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，它也同樣可應(yīng)用于化學(xué)、食品以及醫(yī)藥領(lǐng)域。在幾年前此設(shè)備發(fā)明50周年紀(jì)念的時候，它被認(rèn)為是一款非常“成熟的”技術(shù)，很難再取得一些技術(shù)上的重大發(fā)展和突破，但事實卻恰恰相反。此篇文章會著重介紹在10到15年間，雙螺桿擠出機(jī)顯著的進(jìn)步和發(fā)展，包括高扭矩（能量）設(shè)計的實現(xiàn)，同時更高轉(zhuǎn)速的使用帶來的操作靈活性和產(chǎn)能的提高，以及最后對于加工處理低堆積密度物料的工藝突破。
雖然同向旋轉(zhuǎn)雙螺桿設(shè)備的幾個基本概念在二十世紀(jì)早期就被Wuensche [1]和Easton [2, 3]申請專利，但同向旋轉(zhuǎn)設(shè)計是基于Erdmenger元件剖面自清潔幾何學(xué)原理的，此設(shè)計是目前市場上使用的所有雙螺桿擠出系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)。
自清潔剖面元件的初步設(shè)計和開發(fā)可見于德國專利862,668，此專利于1952年被W. Meskat和R.Erdmenger申請，優(yōu)先期到1944年（沒有美國的專利）。那個時候此設(shè)計的目的是混合高粘度的液體，如聚合后反應(yīng)產(chǎn)物。
上述專利以及相關(guān)的一系列專利（屬于Erdmenger或他在Bayer的某個同事），確定了基礎(chǔ)設(shè)計參數(shù)，并最后于1950年由Werner和Pfleiderer開發(fā)和商業(yè)運用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。此設(shè)計的關(guān)鍵特征在于其兩根螺桿的自清潔性能。它能消除物料在擠出機(jī)工藝段行進(jìn)時的停滯和可能導(dǎo)致的降解。
自清潔幾何學(xué)螺桿發(fā)明的價值在于這對于同向旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出系統(tǒng)來說是一個基礎(chǔ)專利，而此雙螺桿系統(tǒng)目前被廣泛應(yīng)用于塑料、食品和化學(xué)領(lǐng)域。（關(guān)于最近的發(fā)展，請見由Andersen發(fā)表的ANTEC 2009論文[4]和White于1991年發(fā)表的Twin Screw Extrusion [5]。）
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)。包括Bierdel發(fā)明的一系列新的螺桿元件[6]，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，以及最新的工藝應(yīng)用技術(shù)[7]。而其中最重要的一個步伐是高轉(zhuǎn)速/高扭矩配混技術(shù)基本面的識別[8]。這是由Heidemeyer于2000年3月28日申請的美國專利6,042,260的基礎(chǔ)。
高扭矩，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以來，新的能量傳輸技術(shù)（傳動箱、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%升級到比扭矩為18的Mc18（PVF: Md/a3[Md = 扭矩，a = 中心距]）。
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。
此項技術(shù)成功的關(guān)鍵在于提高螺桿轉(zhuǎn)速的同時，提高能量（扭矩）傳輸能力。在高速運轉(zhuǎn)下的一個系統(tǒng)在某些點會產(chǎn)生足夠額外的能量，導(dǎo)致所加工物料的降解。圖1闡明了此點。它表明對于任何Do/Di（外徑和內(nèi)徑之比）的螺桿，平均剪切率（能量輸入）會隨著螺桿轉(zhuǎn)速的提高而線性提高。所以所加工物料的溫度也會相應(yīng)的提高。但是，由于雙螺桿擠出機(jī)首先是運行在一個饑餓吃料模式之下，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和高填充度低點的情況。）反過來，填充度的提高對降低熔溫也有積極效果。
圖1：Do/Di和RPM對剪切率的影響
如圖2中螺槽所示，更多的物料進(jìn)入螺槽的中部，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，結(jié)果導(dǎo)致每公斤物料的能量輸入（如總溫度）降低。所以工藝人員有足夠的彈性來使擠出機(jī)運行在更高的轉(zhuǎn)速之下，同時熔溫不會超過物料的限定溫度。例如，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），ZSK Mc Plus（比扭矩為13.6）和ZSK Mc18（比扭矩為18）的比較。
圖2：填充度對平均剪切率的影響
在圖3的上部，顯示了3代ZSK的產(chǎn)能和轉(zhuǎn)速關(guān)系。更高比扭矩（ZSK Mc 18）有最高的產(chǎn)能。而且，如圖的下部顯示，它同樣有著最低的比能耗。從兩個結(jié)果（更高的產(chǎn)能和更低的SEI）的結(jié)合來看，這個數(shù)據(jù)顯示了使用最高比扭矩的設(shè)備，有著雙倍的經(jīng)濟(jì)效益。第一，從這幾代機(jī)型來看，因為更低的SEI（比能耗 – 同樣也寫作Sme：比機(jī)械能），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。（在這個具體例子上，PVF只提高了略高于50%，但產(chǎn)能提升率則在70-80%。）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，這里還存在一個額外的每公斤比能耗的節(jié)約。
另外需要額外強(qiáng)調(diào)一個關(guān)于高扭矩高轉(zhuǎn)速配混擠出機(jī)的要點。這些機(jī)器不須一定要運行在最高轉(zhuǎn)速之下，即使這個轉(zhuǎn)速為設(shè)計下的轉(zhuǎn)速。如圖3所示，產(chǎn)能提高和能耗節(jié)約處于任何一個轉(zhuǎn)速之下。但是，這里有另外一個能耗/轉(zhuǎn)速的協(xié)同作用，有著第二個產(chǎn)能的非線性提高因素，即生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)學(xué)。
圖3：30%玻纖增強(qiáng)PA6在不同轉(zhuǎn)速下，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)能對于螺桿轉(zhuǎn)速的曲線關(guān)系。SEI同樣作為參數(shù)因子。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個曲線比較了在90%扭矩運行下在低扭矩機(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。此2款機(jī)型有著30%的扭矩差距。對于此例，選擇了一個恒定的轉(zhuǎn)速700rpm。在69%扭矩曲線上(在960 Nm芯軸擠出機(jī)上90%扭矩運行)，產(chǎn)能在660kg/h，SEI在0.19kw-h/kg，熔溫為290°C。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。產(chǎn)能有40%的提高，到930kg/hr，不僅僅是預(yù)計的30%的提高。同時熔溫也降低了15°C到275°C。這尤其有利于熱和剪切敏感物料。它們可以運行在高產(chǎn)能之下，同時有著較低的熔溫。
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，那么從圖5可看出高扭矩和高轉(zhuǎn)速結(jié)合的顯著影響。轉(zhuǎn)速提升到1200rpm時，產(chǎn)量可達(dá)1500kg/hr，此時出口溫度為290°C，這個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。
通過產(chǎn)能提高150%多，得到的生產(chǎn)率和經(jīng)濟(jì)提升的影響是顯著的。但是，對尋求安裝新生產(chǎn)線的廠家來說，這里也有另外一個潛在選項。如果您不需要1500kg/hr的產(chǎn)能，只需運行在原來的660kg/hr，那么您可以選擇一款更小的機(jī)型。比如，新的ZSK 45 Mc18，與ZSK 50 Mc相比有著高于10%的功率，與ZSK 50Mc+相比有著略微低的功率，如圖6所示。但是，正如圖7中顯示的，與更大的機(jī)型相比，它其實可以滿足相同的或更高的產(chǎn)能要求。
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的時候，ZSK 45 Mc18可以滿足600kg/hr @ 600 rpm以及970kg/hr @ 1100 rpm的產(chǎn)能。假定在ZSK 45 Mc Plus上運行，SEI為0.18kwh/kg @ 600 rpm以及0.202kwh/kg @ 1100rpm，那么在更大的機(jī)型ZSK 50 Mc Plus上，產(chǎn)能約為580kg/hr @ 600rpm，此產(chǎn)能ZSK 45 Mc18就能滿足。若在ZSK 50 Mc Plus上產(chǎn)能約為950kg/hr，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）
高扭矩擠出工藝只是一種經(jīng)濟(jì)實用的技術(shù)，目的是充分利用所有的功率，達(dá)到工藝的優(yōu)越性。不過，很多配混加工包含了低堆積密度的材料，比如非壓縮的亞微粒滑石粉。如果不去除這類原料內(nèi)部的大量空氣，則很難將其喂入擠出機(jī)。而且，堆積密度越小，原料越容易流態(tài)化，導(dǎo)致密度進(jìn)一步降低，加劇喂料問題。處理易流態(tài)化原料的常見操作步驟是：從儲存容器運送到喂料機(jī)，從喂料機(jī)喂入雙螺桿擠出機(jī)，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，比如從儲料到喂料使用濃相輸送，擠出機(jī)喂料口高度的最小化，料斗增加排氣口，增加擠出機(jī)喂料段輸送區(qū)的長度。但這些方法最終都會因為體積受限，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，在EUROTEC2011上我們再次為大家展示。先來簡單描述一下其原理。
FET的目標(biāo)是針對難喂料的原料，增加喂料段的進(jìn)料能力。方法就是通過增加物料和筒壁的協(xié)同摩擦系數(shù)，減少或消除筒壁的打滑，改進(jìn)輸送效率。
為提高協(xié)同摩擦系數(shù)，增強(qiáng)輸送效率，我們對喂料段特殊設(shè)計的多孔透氣筒壁施加真空（而不是對原料抽真空），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。此外，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，那么喂料效率就會降低。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。相比于穿孔粉末帶來的麻煩，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，甚至穿過孔洞，堵塞多孔結(jié)構(gòu)。
圖8描繪了FET的工作原理。通過多孔材料來施加真空，在聚合物或者填料經(jīng)過FET筒壁段的嵌件時，周圍的空氣被抽走。因為空氣被抽向嵌件，連帶著粒子也向嵌件表面運動。空氣能通過孔隙，但粒子不能，于是覆蓋在多孔材料表面。這層粒子，或者稱之為濃縮聚合物粉末形成的濾餅，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。而且，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，帶來了更高的輸送效率。
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。與之前詳述的高扭矩配混機(jī)型可以提供的優(yōu)勢類似，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，其結(jié)果就是生產(chǎn)單位產(chǎn)品的能耗下降。更低的單位能耗又能降低產(chǎn)品的溫度，減少降解，減少穩(wěn)定劑的消耗。
圖9描繪了這一點。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)。如果沒有FET技術(shù)，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，系統(tǒng)運行時充分利用了85%的扭矩，產(chǎn)量增加超過50%，出料溫度顯著下降。
圖9：改進(jìn)喂料量的影響和物料溫度
總結(jié)
在物料能運行在高轉(zhuǎn)速下時，可以達(dá)到很高的產(chǎn)能。但是對絕大多數(shù)系統(tǒng)來說，對現(xiàn)有機(jī)器簡單的提升轉(zhuǎn)速不能達(dá)到期望的目的。在產(chǎn)能提升時，產(chǎn)品性能可能下降到及格線以下。但是，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，而不損失產(chǎn)品性能。另外，當(dāng)處理低堆積密度原料遇到困難時，F(xiàn)ET可以給予幫助，以充分利用雙螺桿擠出機(jī)的最大能力。（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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5. J. L.White, Twin Screw Extrusion: Technology and Principles (1991)
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7. P.G.Andersen, Plastics Compounding, D.B. Todd ed., 71-124 (1998)
8. P.G.Andersen, E. Haering, K. Kapfer, SPE-ANTEC Tech. Papers, 43, (1997)
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