混煉技術(shù)及裝備的思考與見解

1、僅供個人參考混煉技術(shù)及裝備的思考與見解隨著經(jīng)濟和科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，社會對高分子材料的品種、性能和質(zhì)量提 出了更高的要求，從而要求有新的混煉技術(shù)和裝備來滿足這個需要。為此，美國、瑞士、日本、德國等發(fā)達國家相繼推出 FCM連續(xù)混煉機、BUSS混煉機、KCK 混煉機、Pomini密煉機和同向平行雙螺桿擠出機等新型混煉裝備。盡管這些混 煉裝備的結(jié)構(gòu)、原理有所不同，但它們都有共同追求的技術(shù)目標(biāo)，即高效、多功 能、經(jīng)濟地完成混煉三要素不同的混煉目的和內(nèi)容，對所需設(shè)備的功能提出了不同的要求。 因此在高聚 物混煉加工技術(shù)領(lǐng)域中，混煉機理、配方及結(jié)構(gòu)形態(tài)的研究，混煉裝備和控制技 術(shù)開發(fā)研究，最佳操作工藝條件的

2、科學(xué)確定三者是有機地結(jié)合在一起的。從高聚物流動和變形的角度分析，提高混煉質(zhì)量應(yīng)從物料在擠出機內(nèi)的滯留時間、剪切 變形、比能、分流數(shù)以及粒束位置變換等五個方面進行考慮。單螺桿擠出機主要用剪切型、分流型、流束位置交換型混合件來完成混合混煉加工，由于每類元件 都不可能同時滿足上述五方面的工作要求，因此提出了開發(fā)特殊形式的高效多功 能螺桿混煉機的任務(wù)。1. 1同向平行雙螺桿混煉擠出機同向平行雙螺桿混煉擠出機由于其優(yōu)異的分散混合及分布混合性能、優(yōu)良的自清功能和靈活多變的積木式結(jié)構(gòu)等特點，一直被作為大型石化企業(yè)下游工序和 制取高分子合金材料的重要裝備， 可以用于4個方面：對含一定水分、溶劑和 單體的物料直

3、接進行清洗、凝固、擠壓、脫水干燥和造粒；對含有各種添加劑 的聚合物進行填充、共混、增強、排氣、脫揮、著色、均化和造粒；對粉沫涂 料、色母料、催化劑、油漆、食品、紙漿等進行分散混合；特種物料的混合與 成型。同向平行雙螺桿混煉擠出機的基本原理是利用 2根互相嚙合的螺桿在機筒 的“今型區(qū)間高速同向旋轉(zhuǎn)，完成對高聚物的輸送、壓縮、塑化、混合、混煉、 填充、排氣、計量和成型等工藝過程。由于它的螺桿螺紋元件和機筒是組合的， 可以根據(jù)功能不同作任意組合，因此該機型的適應(yīng)性強，應(yīng)用面廣，可以完成一 般單螺桿擠出機和其他類型混煉裝備所不能完成的復(fù)雜工藝過程。但是雙螺桿擠出機由于加工機理特殊、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工物料種

4、類繁多，使螺桿、機筒、軸承、 傳動等主要部件比單螺桿擠出機要復(fù)雜得多，因而成本也較昂貴，尤其是螺桿芯軸的強度受到2螺桿中心距的限制，因此不能傳遞過大的扭矩，這些缺點在一定 程度上限制了雙螺桿擠出機的應(yīng)用范圍。國際上生產(chǎn)同向平行雙螺桿擠出機的著名廠家 Werner & Pfeiderer （簡稱 WP）公司自1953年應(yīng)用R. Erdmenger等人成果生產(chǎn)出ZSK系列商用機以來， 根據(jù)各個時期產(chǎn)品的特點將同向平行雙螺桿擠出機的發(fā)展歷程大致分為6個階段。20世紀90年代未研制出來的第6代最新機型，主要特征為超高扭矩、超高 轉(zhuǎn)速、多功能、低能耗和高耐磨。扭矩系數(shù)達到11 MN /m。，比第

5、5代提高了30 %，螺桿最高轉(zhuǎn)速為I 200 r/min，中小型機可達到3 000 r/min。螺桿的最 大長徑比從傳統(tǒng)的1 : 4 8提高到l: 7 2。第6代同向平行雙螺桿擠出機的研究成功，從某一側(cè)面反映了發(fā)達國家的高 聚物混煉加工技術(shù)及其裝備研究領(lǐng)域的最新成就。由于螺桿轉(zhuǎn)速的提高也帶來下列問題：（1）物料在螺桿內(nèi)的停留時間減少，導(dǎo)致混煉不足；（2）高粘度物料容易升溫、易分解；（3）機筒、螺桿易磨損；（4） 輔助機械和連動裝置的速度和精度要求提高； (5) 螺桿要進行優(yōu)化組合； (6)混 煉性能的提高、工藝條件設(shè)定要借助于 CAE 技術(shù)的幫助； (7) 必須采用熔體齒 輪泵擠出機解決高速引

6、起的壓力波動。12 FCM 連續(xù)混煉機FCM 是由美國法雷爾 (Farrel) 公司最早研制成功的連續(xù)混煉機。它克服了密 煉機間歇工作的缺點， 保留了密煉機的優(yōu)異混煉特性， 并使之成為連續(xù)工作的混 煉機。其傳統(tǒng)典型形式是 2 階式，第 1 階是混煉機，第 2 階是單螺桿擠出造粒 機。該機器可以用于對填充高聚物、 未填充高聚物、 增塑高聚物、未增塑高聚物、 熱塑性高分子材料、 橡膠摻混料、 色母料等進行混合， 也可以用于含有揮發(fā)物的 聚烯烴或合成橡膠的混合， 具有能連續(xù)工作、 操作靈活簡便、對工藝的適應(yīng)性強、 維護方便、效率高、產(chǎn)量大，物料質(zhì)量均勻等特點。FCM 連續(xù)混煉機主要由轉(zhuǎn)子和機筒等部分

7、組成。機筒上的混煉腔為 2 個相 互貫通、橫截面為圓形的孔。 轉(zhuǎn)子的工作部分主要由加料段、 混煉段和出料段組 成。混煉段的表面上有 2 段螺紋，與加料段相接的螺紋和與排料段相接的螺紋方 向相反。 前者把物料推向排料段， 而后者則迫使物料向回運動， 混合料在 2 段反 向螺紋的作用下，在混煉室內(nèi)堆積，并被剪切、輥壓、粉碎、熔融和混合，從而 達到所需的均勻程度。 隨著新物料的不斷加入， 已經(jīng)混合好的物料最終被移向出 料段。其中物料在 2 根轉(zhuǎn)子之間的橫向流動起著非常重要的作用。當(dāng)進行混煉時， 轉(zhuǎn)子以其特殊的外型結(jié)構(gòu)， 并以轉(zhuǎn)子翼尖和混煉室壁之間相 對較大的間隙， 在混煉室內(nèi)轉(zhuǎn)動。 原料從加料端加入

8、， 而從可以調(diào)整大小的排料 口處排料，此2個撐子以 4個軸承(每端 2個)來支撐，轉(zhuǎn)子采用 3段式專利設(shè)計， 因此，轉(zhuǎn)子的混煉段可以在不必拆除軸承的情形下移去， 其目的在于容易清潔機 器、清料和必要時的轉(zhuǎn)子變換。 轉(zhuǎn)子的特殊外型使得在排料口處產(chǎn)生極低的壓力， 其優(yōu)點有 2 個： (1)低的壓力表示低的能源使用，意味著能源的節(jié)約；(2) 幾乎沒有軸向推力，故不必使用止推軸承。這種 3 段式轉(zhuǎn)子的設(shè)計，可以減少停車、清車、變換原料的時間，因此可以 大大地提高生產(chǎn)效率。 FCM 連續(xù)混煉機唯一且特殊的轉(zhuǎn)子外型，使原料或填充 劑的加工獲得最高的分散性，填充劑含量可高達 8 0，在某些共混物中的含量 還

9、可以更高。13 往復(fù)式銷釘螺桿擠出機往復(fù)式銷釘螺桿擠出機即布斯連續(xù)混煉機 (簡稱 BUSS 機 )，是生產(chǎn)塑料粉 料和涂料的理想設(shè)備，適用于工程塑料、電線電纜料、軟硬 PVC 、熱固性塑料 以及各種色母料的配混、 造粒和成型， 尤其在加工那些要求混煉質(zhì)量高而又對剪 切和加熱較敏感的物料時， 顯示出低壓力、 低剪切、低溫升和高混煉質(zhì)量的優(yōu)勢。往復(fù)式銷釘螺桿擠出機工作原理與常規(guī)單螺桿擠出機運動特性的區(qū)別在于 其螺桿在旋轉(zhuǎn)的同時， 還按一定的規(guī)律作軸向往復(fù)運動， 這就使物料在螺桿和機 筒中的運動軌跡大為復(fù)雜。 機筒上的銷釘如同一個個強制攪拌器， 它起到對螺棱 的清掃、對物料的輸送、 并進行分布和分散

10、混合的作用。 捏合銷釘和螺桿根徑形 成的剪切區(qū)類似于雙螺桿擠出機的壓延間隙， 這個間隙可以根據(jù)加工工藝的需要 給予適當(dāng)調(diào)整。隨著螺棱的移動，這個間隙存在著一個最大值和最小值。當(dāng)移動螺棱接近最小間隙時， 物料被捏合銷釘擋住， 并在較小的壓力下被拉 伸、切割和剪切，物料在被擠出的過程中頻繁地經(jīng)過銷釘與螺棱側(cè)壁間的間隙， 不斷地被拉伸、 剪切和破碎， 在長徑比為 4 的往復(fù)式銷釘螺桿擠出機中， 物料流 被分流的次數(shù)約為2 . 8X1 014。1 4 串聯(lián)式磨盤螺桿擠出機1 41 特點串聯(lián)式磨盤螺桿擠出機是在端面擠出機和“ T型擠出機的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，具有如下特點： (1)在加料段采用大直徑螺桿，增

11、強了螺桿的剛性和強度， 適用于高扭矩、大功率擠出； (2)采用深槽、大直徑螺桿加料，可大幅度地增加 產(chǎn)量； (3)采用多組磨盤反復(fù)研磨物料，其破碎、分散、剪切、混合和塑化性能 優(yōu)越； (4)采用組合式結(jié)構(gòu)，磨盤和螺紋塊的形狀和組合形式可以多種多樣，適 用范圍廣； (5)采用可調(diào)節(jié)的磨盤間隙，適用于多種物料的加工生產(chǎn)。1 42 應(yīng)用范圍CP J 一 75/135串聯(lián)式磨盤螺桿擠出機，它主要適用于從橡膠、塑料到陶瓷 的各類工業(yè)材料的連續(xù)混煉， 制取其他螺桿擠出機無法加工的特殊高分子合金材 料和高填充的物料。143 串聯(lián)式磨盤螺桿擠出機的混煉機理(1) 磨盤的壓縮與剪切作用 串聯(lián)式磨盤螺桿擠出機的核

12、心部件是多對串聯(lián)在同一根芯軸上的動盤和定盤，其端面形狀有扇形、菊形、臼目型等多種型式。定盤與動盤的間隙依次由高 到低下降。 2 磨盤間的間隙越小，物料所受剪切增大，混合混煉效果變好，但物 料流動阻力增大，擠出量將會下降。串聯(lián)式磨盤螺桿擠出機每一個磨盤的正、 反2個表面都開有一定規(guī)則形狀的 花紋，顯不出凹槽和凸棱。 串聯(lián)式磨盤螺桿擠出機的剪切作用主要發(fā)生在動盤和 定盤凸棱之間的間隙處。(2) 磨盤的置換分配作用當(dāng)動盤轉(zhuǎn)動 300 時，各凹槽內(nèi)的物料被重新分割和置換分配。動盤轉(zhuǎn)動到 600、 900和 1200 時，凹槽的物料被重新分割和置換分配的次數(shù)分別為 22、 23、 24，依次類推。當(dāng)動盤

13、旋轉(zhuǎn)速度為 R 時，單位時間內(nèi)物料所受的累積分割和置 換分配次數(shù)(S)為S=2nX PXR(其中：n為凹槽數(shù)目，P為組合磨盤數(shù)目，R為動 盤轉(zhuǎn)速)。144 串聯(lián)式磨盤螺桿擠出機的設(shè)計原理在串聯(lián)式磨盤螺桿擠出機中， 動盤與定盤內(nèi)物料的流動由 3部分組成： 動 盤的右側(cè)間隙內(nèi)的物料向動盤邊緣作發(fā)散流動； 動盤邊緣處的物料沿該處螺槽 作軸向流動；動盤的左側(cè)間隙內(nèi)的物料向動盤中心作收斂流動。在動盤的2個側(cè)面上，凸棱邊線的傾斜方向與半徑放射方向夾角分別為正”或負”角。當(dāng)夾角為正” a,隨著動盤的旋轉(zhuǎn)，動盤與定盤凸棱邊線的交點d將向外側(cè)移動； 相反，夾角為 負”時，動、定盤凸棱邊線交點o向內(nèi)側(cè)運動?；谏?/p>

14、述工作原 理，在入口側(cè)將各圓盤的凸棱邊線的傾斜角做成正” a，而在出口側(cè)凸棱邊線朝相反方向傾斜， 當(dāng)動盤旋轉(zhuǎn)時， 由喂料段輸送過來的物料通過動盤與定盤之間 的間隙，被 “發(fā)散”輸送到動盤螺旋溝槽的外圓周表面上，而后再被送到動盤的另 一側(cè)面，向磨盤的中心方向作 “收斂”流動，依此類推，在磨盤工作區(qū)內(nèi)形成物料 的發(fā)散軸向輸送 收斂軸向輸送 發(fā)散的循環(huán)移動。在此過程中， 物料受到超強的剪切、破碎作用，并被混煉、熔融和輸送。隨著流動性好的原材料以及新型的連續(xù)加工設(shè)備的采用， 連續(xù)混煉必將開辟 混煉工藝的新領(lǐng)域，連續(xù)混煉設(shè)備必將成為未來煉膠設(shè)備的主要發(fā)展方向之一。 對于連續(xù)混煉設(shè)備的研究， 一方面將繼續(xù)

15、放在粉末化、 造粒技術(shù)上； 另一方面是 考慮研制適合現(xiàn)有大塊物料或高粘度的物料的連續(xù)混煉設(shè)備或部分連續(xù)混煉設(shè) 備，這都將開辟新的混煉領(lǐng)域。 現(xiàn)在我國在連續(xù)混煉方面落后于發(fā)達國家， 需要 我國密煉機生產(chǎn)廠家加緊對連續(xù)混煉技術(shù)方面的開發(fā)和研究。For personal use only in study and research; not for commercial use不得用于商業(yè)用途僅供個人用于學(xué)習(xí)、研究；不得用于商業(yè)用途For personal use only in study and research; not for commercial use.Nur f u r den per

16、s?nlichen f u r Studien, Forschung, zu kommerziellen Zwecken verwendet werden.Pour l ' e tude et la recherche uniquementa des fins personnelles; pasa des fins commerciales.to員bko gA.nrogeHKO TOpMenob3ymm0ai6yHeHuac egoB u HHue肉go 員冶hbiucno 員 B30BaTbCEb KOMMepqeckuxqe 員 ex.以下無正文僅供個人用于學(xué)習(xí)、研究；不得用于商業(yè)用途For personal use only in study and research; not for commercial use.Nur f u r den pers?nlichen f u r Studien