双螺杆挤出机毕业小论文

1．前言
1.1研究目的
啮合同向双螺杆挤出机是应用最广泛的聚合物加工设备之一,由于其具有优异的混合性能,很强的适应性及良好的自洁性能而被广泛应用于聚合物的物理改性———共混、填充,增强及成型制品[1 ] 。

为了适应各种聚合物材料的加工要求并解决混炼过程中存在的问题,近年来世界著名的同向双螺杆挤出机厂家和双螺杆挤出机研究者们对其挤出系统中的混炼元件进行了重点的研究并开发出了一些典型的新型混炼元件。

如德国WP 公司开发出的具有特殊几何形状的RGS 元件、L GS 元件、Schaufel 元件和美国Far2rel 公司开发出的FAMME 混炼元件[2 ] 。

本研究小组的金月富设计了一种新型元件———S 型元件[3 ] ,这种元件借鉴了FAMME 的设计思路,即采用了FAMME 大的螺棱间隙、小螺棱夹角,引入了双楔形区(螺棱拖曳面和机筒内壁之间的楔形区、啮合区内两螺棱之间的楔形区) 内的拉伸流动和螺槽区内物料松弛等概念,从而设计出一种端面形状类似于英文字母S 的元件。

这种设计加大了螺杆与机筒之间的间隙,增加了物料在挤出机流道内的周向流动和轴向回流,使两螺杆间和相邻两螺槽间的物料产生混合;由于物料在流动过程中通过两个楔形区,便受到剪切和拉伸作用;在相对低压区(松弛区) 物料产生松弛,这也有利于混合。

在本研究小组曾分别对S 型元件和捏合块元件流场的理论分析及实验研究的基础上[4 、5 ] ,本文拟对S 型元件和捏合盘块的流场分别进行数值模拟,以分析和比较两种元件的输送特性和混合能力,以供选择使用。

1.2 前人工作
四十多年来，化工机械及自动化研究设计院在科研开发中取得了在科研开发过程中取得了丰硕的科研成果，共获重大科技成果346项，其中获全国科学大会奖、国家发明奖和国家科技进步奖19项。

获部、省级科技进步奖61项。

获国内专利授权16项、获美国专利1项。

于1965年兰泰公司作为化工部化工机械及自动化研究设计院的下属科研生产机构，承担国家大型技术攻关项目的科研主体，即开始从事同向双螺杆挤出机的研究开发工作，是国内同行业历史最悠久、专业最齐全，技术积累最雄厚，研究开发实力最强的科研制造实体。

国内大部分生产厂家生产制造的同向双螺杆挤出机基本都是前期由兰泰转让（或扩散）技术的基础上逐步形成的。

兰泰公司在塑料改性领域，历经数十年的科学研究，积累了的理论技术和实际经验，可为客户在设备配置、产品配方及加工工艺等方面提供可靠的、全方位的技术支持。

运用独有的计算机优化设计程序，对螺杆元件结构及牙形曲线进行优化设计，并全部由专用工装及专业设备加工制造，从技术到产品均代表着目前国内螺杆设计和制造的最高水平。

独特的牙形修正技术，可严格保证螺杆具有良好的塑化混合效果及自清理能力。

并可根据工艺要求配置不同，备有截面不同，形状、品种繁多，作用各异的输送混炼元件，以满足各类塑料改性作业的不同需要。

同向双螺杆挤出机的传动系统，在强度计算和结构设计、原材料选用、热处理工艺、性能检测等方面，经过三十余年不断研究改进，已经日趋完善。

兰泰公司的最新科研成果之一“塑料挤出机主机耐磨强化技术开发及进口设备备件国产化研制”已于1998年通过国家科学技术委员会技术鉴定，应用该技术开发的产品“新型高强度耐磨、耐腐蚀螺杆元件和双金属衬套”已在其增强型同向双螺杆挤出机中得到成功应用，处于国内领先地位，该产品用于各类改性作业，尤其是用于强磨损、强腐蚀作业时，其使用寿命明显高于优质氮化钢和高速工具钢。

2000年，高扭矩、高性能（280kw,500r/min）SHJ-92挤出机的研制，为国内同期配置水平最高；大长径比SHJ-58/120双阶机组的研制；剖分式SHJ-78热固性环氧电封料混炼挤出机的研制；SHJ68B热溶胶旋转滚刀切粒、粒水分离装置开发研制。

负责行业标准《同向双螺杆塑料挤出机》的重新修订；
研制成功滚刀式切粒装置，应用于热熔胶的混炼挤出切粒。

在同行业率先通过ISO9001国际质量体系认证，SHJ系列产品被江苏省质量管理协会评价为“江苏市场用户满意产品”。

率先在国内研制开发成功用于热固性塑料生产的SHJ-78、SHJ-92、SHJ-132剖分式双螺杆挤出机，填补了我国热固性塑料领域双螺杆挤出机的空白。

填塞式强制加料系统研制成功，并在双螺杆热固性挤出机上获得成功应用。

2001年，开发出高扭矩型SHJ-92同向双螺杆配混挤出造粒机组，并出口印度尼西亚，产量达1100公斤/小时，355kw,螺杆转速达500r/min,在国内机型配置和性能最高。

在国内率先研制成功双流道液压换网系统，实现了真正的不停车换网。

混炼转子型螺杆元件等新型元件研制成功并且应用。

负责承担中石化重大攻关课题——连续密炼机研制开发。

2002年，负责承担中石化重大攻关课题——新品树脂双螺杆挤出工艺及设备开发。

负责承担中石化重大攻关课题——大型造粒机设计软件包开发。

“同向双螺杆配混挤出造粒机组”获得“国家重点新产品”荣誉。

在双螺杆挤出机上连续混炼粉末橡胶
橡胶混炼胶连续混炼过程中的一个基本问题是混炼胶所有组份的连续喂料状况。

尽管这对混炼材料如化学药料、炭黑及增塑油等确实是如此的，但对传统以胶包形式供料的主要组份——聚合物就不是如此了。

由于这种传统的聚合物供料形式，致使分批混炼仍是当今最广泛应用的技术。

得益于诸如以乳聚法生产的丁苯胶和丁腈胶等各种品级粉末橡胶的生产成功，其中还包括其他一些品级的乳聚粉末橡胶[1-2]，以及还有气相聚合三元乙丙胶[3-5]，过去的一年里粉
末橡胶的连续混炼工艺已引起日益广泛的关注，真正的实际进展发生于新型粉末橡胶，由于这些粉末橡胶的自由流动特性，因而可以满足连续喂料的要求，又综合有恒定的橡胶与填充剂比率以及填充剂的高起始分散度等优点[1]。

由于几何形状上已作了巨大的修改，已可把单螺杆挤出机改造成连续混炼机，从而使其既具有分布性能又具有分散混炼性能[6]。

这类设计的例子有剪切混炼机(Shearmix)和KO 式捏炼机[6]。

双螺杆挤出机(TSE)更常用于连续混炼，尤其适用于塑性材料和反应性加工工艺。

如文献[7]所综述的，它们涵盖了各种各样配置：①同向转动型；②反向转动型；③局部啮合型或全啮合型；
④恒螺旋角或变螺旋角型等。

为了改进混炼性能，双螺杆挤出机如同其对手单螺杆挤出机那样包括有为获得分散性混炼效能而设计的特殊混炼以及捏炼段，这些改进可达到的程度取决于这些混炼段及其数量的具体的设计。

不过，值得指出的是其设计主要用于塑料混炼。

由于最近在重力容积比例计量技术上的进步，每一喂料系统喂料量按最小量计，填充剂的喂料已具备较高的精度。

由橡胶胶乳和非造粒(干粉)炭黑制造粉末橡胶时，可以获得橡胶与所要求量和种类的填充剂，诸如炭黑、硅酸类或矿物类填充剂的均匀的、分布性的预分布母胶。

这就免除了进一步加炭黑或硅酸类填充剂的需要。

这种工艺同时也得到最佳化，达到了现今可以在橡胶中分布40 份到1 000 份填充剂的程度，且达到了出色的均匀性标准[1]，又不影响其自由流动特性。

早在20 世纪60、70 年代已作了多项试验，以能采用当时开发研制成的粉末橡胶来开发一种连续混炼的工艺方法，但大多数是用单螺杆混炼挤出机采用二段混炼法[8,9]进行的，在有些情况下也结合使用了开炼机[10]。

2 .实验
2.1 双螺杆挤出机
下面叙述的是为适应新一代粉末橡胶而最佳化的连续混炼工艺的开发研究工作。

这一开发工作的主要目的是：①建立达到高分散度及最佳混炼效率的螺杆配置；②获得混炼胶整体最高均匀性；③在给定温度(即防焦烧温度)下使产量最高。

实验在法勒尔(Farrel)FTX80[12]双螺杆挤出机上进行。

该机配备有共转型螺杆。

主要性能参数见表1。

挤出机机筒由长径比为4 的9 个单独区段组成。

第一区段是喂料机筒，水冷结构，可防止喂料进入机器时结团。

随后的8 个区段可用电加热，最收稿日期：2001-04-0216 橡塑技术与装备2002 年第28 卷高温度可达370℃。

这8 个工艺段的组成是：1 个侧喂料机筒可喂入粉料、4 个全封闭的机筒主要用于混炼任务、3 个有敞口的机筒用于常压和抽真空排气。

各机筒可以任意组合排列，以满足实际工艺任务的需要。

表１法勒尔FTX80 双螺杆挤出机技术参数
图1 双螺杆挤出机的螺杆组件[12，14]
2．2 喂料装置
使用了自适应性喂料系统以能对胶料的各种组份作比例计量。

针对粉末橡胶采用了重力式单螺杆失重喂料器(Brabender flex wall 33)。

该装置可以处理的喂料量范围为2～90kg/h。

至于粉末状化学药料，所要求的喂料量则小得多，范围为0.2～5kg/h。

这就是为什么选择使用重力式双螺杆失重喂料器的原因。

双螺杆喂料器在同样的操作速度下比单螺杆系统的容积喂料量要小，从而使它特别适用于混炼胶中用量小的粉末组份的精确比例计量。

重力式喂料器能通过微分称重秤和螺杆速度控制器对大多数干松密度细微的波动作出反应，例如，所造成的这种波动变化可通过向比例计量装置再补喂填充剂来补偿。

这就是为什么重力式喂料器能具有良好的喂料精度的原因。

增塑剂的喂料采用单泵(Netsch 公司制造)进行。

这种泵的特色是可提供完全无波动的与转子速度成正比例的容积流。

2.3 螺杆组件
共转型双螺杆挤出机的螺杆几何形状的基本开发工作是由Erdmenger 进行的[13]。

他以促使两个螺杆在任何螺杆角时接触而达到自洁目的为开发目标，该项开发工作涉及了在挤出机进料点采用输送组件(见图1a)和具有较大自由容积的凹切槽的输送组件的工作(见图1b)，以确保喂入的物料能很快向前移动。

除了这些输送组件外，还采用了以
Erdmenger 断面形状为基础的螺杆组件。

这些捏炼组件块由具有Erdmenger 断面形状、螺杆节距角无限的椭圆盘组成(见图1c)。

椭圆盘按不同的偏置角安排而形成一个组件块。

在本文此处所述的这项试验中，捏炼组件块由5 个椭圆盘组成，椭圆盘的偏置转角为45°(总偏置角为180°)，形成了一个长径比为1 的长度。

这些组件的分散性混炼的效能完全取决于盘的宽度。

经验表明，较宽椭圆盘的分散性能比较窄的好，这是因为使用后者时物料太易于滞留在捏炼椭圆盘的两侧。

具有分散性混炼功能的一个重要螺杆组件是法勒尔非对称型混炼模块(Farrel Asymmetric Modularmixing Element 缩写为：FAMME)，见图(1d)[14]，它属Erdmenger 断面形状但属于具有陡峭节距角的一种变形组件。

这种情况下这种螺杆组件不具备自洁能力。

采用了其它三个分布混炼组件体。

它们与输送组件相反，分散混炼组件按多边形断面形状设计(见图１e)，属于非啮合型，可大大降低同样螺杆转速时螺杆诱发的切变率。

由于形成的新的面的数量恒定不变(见图1f)，这些组件——其类似于涡轮的混炼组件——在充满度小于100%时对于喂入液体物料颇为理想。

逆向泵送(即压送)凹切槽混炼组件(见图1g)的采用，是为了在混炼组件之后增加充满度。

由于它们的凹切槽在侧面，这些组件具有分布效应。

螺杆组件基本上都能设计成正向泵送或逆向泵送的组件。

后者由于压力损失较大，而且使物料滞留时间增加产生的消耗较大。

此外，还可以改变螺杆节距角。

2.4实验结果与讨论
在这里，开发粉末橡胶连续混炼工艺所追求的目标是获得填充剂的良好分散性能和低混炼温度，以防止胶料焦烧。

另外，它还必须保证各配方组份能均匀分布。

由于许多橡胶混炼胶的物理性能，如扯断强度、撕裂强度等都取决于填充剂的分散质量，因而填充剂的分散特性就具有特别重要的意义[19,20]。

为了达到这些目标，在双螺杆挤出机上考核了以下多项工艺加工参数：
(1)螺杆配置
(2)喂料率
(3)螺杆速度
(4)机筒温度曲线
(5)配合剂的喂料时机及部位另外对于产量的趋势作了考核。

在双螺杆挤出机上，其产量和速度正好与单螺杆橡胶挤出机上相反，两者(产量和速度)之间在很大程度上是无关的。

在速度恒定时，产量的下限取决于比例计量系统的最低可喂料量，而发现上限则停留在超过固体输送能力或者最大扭距的点上。

与温度控制及选择对混炼胶各组份特别敏感的喂料时机及部位等因素一起，螺杆配置在工艺工程
设计中起着极其重要的作用。

为乳聚丁苯粉末橡胶设计螺杆配置时，最初试验是在长径比为2 的分散混炼区段内进行的，但得到的分散系数为80%，令人不满意。

因此随着开发工作的进展混炼区段延长到长径比为４。

进一步延长分散混炼区段却导致了温度升高，随着温度上升，粘度降低，如果不采取其他降温措施，就会限制混炼结果，无法对其作进一步的、具有意义的重大改进。

初步的实验得到了两种螺杆配置方式，其独特之处在于其分散混炼组件，其一称之为“捏炼组件块”，另一组件称为“FAMME”。

在这些初步试验中，粉末橡胶以及其它混炼胶组份均按表1 规定喂入。

由于我们先要确定合适试验时机及部位，以展示一个良好分散系数以及合理的物料温度的基本要求，因此起初没有加入交联剂(母炼胶2)。

图3 所示是以这种方法针对乳聚丁苯粉末橡胶而作了最优化设计的两种螺杆配置。

这两种螺杆配置在选择用于分散性混炼的螺杆组件方面有所不同。

“FAMME”组件的混炼区段与“捏炼组件块”的工艺长度相同，因此螺杆配置可以直接以它们的分散性混炼结果及混炼的温升直接相互比较。

两种螺杆配置是以其混炼组件来命名的，因而下文称之为“FAMME”和“捏炼组件块”。

图２ DIK 分散性能测试方法示意图
图３“FAMME”和“捏炼组件块”两种螺杆配置
2.4.1 产量及速度的影响
两个参数即产量和速度对两个目标——胶料温度和分散效率以及单位能量输入的影响在实际上具有主要意义。

为了在双螺杆挤出机上开发并最优化连续混炼工艺，因而对这些参数对工艺的影响作了考核。

图4 所示的是“FAMME”螺杆速度以喂料率为函数对胶料温度的影响。

正如所预期的那样，提高速度同时保持胶料流恒定，会使温度升高。

由于速度加快，粉末橡胶处于更高的剪切应力和应变流
图4两种喂料速率下胶料温度与螺杆速度的关系（螺杆配置“FAMME”）
图5炭黑分散度与螺杆速度的关系（“FAMME”）
作用下而在混炼区的平均滞留时间基本相同。

图5 所示的是试验的这些时刻所达到的分散度，特别值得指出的是，随着速度的增高逐步接近混炼质量。

在螺杆速度恒定不变的情况下，分散系数的提高与产量率(即单位产量)降低相关连，此点可从混炼胶料在混炼区平均滞留时间加长而得到解释。

胶料流量较大意味着单位时间内更多的胶料通过混炼区，而作用到胶料上的剪切与应变流则只有短暂的时间，这致使分散度较差。

由于与材料流比散发的热量较少而胶料温度较低。

相对于螺杆高速度及长混炼时间的两条曲线都走向同一终结值，这一数据的特征是填充剂附聚体之间的粘结力再也无法被聚合物与填充剂之间的物理界面力所克服。

不过设速度与平均滞留时间无关以及平均滞留时间随产量增加呈负极差关系的假设是针对填充度为100%的区域作出的[22]。

图6 所示的是所用的“FAMME”组件，其机筒在试验前和试验过程中被打开。

可以看到试验期间这两个区段内实际上已达其容量的100%，全充满了混炼胶。

很明显，进入第一混炼区的原材料全部仍然呈粉末橡胶与油的混合物的形态，但是它很快就转入了被塑化的状态。

图6 试验前和试验中打开机筒4、5 区段照片表述图
在确定胶料最高温度时，也即低于这一温度加入交联剂产生早期硫化的问题就可得到排除的胶料最高温度时，对于给定的螺杆配置，在符合最高允许胶温、获得最高可能达到的分散度的条件下，由于上面提到的每一速度时的影响的原因存在一个最佳产量率。

如果分散度更高些，那么只能通过提高速度或降低产量来获得。

这两种情况的结果都会超过预定的温度。

以这些影响作用来看，十分清楚的是，在选择连续混炼工艺参数时，胶料温度是一个具有极限的因素。

2.4.2 排胶温度与机头压力的函数关系
首先，材料相对于大气压输送，而未采用口型。

胶料此时温度达到75℃。

在试验的第二个时刻，口型装到挤出机上，机头压力设定到3MPa。

这意味着从挤出机横截面下至口压横截面减小了60%。

为使压力升高以能将胶料输送并通过口型，口型模前的几个输送组件必须充满达100%容量。

胶料温度升至98℃是因为使压力升高需要额外能量输入的原因。

在试验的第三时刻，将口型调得更窄，使得机头压力达到5.5MPa。

在输送组件上的止回段加长以使所需的压力更高。

由于向胶料输入的能量更高，胶料温度升至108℃。

在试验的三个时刻中，其它所有操作参数都保持不变。

如审视一下这些相关关系，很明显，为保证挤出胶成型而提高压力是与胶料温度升高紧密相连的，因为TSE 现已能完全适应升压的影响。

这样的升温提高了胶料焦烧的风险，也限制了可能达到的胶料产量率。

这是因为与温度相关的螺杆速度降低的原因。

由于这一原因，应设计更进一步的试验以确定所需的压力是否能借助下游的齿轮泵来解决或用胶料温升较低的单螺杆热喂料挤出机来解决。

2.4.3“FAMME-终炼”螺杆配置
包括加交联剂在内，以连续混炼工艺生产包含全部所需化学药料的终炼胶为目的的原初试验表明，确实最好要让混炼工艺按各步骤一步一步的顺序进行。

图7所示的是以一个工艺步生产完整混炼胶的、全部工艺长度为24L/D 的“FAMME”—终炼螺杆配置可分成五个不同的工艺区段：①主喂料区；②分散性混炼区；③排气及二次喂料区；④分布性混炼区；⑤加压区。

在试验设置中，材料总产量分成四部分。

在喂料区段(机筒3)粉末橡胶与母炼胶一起喂入。

在这一部位，凹切槽输送组件为一标准件，通过它可将粉末橡胶送入工艺加工部件。

凹切槽输送组件用至加增塑剂的部位，以便能在未开始混炼工艺前把增塑剂直接注入粉末橡胶。

得益于粉末橡胶这种物态及其粒子的形态，粉末橡胶的比表面积较大，因而有较好的油吸附能力。

在这一时刻增塑剂是在大气压力环境条件下注入的，因为粉末橡胶尚未塑化且螺杆螺纹槽只充满了一部分，油料加入上的这一改变可使比例计量更为可靠，不会发生注射喷咀堵塞问题。

图7 “FAMME 终炼”螺杆结构示意图
第4、5 区段为组成“FAMME”组件和反向泵送凹切槽混炼组件的混炼区段。

在第一个“FAMME”组件之前及两个“FAMME”组件体之间采用了Erdmenger 输送断面形状设计，以便通过两个混炼组件来形成必要的压力降。

第 4 区段中用的口型“FAMME”组件承担粉末橡胶和增塑剂的塑炼以及母炼胶 1 中的化学药剂的混炼任务。

另外，在这一区段也获得一定量的填充剂的分散。

图12 所示的是经过第1 混炼区之后母炼胶1 和增塑剂已经过加工而混合。

使用第二个“FAMME”组件的目的是要继续进行填充剂的分散以获得最高的分散效率。

位于第5 区段“FAMME”组件体之后的逆向泵送切槽混炼组件，其任务是对混炼胶施加分布性混炼作用以使已加入的混炼组份尽可能地分布均匀。

另外，它在螺杆阻缓组件之后直接产生无压状态，以防止第6 区段的挥发物排出孔阻塞。

由于机器开动时，到达这里的混炼胶必须尽可能快地加热升温，所以第4、5 区段是使温度均衡达到80℃的区段，否则如果混炼区是冷的，就会发生超过最高扭距的问题。

在穏态作业情况，一方面，由于混炼区段的散热量高，热量就会传导到机筒，这样，这些区段的目标温度(设定温度)就无法得以遵循。

为了将来的进一步试验，计划在混炼区(4 区和5 区)上采用胶
料测温仪，以便获得工艺有关参数及输入能量散发有关的更好的数据。

粉末橡胶与增塑剂混合物差不多在室温下被送到第1 混炼区。

因此混炼胶的粘度比较高。

当混炼胶通过第5 混炼区，胶温就急剧上升，尽管它可把热量散发到机筒上。

因此第6 到第8 区设定到最高冷却功率以防止胶料温度进一步升高，并相应降低胶料的温度。

水汽和低分子量有机成分必须在排气区段(第6 区)内被除去。

这一段可以把胶料中的气泡及多余热量从挤出胶中排除出去，因此使用排气方法也成了降低胶料温度的一个辅助手段。

温度差主要取决于排气区段蒸汽的排放量。

一旦物料进入第6 区，它已变成均匀的混炼胶，其中包含有粉末橡胶与增塑剂、母炼胶1，而母炼胶1 中填充剂分散业已完成。

至此，混炼作用的其余部分就是必须确保交联剂的加入进行分布混炼。

在第6 区加入交联剂是安全的，如果胶料温度能尽可能事先降到90℃以下的话，预计不会出现焦烧。

在第7、8 区，两个逆向泵送多边形组件是用来完成交联剂的加入及分布性混炼的。

得益于其切向设计，它们对混炼施加的能量很小，因而在第7、8 区内混炼胶就在根本上难以产生升温。

为了增强分布混炼效果，在第8 区使用了多边形组件，并与逆向泵送切槽组件结合。

在与交联剂混入的同时，其分布性混炼效应也自然作用于先前已在主喂料口喂入的其他配合剂，所以可获得混炼胶各个组份的均匀分布
2.5结论
把传统上主要用于塑性材料加工的“捏炼组件块”与既用于橡胶也适用于塑料加工的“FAMME”组件所作的比较表明，由于橡胶的高粘度的原因，在材料中少引发剪切应力是有意义的。

其意义在于，它在散热温度上引起的升温要少得多，同时又提高分散质量。

后者的形成原因可从物料流动道路处于较小的剪切应力下而物料产量更高这一点上找到。

对橡胶加工用的螺杆几何形状的进一步开发活动可在这一方面得到更好的结果。

所作的螺杆速度和产量对目标分散度和胶料温度水平的影响的描述可让加工者按其要求选择最佳操作时机。

这一系列试验的产量的卡脖子之处是受所用的双螺杆挤出机的较低扭距所决定的。

随着“FAMME-终炼”螺杆配置的发展，有可能以一步加工法生产出高质量的且不随时间波动的可硫化的一切就绪的混炼胶。

把整个工艺长度分成：喂料段、分散段、冷却段、交联体系喂料段、分布混炼段及升压段的措施是值得的，因为这可以得到高分散系数，同时可以排除焦烧问题。

3.啮合同向双螺杆挤出机螺杆元件性能对比研究
3.1理论模型。