同向双螺杆挤出机新型混炼元件性能及应用

中等
中等
较小
窄片捏合盘
好
小
中等
2 新型混炼元件
2. 1 传统捏合盘 传统捏合盘组件是全啮合的 ,具有良好的自清洁
功能 。通常捏合盘组件可以分为不同的宽度 ,也可以 配置成不同的错列角分布 ,形成正向 、中性或者反向的 整体输送效果 。盘片的宽度和错列角结合可以确定组 合内产生回流的程度 。捏合盘组件产生高和低的剪切 区域 ,前者位于螺杆螺棱位置 ,后者位于螺杆螺槽位 置 。高剪切区域同样存在于螺杆和螺杆之间的啮合区 域 。虽然存在高剪切区域但是该区域内的流动通道是 有限的 。为了获得有效的流线通道必须增加设备的长 度 。由于窄的螺棱和机筒间的间隙 ,只有部分物料经 历一定时间下的高剪切速率历程 ,导致该部分物料的 温度迅速上升 。为了将最大的温度控制在允许的范围 内 ,机筒必须配备足够的水冷却 。捏合盘组件可以在
(a) FTX Polygon 元件 (b) 捏合盘元件 图 5 F TX Polygon 元件和捏合盘元件
筒只需要非常小的冷却就可以满足工艺要求 。螺棱和 机筒间较大的间隙和楔形区域的消失可以避免产生局 部高压 ,这有助于消除螺杆和螺杆之间及螺杆和机筒 之间的磨损 。另外 ,速度曲线不会由于压力动态变化 而紊乱 ,可以得到线性的速度曲线和一致的剪切速率 场 。F TX Polygon 组件啮合区横截面形状不断发生变 化 ,随着组件相对于另一组件的相位变化 ,组件提供了 增强的挤压作用 ,流线经历周期性分割和合并 ,产生了 强烈混合 。F TX Polygon 组件为挤出过程中固体相的 熔融过程的主要组件 ,期间固体和熔体混合在一起 ,形 成固体和熔体的均匀混合物 。能量随着内磨擦消耗在 整个混合物内 ,这种磨擦包括固体颗粒和金属筒体壁 面间磨擦和熔体区域内的粘性耗散 。这种熔融机理通 常称之为耗散混合熔融机理 (DDM) ,这种熔融机理在 批量和连续混炼机中最为典型 。由于组件和机筒之间 的间隙较大 ,该组件无法有效刮擦机筒内表面 ,而且组 件之间也只能产生有限的自清洁作用 。但是高的局部 速度 、高的熔体粘度和机筒内表面缺乏薄的高温熔体 粘膜等因素为物料有效热交 换 提 供 了 保 证 。另 外 , DDM 机理由于熔体和固体混合物的高粘度特性 ,低熔 体温度特性会对机筒内表面产生有效的刮擦 ,起到一 定的自清洁功能 。挤出机的总体性能对设备磨损尤其 是 F TX Polygon 组件的磨损不是非常敏感 ,因为该组 件本身与机筒之间的间隙较大 。挤出机热传导性能并 不会受到影响 ,同时熔体温度也可以保持在允许的范 围内 。 2. 3 FTX CME
全啮合同向双螺杆挤出机除了具有上述的模块化 特点外 ,还具有优异的分散性混合和分布性混合性能 。 这种挤出机具有相对较短的停留时间和窄的时间分布 特性 ,在某些高速高扭矩应用中停留时间可以缩短至 5 - 10 s。这些特点可以实现迅速的清洗和切换 。这种 挤出机的最大不足是可能产生高峰值剪切速率和相对 不足的泵送能力 。螺杆的速度越高 ,峰值剪切应力和 速率就越大并可能导致严重的后果 。硬质 PVC 是一 种对剪切非常敏感的聚合物 ,它就难以用这种双螺杆 挤出机共混 。为了解决混炼过程中存在的问题 ,近年 来世界上各个著名的全啮合同向双螺杆挤出机生产厂 家均对螺杆挤出系统中的混炼组件进行了重点研究并
(a) 分布性混合 (b) 分散性混合 图 1 分散性混合和分布性混合
要确保良好的分布性混合效果 ,必须确保频繁的 流体分流和重新定向 、高剪切应变和拉伸应变 、均匀的 形变历程 ,而最重要的因素是确保频繁的流体分流和 重新定向 。即使在总剪切应变很小的情况下 ,频繁的 复位过程仍然可以产生很好的混合效果 。如果很小的 或者没有重新定向历程 ,必须施加足够大的总体剪切 应变才能产生足够的混合 。同时要得到良好的分布性
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第 15 卷 第 6 期 2001 年 6 月
中 国 塑 料
CHINA PLASTICS
Vol. 15 ,No. 6 J un. ,2001
啮合同向双螺杆挤出机新型混炼元件性能及应用
陈志强 , 王春芬 , 汪 颐
(南京橡塑机械厂 , 江苏 南京 210001)
摘 要 : 就全啮合同向双螺杆挤出机中的混合过程进行了分析讨论 ,分析了普通螺纹元件和捏合盘元件的混合特性和 泵送特性 ,针对这些元件存在的问题讨论了新型混炼元件的特点 (包括典型分散性混炼元件和典型分布性混炼元件) , 并作了深入的对比讨论 。就上述元件在聚合物改性加工 、共混和填充过程中典型的应用示例进行了分析讨论 。 关 键 词 : 同向双螺杆挤出机 ; 混合过程 ; 新型混炼元件 中图分类号 : TQ320. 5 + 2 文献标识码 : B 文章编号 : 1001Ο9278 (2001) 06Ο0078Ο06
同向双螺杆挤出机得到广泛应用在很大程度上得 益于设备的灵活性 ,可以灵活地调整设备的组合配置 , 适应各种加工工艺要求 。同向双螺杆挤出机的灵活性 来自于挤出系统的模块化设计 。螺杆组件包括输送螺 纹组件和混炼组件两大类 。全啮合同向双螺杆挤出机 具有非常好的自清洁功能 ,可以避免物料在挤出过程 中停留时间过长导致热降解 。这种自清洁功能是通过 保证螺杆的特定横截面形状来实现的 。标准的全啮合 同向双螺杆挤出机在螺杆横截面上具有同一性 ,任何 螺纹输送组件或者混炼组件的横截面形状是统一的 。 在挤出机的规格 、螺杆中心距和螺纹头数确定的情况 下螺杆的横截面形状就确定下来 。沿螺杆轴线上这种 横截面连续扭转而成的组件就是螺纹组件 ,而由一系 列这种横截面非扭转而成的平直段通过错列一定角度 而形成的组件为捏合盘组件 ,由于捏合盘组件在挤出 过程中主要起混炼作用 ,通常将捏合盘组件称为混炼 组件 。早期的全啮合同向双螺杆挤出机的螺杆组合组 件种类较少 ,主要包括不同螺旋导程的螺纹组件 、不同 错列角和捏合宽度的捏合盘组件 。
F TX Polygon 组件 (图 5) 可以是中性的或者可以 采用微小的反向螺旋角 。螺杆可以由传统的全啮合正 向或者反向螺纹输送组件与 F TX Polygon 组件组合 , 配对 时 可 以 是 棱 对 棱 安 装 或 者 棱 对 边 安 装 。FTX Polygon 组件具有均匀的横截面形状 , 其流通面积相 同 ,为物料流动提供了均匀的剪切和热历程 。组件和 机筒之间的流动类型呈现随机流动 。F TX Polygon 组 件和机筒之间相对大的均匀间隙提供了相对低的剪切 速率 ,从而消除了啮合块组件的过热点 。沿着整个组 件轴向物料温度逐渐升高 ,因此在正常操作条件下机
影响如图 4 所示 。根据螺纹头数 ,常见螺杆组件可以
分为单头螺杆组件 、双头螺杆组件和三头螺杆组件 ,其
性能如表 2 所示 。
表 1 各种元件混炼性能对比
螺杆组件
分布性混合特性 分散性混合特性 泵送特性
大导程右旋螺纹组件
小
小
快
小导程右旋螺纹组件
小
小
慢
左旋螺纹组件
密封
中等
回流
宽片捏合盘
小
好
小
中等宽度捏合盘
·79 ·
分散质量
1 A
分别为 :1
—0. 25
2
—0 .
20
3
—0. 15
4 —0. 10 5 —0. 05 6 —0. 01
图 2 剪切应力和停留时间对分散质量的影响
(a) 不同捏合盘宽度对混炼性能的影响 (b) 不同捏合盘错列角对混炼性能的影响 图 4 不同错列角和捏合盘盘片宽度对分散性
F TX CM E(图 6) 是一种非对称横截面形状而且螺 杆和机筒之间具有较大的间隙的组件 。每一个组件由
图 6 F TX CM E 元件
两条螺旋形棱扭曲而成 ,分别起正向和反向泵送作用 。 这些组件在不同的情况下可以配置成正反向平衡或者 不平衡的泵送效果 。与 Polygon 组件相反 ,啮合区内 CM E 组件保持相同的啮合间隙 ,与捏合盘相同 。但是 组件的几何形状可以调整以确保等效于混炼组件螺棱 区域的剪切速率 ,保证所有聚合物熔体的机械和热历 程均相同 。由于 CM E 组件啮合区内相互之间的间隙 小和组件外径区域的周向流动效果 ,组件内的流动主 要为回流 。CM E 组件提供了独一无二的流动特性 ,可 以确保聚合物反复地通过剪切速率控制的间隙区域 , 避免过度的粘性能量耗散 。这些区域包括元件与机筒
和分布性混合质量的影响
表 2 各种螺纹头数元件对输送 、混合 、 热传导性能的影响
螺杆组件头数 单头 双头 三头
螺槽容积 大 中等 小
提供剪切能力 小 中等 大
热传导能力 小 中等 大
图 3 粒子变形分散过程示意图
同向双螺杆挤出机挤出元件的各种性能如表 1 所
示 ,不同混合元件对分散性混合和分布性混合质量的
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啮合同向双螺杆挤出机新型混炼元件性能及应用
盘片螺棱处产生高的压力 。由此产生的力的方向和大 小取决于物料粘度 、螺杆速度 、充满程度 、捏合盘宽度 和错列角 。这些力是无法相互平衡的 ,会产生很大的 径向负载 ,使得螺杆和螺杆之间的磨损和螺杆与机筒 的磨损程度加大 。传统捏合盘可以实现表面自清洁功 能 ,物料由一根螺杆表面过渡到另外一根螺杆表面 ,同 时伴随着流线分割 、合并和回流 。捏合盘组件产生的 流线分割数量完全取决于设备的螺纹头数和轴向捏合 盘片的多少 。为了获得有效的流线通道必须增加设备 的长度 。同时捏合盘片的整体流线分割效果与盘片组 合的错列角有很大的关系 。回流量的大小取决于捏合 盘几何形状和错列角角度 。在传统挤出机中 ,通常通 过使用特殊混炼组件和剪切组件如捏合盘 、左旋螺纹 组件或者大导程螺纹组件 。这些组件经常结合采用外 部背压调节阀而背压确保固体压实和固体床的形成 。 全啮合同向双螺杆挤出机有良好的自清洁能力 。但是 这种自清洁能力只有在螺杆和机筒的间隙很小的情况 下才有效 。从机械加工实际条件考虑 ,完全的自清洁 效果是无法达到的 。因此 ,最佳间隙必须保证相对小 。 在产生的热量无法有效排出的情况下 ,这会导致非常 高的局部剪切速率和聚合物熔体可能的过热现象 。如 果粘在机筒内表面的薄熔体膜温度很高 ,会由于变异 的流变性能或者可能的降解导致物料的污染 。由于磨 擦产生的捏合盘盘片间隙的微小增大都会极大地影响 机筒内表面热量的排出 。 2. 2 FTX Polygon
开发出了一些典型的新型混炼组件 。
1 同向双螺杆挤出机挤出过程中的混合
同向双螺杆挤出机主要用于聚合物各种改性共混 加工 。聚合物共混对混合的要求可以分为两类 : 分散 性混合和分布性混合 。分散性混合意味着团聚组分粒 径的减小 。分散性混合的典型例子是色素在聚合物基 体中的分散 ,加工时必须将团聚色素粒径减小到一定 的尺寸 ,满足最终制品表观质量的要求 ,如图 1 所示 。 而分布性混合不涉及团聚阻力 。分布性混合典型例子 是两种聚合物熔体 PS 和 PPO 的混合 。分布性混合可 以发生在固相之间也可以发生在液体之间 。
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2001 年 6 月
中 国 塑 料
混合 ,必须确保所有的流体单元均匀地经历剪切和拉 伸形变历程[2 ] 。
在分散性混合过程中 ,粒子的形态取决于应变速 率和应变速率的延续时间 ,如图 2 所示 ,而这两者是不 能相互等效的 ,这与分布性混合不同 。因此混合过程 中的时间参数是非常重要的 。例如 ,如果两个小液滴 间的作用时间非常短 ,液滴间就不会团聚 。这种时间 量是由粘度 、弹性和界面特性决定的。粒子最终的形态 处于团聚力和分散力的平衡状态下 ,随着混合过程中操 作条件的变化粒子形态也会发生变化 ,如图 3 所示 。