向旋转双螺杆,在啮合处两根螺杆运动速度方向相反,一根螺杆要把物料拉入啮合间隙,而另一根螺杆把物料从间隙中推出,结果使物料从一根螺杆螺槽转到另一根螺杆螺槽中,物料沿着螺杆呈“∞”形向机头方向被强制输送。
同向旋转双螺杆在啮合处间隙很小,螺棱和螺槽的速度方向相反,相对速度大,因此啮合区具有很高的剪切速度,剪切力很大,混炼效果远好于单螺杆挤出机和异向旋转双螺杆挤出机。
同向旋转双螺杆挤出机,由于啮合区螺棱和螺槽的速度方向相反,相对速度大,因此具有相当高的剪切速度,能刮去粘附在螺杆上的任何积料,有非常好的自洁作用,从而使物料的停留时间很短,不易产生局部降解变质。
螺杆间隙的大小对物料塑化质量影响很大。间隙越小,剪切力越大,但通过的物料量减少;间隙越大,通过的物料量增加,但剪切力减小。
由于是饥饿喂料,可以采用大导程的螺纹输送元件,使螺槽处于未充满状态而处于零压力状态,从而可以设置出排气段。
提高生产效率是同向双螺杆挤出机的开发研制的重要目标,它可以通过提高螺杆转速、增强塑化和混合能力等途径来实现。在相同螺杆转速下,增大物料在螺槽中的充满程度可使输送量大幅度增加。由于螺槽充满程度变大,使得螺槽中物料承受的剪切作用降低,从而可以进一步提高螺杆转速而不致于使物料温度升得过高发生降解,因而能在保证产品质量的同时,使挤出机的生产能力得到进一步提高。与此相应的要求螺杆的塑化和混合能力也随之增大,这就要求螺杆能够承受更大的扭矩。在高的螺杆转速下,物料在挤出机内的停留时间减少,有可能使物料塑化熔融、混炼不够充分。为此,需要适当增加螺杆长度,这些又必然导致双螺杆挤出机实际承载扭矩和功率的增加。所有这些技术参数都是相互关联着的。
而大的驱动功率、高的螺杆转速、进行超高扭矩挤出一直是同向双螺杆挤出机从业人员追求的目标。对于积木式双螺杆挤出机来说,两螺杆的中心距是确定的,其产量通常受到输送能力和螺杆芯轴所能承受的许用扭矩限制,为此,积木式同向旋转双螺杆挤出机的开发者R.Erdmenger采用两个参数来评价同向双螺杆挤出机的性能。
啮合比,即螺杆外径Ds与螺杆根径Dr之比,用来表征螺纹元件自由容积的大小。啮合比越大,螺纹元件的自由容积越大。
输送能力是螺槽自由容积、物料松密度、螺杆转速以及输送效率的函数,因而为了得到高的输送能力,就需要增大螺槽自由容积的螺纹元件,在一般情况下可通过加大螺杆外径Ds,同时减小螺杆根径Dr,即增加槽深或加大啮合比Ds/Dr得到。啮合比决定了螺槽的自由容积,是影响双螺杆生产效率的一个重要因素。在加料段、熔体输送段、建压段以及脱挥段,螺纹元件具有大的自由容积是非常必要的,对于入口物料松密度非常低的情况,在加料段有足够大的自由容积对于提高挤出机生产能力来说更是如此。
扭矩系数KM可定义为螺杆承受的扭矩除以中心距的立方,即T/a3,单位Nm/cm3,用来衡量双螺杆挤出机承载能力,既考虑主机驱动功率的影响,也考虑螺杆转速和螺槽深度(或中心距)的影响。扭矩系数越大,螺杆抗扭强度越高,挤出机的承载能力就越大。最初扭矩系数受限于齿轮箱,其值为3.5~6 Nm/cm3。
挤出过程中,物料的压缩、塑化、混合、熔融、输送所需能量是由螺杆芯轴将螺杆驱动扭矩传递给螺纹元件的。因此要提高许用扭矩,就需要提高螺杆芯轴的抗扭强度,加大芯轴直径,这又导致螺杆根径增大,在确定中心距下使螺杆外径和螺槽深度减小,螺槽自由容积也随之减少,限制了输送能力的提高。
为了提高生产效率,则需要解决这一矛盾。各厂家一方面研究新的材质、更新机械加工工艺以及齿轮箱设计,强化螺杆芯轴和螺纹元件的强度,使挤出机的扭矩系数得以显著提高,另一方面对螺槽几何造型以及螺杆轴连接形式进行深入研究,使其能够提供大的螺槽容积并承受高的扭矩和转速。近年来,Leistritz公司采用新型芯轴,MaXX轴,采用非对称花键消除径向力,使啮合比可达到1.66,扭矩系数达到15Nm/cm3,这意味着更高的能量效率,挤出机承载能力极大提高。
关于啮合比和扭矩系数,可以用Coperion公司和Leistritz公司的产品发展过程来窥见其变化。Coperion公司第一、二阶段的产品,螺杆形状为三头螺纹,螺槽浅,啮合比为1.22,自由容积小、输送能力低,但流路多、混炼性能好。第二阶段比第一阶段的许用扭矩大,扭矩系数由3.7~3.9增加到4.7~5.5;第三代的螺杆形状主要为两头螺纹,螺槽加深,啮合比为1.44、自由容积大、剪切速率减小,混炼性能稍有下降,但螺杆输送能力提高,最高螺杆转速为300r/min;第四代的螺杆形状为两头或三头螺纹,螺杆结构更为紧凑;第五代产品,螺杆形状为两头螺纹,螺槽继续加深,啮合比为1.55,自由容积增加,许用扭矩继续加大,扭矩系数增至8.7,最高螺杆转速提高到600r/min以上;第六代双螺杆挤出机,扭矩系数为11.3,与第五代相比,扭矩提高了30%,最高螺杆转速达到1200r/min,螺槽继续加深,啮合比达到1.74,产量大幅度提高。现今销售的ZSKMv Plus系列,啮合比达1.8,设计转速1800r/min,但扭矩系数仍为11.3。其高扭矩产品ZSKMC18系列,扭矩系数高达18Nm/cm3,产量和扭矩系数都较上一代产品提高了30%,但啮合比采用的是高扭矩常用的1.55。图6是Leistritz公司产品系列的自由容积和扭矩系数的变化。
同向旋转双螺杆挤出机,广泛用于聚合物的物理改性:共混、填充和纤维增强,配料或混炼,也可用于成型制品挤出。其许用剪切速率在60~1401/s左右,螺杆线速度在30~50m/min,最大可达160m/min。高速啮合型同向双螺杆挤出机常用于物料的配混和作为连续化学反应挤出及排气操作,这类挤出机的转速范围在300~1800r/min。此外,双螺杆挤出机喂料特性好,适用于粉料加工,且比单螺杆挤出机有更好的混炼、排气、反应和自洁功能,加工热稳定性差的塑料和共混料时更显示出其优越性。通过螺杆元件不同形式的组合,按积木形式设计的具有排气功能的同向旋转双螺杆挤出机可以在以下方面得到应用。
塑料颗粒与高比例添加剂组成的混合物即为母料。添加剂包括颜料、填料和功能性添加剂,通常为粉状料且容易结块。双螺杆挤出机是母料生产线的关键设备,用于聚合物基体内添加剂的均质化和分散混合。
提供基体与添加剂、填料、加强料之间的最佳混合性能。玻璃纤维是最主要的强化材料,但其他纤维同样能够与聚合物载体结合。通过添加纤维与聚合物结合,可以获得高强度与高耐冲击性能的材料,同时还能减重减成本。
由于两根螺杆的相互啮合,在啮合处对物料的剪切过程使物料的表层得到不断的更新,增进了排气效果,从而使同向双螺杆挤出机比排气单螺杆挤出机具有更好的排气性能。在排气段采用大导程的螺纹输送元件,与第一计量段之间通常用环坝或反螺纹元件建压。越过环坝的熔体进入排气段,压力释放,挥发分得以逸出。由于同向双螺杆挤出机其螺槽纵向敞开,因而第二计量段中未充满区域都将参加脱挥。采用多口排气设计的同向旋转双螺杆挤出机可很好适用于EVA树脂脱水、PMMA本体连续聚合及分离单体、PC脱溶剂等工艺。这种设计的机型如与预聚釜相连,可用于高聚物的加聚、缩聚反挤出机应,解决高粘度熔体在聚合反应过程中的搅拌、传热等难题。
反应挤出即单体在挤出过程中进行键和的特殊工艺。同向双螺杆挤出机由于其优异的混合性能,非常适于进行反应挤出。将液体原料按一定配比加入双螺杆挤出机中,在混合和啮合作用下发生聚合反应,多余的反应热通过机筒散出。在出口处通常采用齿轮泵将产品直接输入到水环造粒机中造粒。
几乎95%的同向旋转双螺杆挤出机都是用于混合、脱挥、反应挤出等最后粒状产品的生产,对于产品尺寸稳定性要求不高,但同向双螺杆挤出机也能将混合与挤出成型相结合,通过使用特定的机头与合适的下游设备,以更高效的方式生产成品,可生产薄膜、板材、管道等等。直接挤出可以省去冷却造粒以及再加热熔融步骤,物料承受更少的热应力和剪切应力,整个工艺可以节省能源,而且可以很方便地调整配方,已经在PE、TPE/TPO/TPV、PVB、木纤维复合物、发泡制品、尼龙和可降解塑料生产中有应用。通常增设一个齿轮泵减少压力波动,以为机头提供稳定压力的物料。
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