-轉(zhuǎn)自鏈塑網(wǎng) 

同向嚙合的雙螺桿擠出機(jī) (TSE) 是共混行業(yè)最普遍的、用于連續(xù)混合聚合物與添加劑和填料的設(shè)備。許多使用非典型活性成分的配方也在這種類(lèi)型的機(jī)器上加工。

雙螺桿是強(qiáng)大的能量輸入裝置，能量主要來(lái)自電機(jī)

但我們必須注意的是，暴露在高剪切力和高溫下的材料非常容易發(fā)生降解，因此幾乎每一種產(chǎn)品都受益于戰(zhàn)略性地管理如何將剪切力（和能量）傳遞到正在加工的材料中，并通過(guò)由此產(chǎn)生的熔體溫度進(jìn)行測(cè)量。

管理和控制熔體溫度的因素很多。在本文中，將重點(diǎn)介紹外徑/內(nèi)徑比、螺桿中的熔化區(qū)和前端設(shè)計(jì)。

01

雙螺桿擠出機(jī)熔融理論與設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

TSE會(huì)使用組裝高扭矩花鍵軸的分段螺桿，機(jī)筒也是模塊化的，并利用液體冷卻。電機(jī)通過(guò)旋轉(zhuǎn)螺桿輸入能量，將計(jì)量材料送入雙螺桿工藝部分，螺桿的轉(zhuǎn)速是獨(dú)立的，并設(shè)置為優(yōu)化加工效率的模式。分段式螺桿和機(jī)筒結(jié)合同向旋轉(zhuǎn)螺桿的受控泵送和自摩擦特性，使螺桿/機(jī)筒的幾何形狀與工藝任務(wù)相匹配。固體輸送和熔化發(fā)生在工藝段的第一部分。接下來(lái)是用于混合和脫揮發(fā)分的螺紋元件。

工藝段中的自由體積與外徑/內(nèi)徑比有關(guān)，外徑/內(nèi)徑比定義為每個(gè)螺桿的外徑 (OD) 除以?xún)?nèi)徑 (ID)。更深的螺紋會(huì)導(dǎo)致更多的自由體積和更低的平均剪切率，但扭矩更小，因?yàn)槁輻U軸直徑會(huì)更小。

采用不對(duì)稱(chēng)花鍵軸設(shè)計(jì)的同向旋轉(zhuǎn)雙螺桿元件

非對(duì)稱(chēng)花鍵軸設(shè)計(jì)能提供最佳的動(dòng)力傳輸效率，因此較小的軸直徑可以傳輸比其他方式更高的扭矩。這是通過(guò)隔離由電機(jī)從軸傳遞到螺桿的切向力矢量來(lái)實(shí)現(xiàn)的。事實(shí)證明，更高扭矩、更低平均剪切力和更大外徑/內(nèi)徑比的組合對(duì)許多工藝都有益。

02

實(shí)驗(yàn)結(jié)論

比較1.5/1OD/ID和1.66/1模型TSE生成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（如下圖）。工藝部分是可互換的，并與同一個(gè)變速箱配合使用。初始測(cè)試是使用純樹(shù)脂進(jìn)行的，該樹(shù)脂具有40:1L/D工藝段和40馬力電機(jī)。

在ZSE-27 HP（27毫米直徑螺桿，1.5/1外徑/內(nèi)徑比）和 ZSE-27MAXX（28.3毫米，1.66/1外徑/ID）。在每種情況下，速率限制因素是體積進(jìn)料能力。對(duì)于1.66/1 OD/ID比率（即使在更高的吞吐率下），熔體溫度較低，因?yàn)槊抗锛庸さ谋饶芰枯斎?kWh)較低，并且與深飛行1.66/1 OD相關(guān)的混合效果更溫和/ID螺桿幾何形狀。

MFI為12的LDPE粉末原料在ZSE-27 HP（27 毫米直徑螺桿，1.5/1外徑/內(nèi)徑比）和ZSE-27 MAXX（28.3 毫米螺桿，1.66/1外徑/內(nèi)徑比）上進(jìn)行加工。在每種情況下，速率限制因素是體積進(jìn)料能力。1.66/1的外徑/內(nèi)徑比可以在遇到進(jìn)料限制之前將更多的材料送入進(jìn)料喉?？蓪?shí)現(xiàn)的進(jìn)料速率增加約20%，與更高OD/ID比相關(guān)的自由體積增加相當(dāng)。在較高的螺桿轉(zhuǎn)速（大于800）下，百分比增加并不明顯，因?yàn)檩^高的螺桿尖端速度似乎具有某種程度抑制進(jìn)料的“螺旋槳”效應(yīng)。

對(duì)于1.66/1 OD/ID比率（即使在較高的吞吐率下），相應(yīng)的熔體溫度較低，這是因?yàn)槊抗锛庸さ谋饶芰枯斎?(kWh) 更低，以及與深飛1.66/1 OD/ID螺旋幾何結(jié)構(gòu)相關(guān)的較溫和的混合效果。

另外在ZSE-27 MAXX (1.66 OD/ID) 上進(jìn)行了一系列額外的實(shí)驗(yàn)，以比較不同熔化區(qū)螺桿配置（見(jiàn)下圖）與2MFI PP顆粒樹(shù)脂的熔化溫度。將在筒3位置 (12L/D) 完成熔化的“積極”熔化區(qū)與在筒4位置(16 L/D) 完成熔化的“擴(kuò)展”熔化區(qū)進(jìn)行比較。熔化后使用單個(gè)捏合塊組，試圖隔離和比較不同的熔化區(qū)配置和產(chǎn)生的熔化溫度。實(shí)驗(yàn)中我們使用低壓卸料模頭，可將壓力對(duì)熔體溫度的影響降至最低，還使用了齊平式和浸入式熔體溫度探頭。測(cè)試以不同的速率和螺桿轉(zhuǎn)速進(jìn)行。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是在ZSE 27 MAXX雙螺桿擠出機(jī)上收集的（28.3毫米螺桿，1.66/1外徑/內(nèi)徑比）。加工了2 MFI PE顆粒樹(shù)脂，優(yōu)化了溫度曲線(xiàn)，并測(cè)試了各種螺桿速度。在每種情況下，積極設(shè)計(jì)的熔體溫度都比擴(kuò)展熔區(qū)設(shè)計(jì)高得多。

積極的熔化區(qū)設(shè)計(jì)利用中性/寬盤(pán)捏合塊元件和反向元件來(lái)通過(guò)筒區(qū)3 實(shí)現(xiàn)聚合物的完全熔化。積極熔化區(qū)的目標(biāo)可能是指定更短的 L/D，或者為額外的單元操作（即側(cè)喂料、混合或脫揮發(fā)分）騰出工藝后半部分的空間。

相比之下，加長(zhǎng)螺桿設(shè)計(jì)采用窄盤(pán)捏合塊元件，向聚合物輸入的剪切應(yīng)力強(qiáng)度較低，這導(dǎo)致聚合物的熔化更加緩慢。擴(kuò)展熔化區(qū)的目的是降低被加工材料的熔化溫度和剪切應(yīng)力暴露。熔化后，將單個(gè)捏合塊部分集成到螺桿設(shè)計(jì)中，以最大限度地減少混合過(guò)程中固有的升溫。

實(shí)驗(yàn)還優(yōu)化了溫度曲線(xiàn)并測(cè)試了各種螺桿轉(zhuǎn)速。隨附的熔化溫度圖表中的數(shù)據(jù)是使用手持式浸入式探頭獲得的。

在每種情況下，積極設(shè)計(jì)的熔體溫度（10℃至 30℃）都比擴(kuò)展熔區(qū)設(shè)計(jì)高得多。值得注意的是，浸入式探頭測(cè)得的溫度（有時(shí) 20℃到 40℃以上）明顯高于沖洗式熔體探頭。很明顯，當(dāng)熔體探針未完全浸入聚合物熔體時(shí)，熔體溫度讀數(shù)會(huì)受到金屬適配器設(shè)定點(diǎn)的影響——低于實(shí)際值，而且不準(zhǔn)確。

通過(guò)以85%的操作扭矩為目標(biāo)并增加速率直到達(dá)到該閾值，這兩種設(shè)計(jì)可達(dá)到的速率也最大化。擴(kuò)展的熔化區(qū)設(shè)計(jì)導(dǎo)致比積極的螺桿設(shè)計(jì)更高的生產(chǎn)率和更低的熔體溫度。比較兩個(gè)熔化區(qū)（積極和擴(kuò)展）表明，與擴(kuò)展熔化區(qū)相比，積極熔化區(qū)導(dǎo)致顯著的溫度升高和較低的可達(dá)到生產(chǎn)率。積極性螺桿設(shè)計(jì)固有的較高溫度也會(huì)導(dǎo)致顯著的降解，如螺桿轉(zhuǎn)速升高時(shí)冒煙和變色所表明的那樣。

03

影響熔體溫度的其他因素

熔煉區(qū)的螺桿設(shè)計(jì)直接影響熔體溫度，意義重大。該區(qū)域的溫度設(shè)定點(diǎn)也將影響熔體溫度，也許與直覺(jué)相反，較高的設(shè)定點(diǎn)通常會(huì)導(dǎo)致較低的熔體溫度。因此，在這項(xiàng)研究中，選擇了相反的溫度曲線(xiàn)（在工藝的第一部分設(shè)置更高的溫度）來(lái)減少與熔化區(qū)相關(guān)的熔體溫度升高。

除了熔化之外，顯然還必須將螺桿設(shè)計(jì)成熔化和混合而不會(huì)引起過(guò)度的剪切。使用寬大的捏合塊和反向元件進(jìn)行混合將導(dǎo)致更多的能量被傳遞到過(guò)程中并進(jìn)一步提高熔體溫度，這是在設(shè)計(jì)螺桿時(shí)必須考慮的。

通常被忽視的是，TSE 擠出處產(chǎn)生的壓力也會(huì)增加熔體溫度。前端限制越多，壓力和相應(yīng)的熔體溫度就越高。與前端設(shè)計(jì)相關(guān)的溫升可以估算如下：

? T (C) = ? P (bar) ÷ 2

? T = 溫度變化 (C)

? P = 壓力變化 (1 bar = 14.503 psi)

例如，如果TSE的加工速度為500 kg/hr，模具壓力為40 bar (580 psi)，則相關(guān)的熔體溫度升高可能為 20℃(ΔT = 40÷2)。

該公式即使不一定準(zhǔn)確，也應(yīng)該是有見(jiàn)地的，因?yàn)?/span>螺桿轉(zhuǎn)速、出料螺桿元件的幾何形狀、溫度設(shè)定點(diǎn)和配方粘度都是最終熔體溫度的影響因素。關(guān)鍵是在管理同向雙螺桿擠出機(jī)中的熔體溫度時(shí)必須考慮前端設(shè)計(jì)。