同向嚙合自清潔雙螺桿擠出機(jī)是加工聚合物基材料的首選裆泳，它也同樣可應(yīng)用于化學(xué)、食品以及醫(yī)藥領(lǐng)域柠硕。在幾年前此設(shè)備發(fā)明50周年紀(jì)念的時(shí)候，它被認(rèn)為是一款非常“成熟的”技術(shù)运提，很難再取得一些技術(shù)上的重大發(fā)展和突破蝗柔，但事實(shí)卻恰恰相反。此篇文章會(huì)著重介紹在10到15年間民泵，雙螺桿擠出機(jī)顯著的進(jìn)步和發(fā)展癣丧，包括高扭矩（能量）設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)，同時(shí)更高轉(zhuǎn)速的使用帶來的操作靈活性和產(chǎn)能的提高栈妆，以及最后對(duì)于加工處理低堆積密度物料的工藝突破胁编。
雖然同向旋轉(zhuǎn)雙螺桿設(shè)備的幾個(gè)基本概念在二十世紀(jì)早期就被Wuensche [1]和Easton [2, 3]申請(qǐng)專利，但同向旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)是基于Erdmenger元件剖面自清潔幾何學(xué)原理的鳞尔，此設(shè)計(jì)是目前市場(chǎng)上使用的所有雙螺桿擠出系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)嬉橙。
自清潔剖面元件的初步設(shè)計(jì)和開發(fā)可見于德國專利862,668，此專利于1952年被W. Meskat和R.Erdmenger申請(qǐng)寥假，優(yōu)先期到1944年（沒有美國的專利）市框。那個(gè)時(shí)候此設(shè)計(jì)的目的是混合高粘度的液體，如聚合后反應(yīng)產(chǎn)物糕韧。
上述專利以及相關(guān)的一系列專利（屬于Erdmenger或他在Bayer的某個(gè)同事）枫振，確定了基礎(chǔ)設(shè)計(jì)參數(shù)喻圃，并最后于1950年由Werner和Pfleiderer開發(fā)和商業(yè)運(yùn)用ZSK雙螺桿擠出機(jī)，以及之后50多年出現(xiàn)了很多復(fù)制機(jī)型粪滤。此設(shè)計(jì)的關(guān)鍵特征在于其兩根螺桿的自清潔性能斧拍。它能消除物料在擠出機(jī)工藝段行進(jìn)時(shí)的停滯和可能導(dǎo)致的降解。
自清潔幾何學(xué)螺桿發(fā)明的價(jià)值在于這對(duì)于同向旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出系統(tǒng)來說是一個(gè)基礎(chǔ)專利杖小，而此雙螺桿系統(tǒng)目前被廣泛應(yīng)用于塑料肆汹、食品和化學(xué)領(lǐng)域。（關(guān)于最近的發(fā)展窍侧，請(qǐng)見由Andersen發(fā)表的ANTEC 2009論文[4]和White于1991年發(fā)表的Twin Screw Extrusion [5]县踢。）
自從同向旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出機(jī)基礎(chǔ)理論被提出后，有了一系列技術(shù)上重大的持續(xù)改進(jìn)伟件。包括Bierdel發(fā)明的一系列新的螺桿元件[6]硼啤，有更高自由容積的雙頭剖面元件（最初在Erdmenger專利上使用的是自由容積較低的三頭元件），輸送能量更高效的新的螺桿芯軸斧账，以及最新的工藝應(yīng)用技術(shù)[7]谴返。而其中最重要的一個(gè)步伐是高轉(zhuǎn)速/高扭矩配混技術(shù)基本面的識(shí)別[8]。這是由Heidemeyer于2000年3月28日申請(qǐng)的美國專利6,042,260的基礎(chǔ)咧织。
高扭矩嗓袱，高轉(zhuǎn)速雙螺桿配混技術(shù)
自從第一代高扭矩、高轉(zhuǎn)速ZSK MegaCompounder (Mc)于90年代中期被推出市場(chǎng)以來习绢，新的能量傳輸技術(shù)（傳動(dòng)箱渠抹、芯軸和材質(zhì)）允許在Mc比扭矩11.3的基礎(chǔ)上，額外增加50%升級(jí)到比扭矩為18的Mc18（PVF: Md/a3[Md = 扭矩闪萄，a = 中心距]）梧却。
提高能量傳輸能力的影響在于配混行業(yè)產(chǎn)能（生產(chǎn)率）的顯著提高，更高的效率和系統(tǒng)適應(yīng)度败去。
此項(xiàng)技術(shù)成功的關(guān)鍵在于提高螺桿轉(zhuǎn)速的同時(shí)放航，提高能量（扭矩）傳輸能力。在高速運(yùn)轉(zhuǎn)下的一個(gè)系統(tǒng)在某些點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生足夠額外的能量圆裕，導(dǎo)致所加工物料的降解广鳍。圖1闡明了此點(diǎn)。它表明對(duì)于任何Do/Di（外徑和內(nèi)徑之比）的螺桿吓妆，平均剪切率（能量輸入）會(huì)隨著螺桿轉(zhuǎn)速的提高而線性提高赊时。所以所加工物料的溫度也會(huì)相應(yīng)的提高。但是耿战，由于雙螺桿擠出機(jī)首先是運(yùn)行在一個(gè)饑餓吃料模式之下蛋叼，更高的能量傳輸能力可使物料在擠出機(jī)中能有更高的填充度，所以在同樣轉(zhuǎn)速下有更高的產(chǎn)能。（例如圖1比較了低填充度高點(diǎn)和高填充度低點(diǎn)的情況狈涮。）反過來狐胎，填充度的提高對(duì)降低熔溫也有積極效果。
圖1：Do/Di和RPM對(duì)剪切率的影響
如圖2中螺槽所示歌馍，更多的物料進(jìn)入螺槽的中部握巢，此處螺槽較深（相比于低產(chǎn)能）。它轉(zhuǎn)而使所有物料的平均剪切率下降松却，結(jié)果導(dǎo)致每公斤物料的能量輸入（如總溫度）降低暴浦。所以工藝人員有足夠的彈性來使擠出機(jī)運(yùn)行在更高的轉(zhuǎn)速之下，同時(shí)熔溫不會(huì)超過物料的限定溫度晓锻。例如歌焦，圖3顯示了30%玻纖增強(qiáng)PA6，使用3代ZSK45擠出機(jī)ZSK Mc（比扭矩為11.3）砚哆，ZSK Mc Plus（比扭矩為13.6）和ZSK Mc18（比扭矩為18）的比較独撇。
圖2：填充度對(duì)平均剪切率的影響
在圖3的上部，顯示了3代ZSK的產(chǎn)能和轉(zhuǎn)速關(guān)系躁锁。更高比扭矩（ZSK Mc 18）有最高的產(chǎn)能纷铣。而且，如圖的下部顯示战转，它同樣有著最低的比能耗搜立。從兩個(gè)結(jié)果（更高的產(chǎn)能和更低的SEI）的結(jié)合來看，這個(gè)數(shù)據(jù)顯示了使用最高比扭矩的設(shè)備槐秧，有著雙倍的經(jīng)濟(jì)效益啄踊。第一，從這幾代機(jī)型來看刁标，因?yàn)楦偷腟EI（比能耗 – 同樣也寫作Sme：比機(jī)械能）社痛，更高比扭矩PVF系統(tǒng)有更高的產(chǎn)能，此更高的產(chǎn)能高于比扭矩的提高而導(dǎo)致的線性提高命雀。（在這個(gè)具體例子上，PVF只提高了略高于50%斩箫，但產(chǎn)能提升率則在70-80%吏砂。）產(chǎn)能提升的一般指導(dǎo)在于：現(xiàn)在的產(chǎn)能 = 舊的產(chǎn)能 × （PVF高扭矩/PVF低扭矩） × （SEI低扭矩/SEI高扭矩）。第二乘客，這里還存在一個(gè)額外的每公斤比能耗的節(jié)約狐血。
另外需要額外強(qiáng)調(diào)一個(gè)關(guān)于高扭矩高轉(zhuǎn)速配混擠出機(jī)的要點(diǎn)。這些機(jī)器不須一定要運(yùn)行在最高轉(zhuǎn)速之下易核，即使這個(gè)轉(zhuǎn)速為設(shè)計(jì)下的轉(zhuǎn)速匈织。如圖3所示，產(chǎn)能提高和能耗節(jié)約處于任何一個(gè)轉(zhuǎn)速之下。但是缀匕，這里有另外一個(gè)能耗/轉(zhuǎn)速的協(xié)同作用纳决，有著第二個(gè)產(chǎn)能的非線性提高因素，即生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)學(xué)乡小。
圖3：30%玻纖增強(qiáng)PA6在不同轉(zhuǎn)速下阔加，使用3代ZSK45擠出機(jī)產(chǎn)能和SEI的比較
這種關(guān)系[8]的一個(gè)例子可在圖4中發(fā)現(xiàn)。圖4中顯示3種比扭矩機(jī)型產(chǎn)能對(duì)于螺桿轉(zhuǎn)速的曲線關(guān)系满钟。SEI同樣作為參數(shù)因子胜榔。此數(shù)據(jù)來源于在ZSK 58 Mc (Do/Di = 1.55, torque= 1250 N-m/shaft, PVF = 11.3)上加工ABS 接枝共聚物(Acrylonitrile-Butadiene-Styrene)。69%和90%的2個(gè)曲線比較了在90%扭矩運(yùn)行下在低扭矩機(jī)型ZSK 58 SuperCompounder (Sc) (Do/Di = 1.55, 960 Nm/ shaft, PVF 8.7)和在Mc (1250 N-m/shaft)上的情況湃番。此2款機(jī)型有著30%的扭矩差距夭织。對(duì)于此例，選擇了一個(gè)恒定的轉(zhuǎn)速700rpm吠撮。在69%扭矩曲線上(在960 Nm芯軸擠出機(jī)上90%扭矩運(yùn)行)尊惰，產(chǎn)能在660kg/h，SEI在0.19kw-h/kg纬向，熔溫為290°C择浊。提高產(chǎn)能到90%扭矩曲線，可發(fā)現(xiàn)SEI從0.19降低到0.177kw-h/kg逾条。產(chǎn)能有40%的提高琢岩，到930kg/hr，不僅僅是預(yù)計(jì)的30%的提高师脂。同時(shí)熔溫也降低了15°C到275°C担孔。這尤其有利于熱和剪切敏感物料。它們可以運(yùn)行在高產(chǎn)能之下吃警，同時(shí)有著較低的熔溫糕篇。
圖4：高扭矩的利用率
圖5：高扭矩和高轉(zhuǎn)速的利用率
所以，如果290°C的初始溫度是安全的酌心，那么從圖5可看出高扭矩和高轉(zhuǎn)速結(jié)合的顯著影響拌消。轉(zhuǎn)速提升到1200rpm時(shí)，產(chǎn)量可達(dá)1500kg/hr安券，此時(shí)出口溫度為290°C墩崩，這個(gè)溫度與低扭矩操作系統(tǒng)相同。但產(chǎn)能則從原來的660kg/hr提升了150%多侯勉。
通過產(chǎn)能提高150%多鹦筹，得到的生產(chǎn)率和經(jīng)濟(jì)提升的影響是顯著的。但是址貌，對(duì)尋求安裝新生產(chǎn)線的廠家來說铐拐，這里也有另外一個(gè)潛在選項(xiàng)徘键。如果您不需要1500kg/hr的產(chǎn)能，只需運(yùn)行在原來的660kg/hr遍蟋，那么您可以選擇一款更小的機(jī)型吹害。比如，新的ZSK 45 Mc18匿值，與ZSK 50 Mc相比有著高于10%的功率赠制，與ZSK 50Mc+相比有著略微低的功率，如圖6所示挟憔。但是钟些，正如圖7中顯示的，與更大的機(jī)型相比绊谭，它其實(shí)可以滿足相同的或更高的產(chǎn)能要求政恍。
圖6：ZSK 45 Mc 18和之前幾代更大外徑的ZSK 50擠出機(jī)有效功率的比較
如圖3中顯示，在加工30%玻纖增強(qiáng)PA6的時(shí)候达传，ZSK 45 Mc18可以滿足600kg/hr @ 600 rpm以及970kg/hr @ 1100 rpm的產(chǎn)能篙耗。假定在ZSK 45 Mc Plus上運(yùn)行，SEI為0.18kwh/kg @ 600 rpm以及0.202kwh/kg @ 1100rpm宪赶，那么在更大的機(jī)型ZSK 50 Mc Plus上宗弯，產(chǎn)能約為580kg/hr @ 600rpm，此產(chǎn)能ZSK 45 Mc18就能滿足搂妻。若在ZSK 50 Mc Plus上產(chǎn)能約為950kg/hr蒙保，那么在ZSK 45 Mc18上就能達(dá)到同樣的或略低的產(chǎn)能（如圖7）。
圖7：不同轉(zhuǎn)速下ZSK 45 Mc 18和更大機(jī)型ZSK 50 Mc+產(chǎn)能的比較（30%玻纖增強(qiáng)PA6）
喂料增強(qiáng)技術(shù)（FET）
高扭矩?cái)D出工藝只是一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的技術(shù)欲主，目的是充分利用所有的功率邓厕，達(dá)到工藝的優(yōu)越性。不過扁瓢，很多配混加工包含了低堆積密度的材料详恼，比如非壓縮的亞微粒滑石粉引几。如果不去除這類原料內(nèi)部的大量空氣昧互，則很難將其喂入擠出機(jī)。而且伟桅，堆積密度越小硅堆，原料越容易流態(tài)化，導(dǎo)致密度進(jìn)一步降低贿讹，加劇喂料問題。處理易流態(tài)化原料的常見操作步驟是：從儲(chǔ)存容器運(yùn)送到喂料機(jī)够掠，從喂料機(jī)喂入雙螺桿擠出機(jī)民褂，進(jìn)入擠出機(jī)的喂料輸送段。一些方法可以降低流態(tài)化的傾向，比如從儲(chǔ)料到喂料使用濃相輸送赊堪，擠出機(jī)喂料口高度的最小化面殖，料斗增加排氣口，增加擠出機(jī)喂料段輸送區(qū)的長度哭廉。但這些方法最終都會(huì)因?yàn)轶w積受限脊僚，遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法達(dá)到最經(jīng)濟(jì)的產(chǎn)量。
FET喂料增強(qiáng)技術(shù)在ANTEC2011[9]上已經(jīng)做了詳盡的介紹遵绰，在EUROTEC2011上我們?cè)俅螢榇蠹艺故玖苫稀Ｏ葋砗唵蚊枋鲆幌缕湓怼?/div>
FET的目標(biāo)是針對(duì)難喂料的原料，增加喂料段的進(jìn)料能力椿访。方法就是通過增加物料和筒壁的協(xié)同摩擦系數(shù)乌企，減少或消除筒壁的打滑成玫，改進(jìn)輸送效率加酵。
為提高協(xié)同摩擦系數(shù)，增強(qiáng)輸送效率哭当，我們對(duì)喂料段特殊設(shè)計(jì)的多孔透氣筒壁施加真空（而不是對(duì)原料抽真空）猪腕，讓部分筒壁上附著一層原料。因此這段多孔筒壁上的孔徑與原料粉末粒子的直徑之間的關(guān)系非常重要钦勘。此外陋葡，最佳的真空度取決于粒子的直徑和形狀。如果粒子能夠穿透筒壁上的孔个盆，那么喂料效率就會(huì)降低脖岛。不過，穿透孔洞的粉末粒子也能夠被真空管線的壓力再次吹回颊亮。相比于穿孔粉末帶來的麻煩柴梆，聚合物熔體或者其他液體則更加的關(guān)鍵。這些物料可能覆蓋多孔表面终惑，甚至穿過孔洞绍在，堵塞多孔結(jié)構(gòu)。
圖8描繪了FET的工作原理雹有。通過多孔材料來施加真空偿渡，在聚合物或者填料經(jīng)過FET筒壁段的嵌件時(shí)，周圍的空氣被抽走霸奕。因?yàn)榭諝獗怀橄蚯都锟恚B帶著粒子也向嵌件表面運(yùn)動(dòng)≈仕В空氣能通過孔隙适揉，但粒子不能留攒，于是覆蓋在多孔材料表面。這層粒子嫉嘀，或者稱之為濃縮聚合物粉末形成的濾餅炼邀，能增加筒壁和物料之間的摩擦系數(shù)。旋轉(zhuǎn)的螺桿不斷更新因真空而粘附在筒壁上的物料剪侮。而且拭宁，粉末的密度在通過嵌件之后也增加了。這兩種效應(yīng)的共同作用瓣俯，帶來了更高的輸送效率杰标。
圖8：FET操作原理
通過FET可以增加總體產(chǎn)量[9]，但并不止于此降铸。與之前詳述的高扭矩配混機(jī)型可以提供的優(yōu)勢(shì)類似在旱，F(xiàn)ET能增加高填充聚合物配混線的產(chǎn)能，而其它條件不變推掸，其結(jié)果就是生產(chǎn)單位產(chǎn)品的能耗下降桶蝎。更低的單位能耗又能降低產(chǎn)品的溫度，減少降解谅畅，減少穩(wěn)定劑的消耗登渣。
圖9描繪了這一點(diǎn)。這是用科倍隆最新一代Mc18 ZSK45擠出機(jī)加工40%滑石粉（Luzenac1445）填充PP的數(shù)據(jù)毡泻。如果沒有FET技術(shù)胜茧，擠出機(jī)的高扭矩就無法發(fā)揮。而應(yīng)用了FET技術(shù)之后仇味，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)充分利用了85%的扭矩呻顽，產(chǎn)量增加超過50%，出料溫度顯著下降丹墨。
圖9：改進(jìn)喂料量的影響和物料溫度
總結(jié)
在物料能運(yùn)行在高轉(zhuǎn)速下時(shí)廊遍，可以達(dá)到很高的產(chǎn)能。但是對(duì)絕大多數(shù)系統(tǒng)來說贩挣，對(duì)現(xiàn)有機(jī)器簡單的提升轉(zhuǎn)速不能達(dá)到期望的目的喉前。在產(chǎn)能提升時(shí)，產(chǎn)品性能可能下降到及格線以下王财。但是卵迂，在高扭矩下提高轉(zhuǎn)速，聚合物加工工藝經(jīng)濟(jì)能顯著提升绒净，而不損失產(chǎn)品性能见咒。另外，當(dāng)處理低堆積密度原料遇到困難時(shí)挂疆，F(xiàn)ET可以給予幫助论颅，以充分利用雙螺桿擠出機(jī)的最大能力哎垦。（文章來源于網(wǎng)絡(luò)）
作者
Paul G. Andersen，Coperion Corporation, Ramsey, NJ
Frank Lechner, Coperion GmbH, Stuttgart, Germany
參考文獻(xiàn)
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