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            桂林排插價格社區

            一文讀懂同向雙螺桿擠出機技術門道

            樓主:熱成型 時間:2021-11-07 13:07:58


            同向雙螺桿擠出機也即嚙合型同向旋轉平行雙螺桿擠出機,是雙螺桿擠出機主要類型之一。如:Coperion公司、Leistritz公司以及Krauss Maffei Berstorff公司的技術發展備受關注。

            嚙合同向旋轉雙螺桿擠出機具有輸送效率高、分散混合能力強、自潔性能好、物料在機內停留時間分布均勻和良好的適應性等優點,廣泛應用于不同塑料之間、塑料與橡膠之間的共混改性,各種添加劑與塑料共混、玻璃纖維、碳纖維增強塑料等等,是聚合物改性連續混合設備之首選。


            同向雙螺桿擠出機結構特點



            同向雙螺桿擠出機由擠壓系統、加料系統、傳動系統、加熱冷卻系統和控制系統等主要部分組成。



            擠壓系統:機筒、螺桿以及機頭連接器(含多孔板)
            加料系統:料斗、加料器和加料器傳動裝置
            傳動系統:電機、減速箱和止推軸承
            加熱冷卻系統:機筒內部設有加熱和液體冷卻通道
            控制系統:實現整個擠出機組的自動控制
            各部分職能與單螺桿擠出機相似,但結構較單螺桿擠出機復雜得多。


            組合式螺桿

            ?積木式設計的螺桿


            同向雙螺桿擠出機最顯著的特點是螺桿和機筒都采用“積木式”設計。螺桿由套裝在芯軸上的若干元件組成,如螺紋元件、捏合塊、齒形混合盤、擋環等;機筒也是由不同機筒段(全封閉、帶排氣口、帶加料口)組成。

            根據特定的物料、配方和將要制備混合物性能的要求,通過科學組合,將不同類型、不同數目的螺桿元件和機筒元件按一定順序組合起來,從而高效地完成設定的混合任務。并通過改變螺桿和機筒組合順序,實現對不同物料、配方的最佳使用效果,達到一機多用、一機多能的目的。

            此外,積木式設計的另一優點是可以局部更換磨損了的螺紋元件和機筒元件,避免了整個螺桿或筒體的報廢,大大降低了維修成本。(進改性塑料群請加微信?3392464359)

            組合式機筒


            模塊化設計的機筒,可以通過法蘭或拉桿連接,通常小型機采用拉桿連接。機筒通常嵌入雙金屬襯套以提高機筒內表面的耐磨性能。為實現精確的溫度歷程,每個機筒上都有單獨的加熱/冷卻設計,從而實現冷卻與加熱功能的最佳組合。

            擠出過程分析

            通過組合各種螺紋元件,所有同向雙螺桿擠出機都有加料、熔融、混合、排氣、建壓和輸送功能,實現物料的輸送、塑化、剪切、排氣、建壓以及擠出等各種工藝過程。

            同向雙螺桿擠出機的結構和功能與單螺桿擠出機很相似,但在工作原理上存在著很大的差異。主要表現在以下幾個方面:

            強制輸送。嚙合同向旋轉雙螺桿,在嚙合處兩根螺桿運動速度方向相反,一根螺桿要把物料拉入嚙合間隙,而另一根螺桿把物料從間隙中推出,結果使物料從一根螺桿螺槽轉到另一根螺桿螺槽中,物料沿著螺桿呈“∞”形向機頭方向被強制輸送。

            均化和混合。同向旋轉雙螺桿在嚙合處間隙很小,螺棱和螺槽的速度方向相反,相對速度大,因此嚙合區具有很高的剪切速度,剪切力很大,混煉效果遠好于單螺桿擠出機和異向旋轉雙螺桿擠出機。

            自潔性。同向旋轉雙螺桿擠出機,由于嚙合區螺棱和螺槽的速度方向相反,相對速度大,因此具有相當高的剪切速度,能刮去粘附在螺桿上的任何積料,有非常好的自潔作用,從而使物料的停留時間很短,不易產生局部降解變質。

            物料的塑化。螺桿間隙的大小對物料塑化質量影響很大。間隙越小,剪切力越大,但通過的物料量減少;間隙越大,通過的物料量增加,但剪切力減小。

            物料的壓縮。同向雙螺桿擠出機壓縮物料的方法要多得多,綜合效應好。

            加料方式。同向雙螺桿擠出機要求均勻定量加料,采用計量饑餓喂料方式。

            排氣。由于是饑餓喂料,可以采用大導程的螺紋輸送元件,使螺槽處于未充滿狀態而處于零壓力狀態,從而可以設置出排氣段。


            性能評價指標及發展



            提高生產效率是同向雙螺桿擠出機的開發研制的重要目標,它可以通過提高螺桿轉速、增強塑化和混合能力等途徑來實現。在相同螺桿轉速下,增大物料在螺槽中的充滿程度可使輸送量大幅度增加。由于螺槽充滿程度變大,使得螺槽中物料承受的剪切作用降低,從而可以進一步提高螺桿轉速而不致于使物料溫度升得過高發生降解,因而能在保證產品質量的同時,使擠出機的生產能力得到進一步提高。與此相應的要求螺桿的塑化和混合能力也隨之增大,這就要求螺桿能夠承受更大的扭矩。在高的螺桿轉速下,物料在擠出機內的停留時間減少,有可能使物料塑化熔融、混煉不夠充分。為此,需要適當增加螺桿長度,這些又必然導致雙螺桿擠出機實際承載扭矩和功率的增加。所有這些技術參數都是相互關聯著的。

            而大的驅動功率、高的螺桿轉速、進行超高扭矩擠出一直是同向雙螺桿擠出機從業人員追求的目標。對于積木式雙螺桿擠出機來說,兩螺桿的中心距是確定的,其產量通常受到輸送能力和螺桿芯軸所能承受的許用扭矩限制,為此,積木式同向旋轉雙螺桿擠出機的開發者R.Erdmenger采用兩個參數來評價同向雙螺桿擠出機的性能。


            1. 嚙合比

            嚙合比,即螺桿外徑Ds與螺桿根徑Dr之比,用來表征螺紋元件自由容積的大小。嚙合比越大,螺紋元件的自由容積越大。

            輸送能力是螺槽自由容積、物料松密度、螺桿轉速以及輸送效率的函數,因而為了得到高的輸送能力,就需要增大螺槽自由容積的螺紋元件,在一般情況下可通過加大螺桿外徑Ds,同時減小螺桿根徑Dr,即增加槽深或加大嚙合比Ds/Dr得到。嚙合比決定了螺槽的自由容積,是影響雙螺桿生產效率的一個重要因素。在加料段、熔體輸送段、建壓段以及脫揮段,螺紋元件具有大的自由容積是非常必要的,對于入口物料松密度非常低的情況,在加料段有足夠大的自由容積對于提高擠出機生產能力來說更是如此。



            2. 扭矩系數

            扭矩系數KM可定義為螺桿承受的扭矩除以中心距的立方,即T/a3,單位Nm/cm3,用來衡量雙螺桿擠出機承載能力,既考慮主機驅動功率的影響,也考慮螺桿轉速和螺槽深度(或中心距)的影響。扭矩系數越大,螺桿抗扭強度越高,擠出機的承載能力就越大。最初扭矩系數受限于齒輪箱,其值為3.5~6 Nm/cm3。

            擠出過程中,物料的壓縮、塑化、混合、熔融、輸送所需能量是由螺桿芯軸將螺桿驅動扭矩傳遞給螺紋元件的。因此要提高許用扭矩,就需要提高螺桿芯軸的抗扭強度,加大芯軸直徑,這又導致螺桿根徑增大,在確定中心距下使螺桿外徑和螺槽深度減小,螺槽自由容積也隨之減少,限制了輸送能力的提高。

            為了提高生產效率,則需要解決這一矛盾。各廠家一方面研究新的材質、更新機械加工工藝以及齒輪箱設計,強化螺桿芯軸和螺紋元件的強度,使擠出機的扭矩系數得以顯著提高,另一方面對螺槽幾何造型以及螺桿軸連接形式進行深入研究,使其能夠提供大的螺槽容積并承受高的扭矩和轉速。近年來,Leistritz公司采用新型芯軸,MaXX軸,采用非對稱花鍵消除徑向力,使嚙合比可達到1.66,扭矩系數達到15Nm/cm3,這意味著更高的能量效率,擠出機承載能力極大提高。



            關于嚙合比和扭矩系數,可以用Coperion公司和Leistritz公司的產品發展過程來窺見其變化。Coperion公司第一、二階段的產品,螺桿形狀為三頭螺紋,螺槽淺,嚙合比為1.22,自由容積小、輸送能力低,但流路多、混煉性能好。第二階段比第一階段的許用扭矩大,扭矩系數由3.7~3.9增加到4.7~5.5;第三代的螺桿形狀主要為兩頭螺紋,螺槽加深,嚙合比為1.44、自由容積大、剪切速率減小,混煉性能稍有下降,但螺桿輸送能力提高,最高螺桿轉速為300r/min;第四代的螺桿形狀為兩頭或三頭螺紋,螺桿結構更為緊湊;第五代產品,螺桿形狀為兩頭螺紋,螺槽繼續加深,嚙合比為1.55,自由容積增加,許用扭矩繼續加大,扭矩系數增至8.7,最高螺桿轉速提高到600r/min以上;第六代雙螺桿擠出機,扭矩系數為11.3,與第五代相比,扭矩提高了30%,最高螺桿轉速達到1200r/min,螺槽繼續加深,嚙合比達到1.74,產量大幅度提高?,F今銷售的ZSKMv Plus系列,嚙合比達1.8,設計轉速1800r/min,但扭矩系數仍為11.3。其高扭矩產品ZSKMC18系列,扭矩系數高達18Nm/cm3,產量和扭矩系數都較上一代產品提高了30%,但嚙合比采用的是高扭矩常用的1.55。圖6是Leistritz公司產品系列的自由容積和扭矩系數的變化。



            同向雙螺桿擠出機的應用



            同向旋轉雙螺桿擠出機,廣泛用于聚合物的物理改性:共混、填充和纖維增強,配料或混煉,也可用于成型制品擠出。其許用剪切速率在60~1401/s左右,螺桿線速度在30~50m/min,最大可達160m/min。高速嚙合型同向雙螺桿擠出機常用于物料的配混和作為連續化學反應擠出及排氣操作,這類擠出機的轉速范圍在300~1800r/min。此外,雙螺桿擠出機喂料特性好,適用于粉料加工,且比單螺桿擠出機有更好的混煉、排氣、反應和自潔功能,加工熱穩定性差的塑料和共混料時更顯示出其優越性。通過螺桿元件不同形式的組合,按積木形式設計的具有排氣功能的同向旋轉雙螺桿擠出機可以在以下方面得到應用。


            母料的生產:塑料顆粒與高比例添加劑組成的混合物即為母料。添加劑包括顏料、填料和功能性添加劑,通常為粉狀料且容易結塊。雙螺桿擠出機是母料生產線的關鍵設備,用于聚合物基體內添加劑的均質化和分散混合。


            共混改性:提供基體與添加劑、填料、加強料之間的最佳混合性能。玻璃纖維是最主要的強化材料,但其他纖維同樣能夠與聚合物載體結合。通過添加纖維與聚合物結合,可以獲得高強度與高耐沖擊性能的材料,同時還能減重減成本。


            排氣:由于兩根螺桿的相互嚙合,在嚙合處對物料的剪切過程使物料的表層得到不斷的更新,增進了排氣效果,從而使同向雙螺桿擠出機比排氣單螺桿擠出機具有更好的排氣性能。在排氣段采用大導程的螺紋輸送元件,與第一計量段之間通常用環壩或反螺紋元件建壓。越過環壩的熔體進入排氣段,壓力釋放,揮發分得以逸出。由于同向雙螺桿擠出機其螺槽縱向敞開,因而第二計量段中未充滿區域都將參加脫揮。采用多口排氣設計的同向旋轉雙螺桿擠出機可很好適用于EVA樹脂脫水、PMMA本體連續聚合及分離單體、PC脫溶劑等工藝。這種設計的機型如與預聚釜相連,可用于高聚物的加聚、縮聚反應,解決高粘度熔體在聚合反應過程中的攪拌、傳熱等難題。


            反應擠出:反應擠出即單體在擠出過程中進行鍵和的特殊工藝。同向雙螺桿擠出機由于其優異的混合性能,非常適于進行反應擠出。將液體原料按一定配比加入雙螺桿擠出機中,在混合和嚙合作用下發生聚合反應,多余的反應熱通過機筒散出。在出口處通常采用齒輪泵將產品直接輸入到水環造粒機中造粒。


            直接擠出:幾乎95%的同向旋轉雙螺桿擠出機都是用于混合、脫揮、反應擠出等最后粒狀產品的生產,對于產品尺寸穩定性要求不高,但同向雙螺桿擠出機也能將混合與擠出成型相結合,通過使用特定的機頭與合適的下游設備,以更高效的方式生產成品,可生產薄膜、板材、管道等等。直接擠出可以省去冷卻造粒以及再加熱熔融步驟,物料承受更少的熱應力和剪切應力,整個工藝可以節省能源,而且可以很方便地調整配方,已經在PE、TPE/TPO/TPV、PVB、木纖維復合物、發泡制品、尼龍和可降解塑料生產中有應用。通常增設一個齒輪泵減少壓力波動,以為機頭提供穩定壓力的物料。

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