黃元昌 編譯

（全國(guó)橡塑機(jī)械信息中心，北京 100143)

聚合物熔融用同向旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出機(jī)

Co-rotating twin-screw extruder for polymer melting

黃元昌 編譯

（全國(guó)橡塑機(jī)械信息中心，北京 100143)

利用高速攝像機(jī)觀察塑料顆粒在同向旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出機(jī)中塑化區(qū)段的運(yùn)動(dòng)，變形及熔融狀態(tài)，物料顆粒大小，填充系數(shù)、局部壓力、螺桿轉(zhuǎn)速均對(duì)塑化區(qū)段的熔融狀態(tài)產(chǎn)生影響。

同向旋轉(zhuǎn)；雙螺桿擠出機(jī)；熔融狀況；塑化區(qū)

0 前言

（1）對(duì)塑煉中提高產(chǎn)能的挑戰(zhàn)

從提高經(jīng)濟(jì)效益考慮，對(duì)于塑料的塑煉最好采用同向旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出機(jī)。應(yīng)用積木式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理，則機(jī)器可滿足所需的要求，從而使用經(jīng)濟(jì)地加工才能獲得高產(chǎn)。特別是最近幾年來(lái)，通過(guò)傳輸高扭矩和提高轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)擠出機(jī)的高產(chǎn)并增加經(jīng)濟(jì)效益。但僅僅從理論上來(lái)講還不夠，因?yàn)橐环矫嬉紤]到加工溫度的影響，降解聚合物往往經(jīng)受過(guò)熱或停留時(shí)間較長(zhǎng)的影響；而另一方面，要使經(jīng)過(guò)熔融的粒子在塑煉中不致使質(zhì)量變差。因此，不少加工企業(yè)面臨著嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。將所需要的能量通過(guò)有效的加工渠道快速且均勻地進(jìn)入混合物。不難想象，單單通過(guò)增加扭矩和提高轉(zhuǎn)速獲得高產(chǎn)還是不夠的，因?yàn)椴蛔⒅禺a(chǎn)品質(zhì)量是不會(huì)有什么經(jīng)濟(jì)效益的。

（2）技術(shù)狀況

了解擠出機(jī)加工過(guò)程所采用第一批模型，是建立在單螺桿擠出機(jī)的基礎(chǔ)上的，而這些模型又是以螺桿溝槽充滿物料為準(zhǔn)來(lái)設(shè)計(jì)的，并從一個(gè)密切相關(guān)的螺桿堅(jiān)實(shí)固體層出發(fā)考慮，該固體層是通過(guò)由機(jī)筒壁到聚合物的熱傳遞來(lái)進(jìn)行熔融。因此，這些模型歸納為CSM模型（CSM：連續(xù)固體聚合物熔融）。由于單螺桿擠出機(jī)與雙螺桿擠出機(jī)（DSE）之間存在著很大的差別，故表明CSM模型用在雙螺桿擠出機(jī)加工上不大合適。此外，人們對(duì)分散熔融模型（DSM模型/DSM分散的固體熔融）還是很熟悉的。利用這些模型，將造粒的顆粒分散在一種塑料熔體中。在此，塑料通過(guò)由熔體到顆粒的熱傳遞進(jìn)行熔融。DSM模型能較好地調(diào)節(jié)雙螺桿擠出機(jī)（DSE）的加工過(guò)程。并在當(dāng)今已在模擬程序中獲得應(yīng)用。

（3）研究的目的

由于雙螺桿擠出機(jī)有80%以上的能量用于塑化區(qū)段，因此要達(dá)到最佳的塑化效果，則要通過(guò)節(jié)約能源、改進(jìn)物料特性和增加產(chǎn)量，從而來(lái)提高經(jīng)濟(jì)效益。

在本研究中，主要是研究塑化區(qū)段的熔融狀況來(lái)實(shí)現(xiàn)提高雙螺桿擠出機(jī)生產(chǎn)能力的目的。將傳熱、摩擦、塑化及能耗通過(guò)熱傳遞帶入聚合物內(nèi)，這4種機(jī)理導(dǎo)致了溫度的升高，可對(duì)混合物進(jìn)行熔融。而這4種機(jī)理是相互關(guān)聯(lián)的，但在加工過(guò)程中又會(huì)發(fā)生變化。所以，特別要關(guān)注下列有加工參數(shù)，例如，轉(zhuǎn)速、產(chǎn)量、機(jī)筒溫度、螺桿幾何形狀，還有填充系數(shù)、壓力、停留時(shí)間。另外要注意到受物料特性和造粒的幾何形狀的影響。由于熔融機(jī)理的復(fù)雜性，因此要精確評(píng)定所列舉的上述熔融機(jī)理是非常困難的，所以說(shuō)這些熔融機(jī)理要在高效能雙螺桿擠出機(jī)（DSE）中發(fā)揮作用還不夠完善。

為了研究塑化區(qū)段，則開(kāi)發(fā)出一種新式模具，利用該模具在擠出過(guò)程中，能觀察到在塑化區(qū)段內(nèi)一橫斷面。借助于高速攝像機(jī)也能用肉眼觀察到塑料顆粒的運(yùn)動(dòng)、變形及熔融并提供文件。這導(dǎo)致了在高效能雙螺桿擠出機(jī)（DSE）中能較好的了解加工情況。

1 試驗(yàn)裝置

為了進(jìn)行試驗(yàn)，則用Corperion公司生產(chǎn)的ZSK32型雙螺桿擠出機(jī)配有短螺桿，其長(zhǎng)徑比（L/D）為21。同時(shí)，螺桿還設(shè)有輸送元件，在螺桿頂尖上裝有單個(gè)捏合盤（圖1）。而第一壓縮區(qū)段（圖2）和塑化區(qū)段設(shè)置在擠出機(jī)的末端（試驗(yàn)臺(tái)上）。

圖1 擠出機(jī)及螺桿構(gòu)型

圖2 在一臺(tái)雙螺桿擠出機(jī)的楔區(qū)內(nèi)對(duì)塑料顆粒進(jìn)行壓縮

1.1 試驗(yàn)臺(tái)

本試驗(yàn)臺(tái)包括三個(gè)元件，這些元件的功能如下所述（圖3）。

圖3 單個(gè)模具板的CAD圖像

第一塊平板（顆粒取樣）直接固緊在擠出機(jī)上，先拔出銷釘，才能在這里取走物料試樣。

第二塊平板（捏合區(qū)段板）在試驗(yàn)時(shí)，在螺桿的頂尖上定位，并配有捏合元件。在些范圍內(nèi)，首先充滿塑料，再開(kāi)始進(jìn)行熔融。

滑板構(gòu)成了一個(gè)視窗的支柱，而滑板在軌道上滑行并由彈簧和螺母壓緊在捏合區(qū)段板上。這些彈簧給滑板一定的壓緊力并在壓縮區(qū)段/塑化區(qū)段內(nèi)可達(dá)到最大的壓力，一旦滑板提升，則塑料會(huì)由試驗(yàn)臺(tái)跑出來(lái)。

將一塊10 mm厚的PC板作為視窗，根據(jù)需要，在PC板上鉆有兩個(gè)孔（圖4）。只要滑板不提升，則視窗會(huì)阻止顆粒排出。這如同阻止回流的螺桿元件一樣起作用。

這種試驗(yàn)裝置如同以前所提及那樣，能首次觀察雙螺桿擠出機(jī)在楔區(qū)內(nèi)的塑料顆粒輸送狀態(tài)、運(yùn)動(dòng)、變形及熔融，這些試驗(yàn)采用高速照相機(jī)在圖象頻率為3 000 Hz中進(jìn)行的，制圖的時(shí)間間隔大約為5 s（圖5）。在這個(gè)時(shí)間內(nèi)，塑化區(qū)段的操作過(guò)程開(kāi)始，即加料相開(kāi)始直至使物料粒子熔融，而整個(gè)過(guò)程可圓滿用文件打印出來(lái)。

圖4 視窗和螺桿定位

圖5 試驗(yàn)裝置包括照相機(jī)（左），配有模具（右）的擠出機(jī)及在紅色框架內(nèi)聚焦的攝影范圍

允許變化的參數(shù)有：轉(zhuǎn)速、機(jī)筒溫度、捏合盤的構(gòu)型、塑料、造粒的幾何形狀、填充系數(shù)及壓力。而這些參數(shù)在加工時(shí)對(duì)初始的熔融有影響，因此應(yīng)進(jìn)行研究。

2 塑料損耗的差別

2.1 在楔區(qū)內(nèi)塑料損耗

在這些試驗(yàn)中，能觀察到顆粒通過(guò)在楔區(qū)內(nèi)較大的塑性變形進(jìn)行流動(dòng)。在此，顆粒首先在有效齒面與機(jī)筒壁之間夾緊（圖6（a））。隨后進(jìn)行變形，并分配成兩相。在第一相位中，顆粒被壓制，物料在顆粒之間的自由腔室內(nèi)（約40%）被擠壓（圖6（b））。在第二相位中，堅(jiān)實(shí)的體積進(jìn)行嚴(yán)重的變形（圖6（c）），這時(shí)，兩種機(jī)理導(dǎo)致了塑料能量的損耗。

圖6 PP顆粒第一批變形形成的圖象

2.2 有效齒面的壓縮

此外，也要觀察塑料進(jìn)入有效齒面之前捏合塊對(duì)物料進(jìn)行壓縮。同時(shí)，物料在進(jìn)入有效齒面之前，通過(guò)螺桿旋轉(zhuǎn)和塑料在機(jī)筒的摩擦而被壓縮（圖7）。由于摩擦而使塑料產(chǎn)生熱量要消除，因?yàn)橐?guī)定邊緣區(qū)不要有強(qiáng)烈的熱量。而物料在壓制中需要有均勻的熱量。加熱作為堅(jiān)實(shí)物料重要參數(shù)，特別是加熱對(duì)顆粒變形有著極重要的作用。

圖7 PA顆粒在進(jìn)入有效齒面之前的壓縮

3 初始熔融的影響參數(shù)

3.1 顆粒大小

顆粒大小對(duì)熔融有較大的影響，一般來(lái)說(shuō)，小顆粒熔融要比大顆粒慢得多。小顆粒的傾向是，通過(guò)楔區(qū)進(jìn)行浮動(dòng)（圖8）。只有很少的物料進(jìn)行塑性變形，而這樣，耗能很小。相反，較大的顆粒在楔區(qū)內(nèi)被夾緊（圖9），因此，更多的物料要進(jìn)行塑性變形。

在試樣按比例放大中，可以觀察從試驗(yàn)擠出機(jī)到生產(chǎn)設(shè)備的關(guān)系。這樣，能用較大而新的機(jī)器進(jìn)行最佳生產(chǎn)。當(dāng)采用較大機(jī)器加工同一種材料時(shí)，開(kāi)始塑性帶來(lái)的能量要發(fā)生較大的變化。因此，推薦用較小的擠出機(jī)來(lái)加工較小的顆粒。這會(huì)導(dǎo)致簡(jiǎn)化按比例放大過(guò)程。

圖8 較小的顆粒通過(guò)楔區(qū)而無(wú)塑性變形有是“浮動(dòng)”狀態(tài)

圖9 較大顆粒在楔區(qū)被夾緊和變形

3.2 填充系統(tǒng)和局部壓力

對(duì)起始熔融的第二個(gè)重要影響是填充系統(tǒng)和塑化區(qū)段的壓力。隨著填充系統(tǒng)的增加和壓力的增大，則楔區(qū)內(nèi)的物料飄浮很少，而更多的物料是塑性變形（圖10）。當(dāng)填充系數(shù)很小時(shí)，則幾乎不會(huì)產(chǎn)生塑性能量損耗，而這種效應(yīng)在捏合塊之間充滿負(fù)荷時(shí)將大大增強(qiáng)。這樣，僅需要為熔融粒子10~14次變形（符合5~7螺桿旋轉(zhuǎn)次數(shù)）。同時(shí)，另外澄清的問(wèn)題是，快速熔融在高壓下是否歸結(jié)于大量物料的變形或是否連靜壓狀態(tài)和一種較高的摩擦對(duì)這種效應(yīng)也十分有利。

圖10 較高的壓力導(dǎo)致在楔區(qū)更多的變形和損耗

3.3 螺桿轉(zhuǎn)速

試驗(yàn)是在螺桿轉(zhuǎn)速為120 r/min及1 200 r/ min的情況下進(jìn)行的。感到驚訝的是，確定轉(zhuǎn)速對(duì)顆粒熔融無(wú)大的影響。而較高的膨脹率對(duì)于螺桿的每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)能量損耗大小無(wú)影響。

若采用塑料粉末（其直徑為0.1 mm）進(jìn)行試驗(yàn)，則可用凝集的炭黑粒子來(lái)取代，另外，可以掌握兩者的重要差別。當(dāng)采用較低的轉(zhuǎn)速（120 r/min）時(shí)，則炭黑凝集體不會(huì)受到破壞（圖11（a））。即使產(chǎn)生摩擦或塑料出現(xiàn)變形，也不會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p耗。當(dāng)使用較高的轉(zhuǎn)速（1 200 r/ min）時(shí)，則人們能夠觀察到，物料從輸送區(qū)段到塑化區(qū)段出現(xiàn)強(qiáng)烈的變色（圖11（b））。若要使炭黑凝集體受到較大的破壞的話，則要通過(guò)相對(duì)較高的速度在輸送區(qū)段提高摩擦來(lái)完成。炭黑粉末在塑化區(qū)段轉(zhuǎn)速只有很少幾轉(zhuǎn)使顏色呈黑色并開(kāi)始進(jìn)行熔融。通過(guò)試驗(yàn)表明，對(duì)于測(cè)試的顆粒所損耗的能量總是很少，而采用粉末進(jìn)行試驗(yàn)也不會(huì)出現(xiàn)塑料變形。

圖11 粉末在壓縮區(qū)段的性能

4 在進(jìn)一步加工中塑料熔融特性

根據(jù)試驗(yàn)情況，在初始熔融后，可以繼續(xù)觀察加工過(guò)程。通過(guò)螺桿的擠壓和在楔區(qū)的變形，則使經(jīng)過(guò)熔融的物料類似于CSM模式一樣出現(xiàn)透明區(qū)。只有在較低的轉(zhuǎn)速情況下，這些透明范圍才增大，直至材料均勻透明（圖12）。

對(duì)于熔融過(guò)程還可以進(jìn)行精確研究。而未經(jīng)過(guò)熔融的顆粒被來(lái)自己熔融的物料的矩陣所包圍。從圖13中，人們能很好的了解塑煉盤的對(duì)比度。而這部分被熔融的物料如同一塊固體一樣。而物料則通過(guò)擠出機(jī)的螺桿往前移動(dòng)。但幾乎看不到泄漏情況。

圖12 PP材料的連續(xù)熔融

圖13 從聚丙烯（PP）達(dá)到DSM模式有效的熔融

編譯自《GAK》Nr.8/2013

(XS-04)

TQ320.663

1009-797X(2015)08-0045-05

B

10.13520/j.cnki.rpte.2015.08.008

黃元昌（1939-），男，參與主編《國(guó)外橡膠機(jī)械》一書(shū)，榮獲“機(jī)械工業(yè)部科技成果二等獎(jiǎng)”，長(zhǎng)期從事橡塑行業(yè)信息工作，已發(fā)表論文多篇。

2014-03-14