混炼装备的研究现状与发展

2008-01-30     文字选择：       随着经济和科学技术的高速发展，社会对高分子材料的品种、性能和质量提出了更高的要求，从而要求有新的混炼技术和装备来满足这个需要。为此，美国、瑞士、日本、德国等发达国家相继推出FCM连续混炼机、BUSS混炼机、KCK混炼机、Pomini密炼机和同向平行双螺杆挤出机等新型混炼装备。尽管这些混炼装备的结构、原理有所不同，但它们都有共同追求的技术目标，即高效、多功能、经济地完成混炼三要素。
　　1 混炼技术与装备的研究现状及发展
　　1．1同向平行双螺杆混炼挤出机
　　同向平行双螺杆混炼挤出机由于其优异的分散混合及分布混合性能、优良的自清功能和灵活多变的积木式结构等特点，一直被作为大型石化企业下游工序和制取高分子合金材料的重要装备，可以用于4个方面：①对含一定水分、溶剂和单体的物料直接进行清洗、凝固、挤压、脱水干燥和造粒；②对含有各种添加剂的聚合物进行填充、共混、增强、排气、脱挥、着色、均化和造粒；③对粉沫涂料、色母料、催化剂、油漆、食品、纸浆等进行分散混合；④特种物料的混合与成型。
　　同向平行双螺杆混炼挤出机的基本原理是利用2根互相啮合的螺杆在机筒的“∞”字型区间高速同向旋转，完成对高聚物的输送、压缩、塑化、混合、混炼、填充、排气、计量和成型等工艺过程。由于它的螺杆螺纹元件和机筒是组合的，可以根据功能不同作任意组合，因此该机型的适应性强，应用面广，可以完成一般单螺杆挤出机和其他类型混炼装备所不能完成的复杂工艺过程。但是双螺杆挤出机由于加工机理特殊、结构复杂，加工物料种类繁多，使螺杆、机筒、轴承、传动等主要部件比单螺杆挤出机要复杂得多，因而成本也较昂贵，尤其是螺杆芯轴的强度受到2螺杆中心距的限制，因此不能传递过大的扭矩，这些缺点在一定程度上限制了双螺杆挤出机的应用范围。
　　国际上生产同向平行双螺杆挤出机的著名厂家Werner & Pfeiderer (简称WP)公司自1953年应用R．Erdmenger等人成果生产出ZSK系列商用机以来，根据各个时期产品的特点将同向平行双螺杆挤出机的发展历程大致分为6个阶段。20世纪90年代未研制出来的第6代最新机型，主要特征为超高扭矩、超高转速、多功能、低能耗和高耐磨。扭矩系数达到11 MN／m。，比第5代提高了30％，螺杆最高转速为l 200 r／min，中小型机可达到3 000 r／min。螺杆的最大长径比从传统的1：4 8提高到l：7 2。
　　第6代同向平行双螺杆挤出机的研究成功，从某一侧面反映了发达国家的高聚物混炼加工技术及其装备研究领域的最新成就。
　　由于螺杆转速的提高也带来下列问题： (1)物料在螺杆内的停留时间减少，导致混炼不足；(2)高粘度物料容易升温、易分解； (3)机筒、螺杆易磨损； (4)辅助机械和连动装置的速度和精度要求提高； (5)螺杆要进行优化组合； (6)混炼性能的提高、工艺条件设定要借助于CAE技术的帮助； (7)必须采用熔体齿轮泵挤出机解决高速引起的压力波动。
　　1．2 FCM连续混炼机
　　FCM是由美国法雷尔(Farrel)公司最早研制成功的连续混炼机。它克服了密炼机间歇工作的缺点，保留了密炼机的优异混炼特性，并使之成为连续工作的混炼机。其传统典型形式是2阶式，第1阶是混炼机，第2阶是单螺杆挤出造粒机。
　　该机器可以用于对填充高聚物、未填充高聚物、增塑高聚物、未增塑高聚物、热塑性高分子材料、橡胶掺混料、色母料等进行混合，也可以用于含有挥发物的聚烯烃或合成橡胶的混合，具有能连续工作、操作灵活简便、对工艺的适应性强、维护方便、效率高、产量大，物料质量均匀等特点。
　　FCM连续混炼机主要由转子和机筒等部分组成。机筒上的混炼腔为2个相互贯通、横截面为圆形的孔。转子的工作部分主要由加料段、混炼段和出料段组成。混炼段的表面上有2段螺纹，与加料段相接的螺纹和与排料段相接的螺纹方向相反。前者把物料推向排料段，而后者则迫使物料向回运动，混合料在2段反向螺纹的作用下，在混炼室内堆积，并被剪切、辊压、粉碎、熔融和混合，从而达到所需的均匀程度。随着新物料的不断加入，已经混合好的物料最终被移向出料段。其中物料在2根转子之间的横向流动起着非常重要的作用。
　　当进行混炼时，转子以其特殊的外型结构，并以转子翼尖和混炼室壁之间相对较大的间隙，在混炼室内转动。原料从加料端加入，而从可以调整大小的排料口处排料，此2个撑子以4个轴承(每端2个)来支撑，转子采用3段式专利设计，因此，转子的混炼段可以在不必拆除轴承的情形下移去，其目的在于容易清洁机器、清料和必要时的转子变换。转子的特殊外型使得在排料口处产生极低的压力，其优点有2个： (1)低的压力表示低的能源使用，意味着能源的节约； (2)几乎没有轴向推力，故不必使用止推轴承。
　　这种3段式转子的设计，可以减少停车、清车、变换原料的时间，因此可以大大地提高生产效率。FCM连续混炼机唯一且特殊的转子外型，使原料或填充剂的加工获得最高的分散性，填充剂含量可高达8 0％，在某些共混物中的含量还可以更高。
　　1．3往复式销钉螺杆挤出机
　　往复式销钉螺杆挤出机即布斯连续混炼机 (简称BUSS机)，是生产塑料粉料和涂料的理想设备，适用于工程塑料、电线电缆料、软硬PVC、热固性塑料以及各种色母料的配混、造粒和成型，尤其在加工那些要求混炼质量高而又对剪切和加热较敏感的物料时，显示出低压力、低剪切、低温升和高混炼质量的优势。
　　往复式销钉螺杆挤出机工作原理与常规单螺杆挤出机运动特性的区别在于其螺杆在旋转的同时，还按一定的规律作轴向往复运动，这就使物料在螺杆和机筒中的运动轨迹大为复杂。机筒上的销钉如同一个个强制搅拌器，它起到对螺棱的清扫、对物料的输送、并进行分布和分散混合的作用。捏合销钉和螺杆根径形成的剪切区类似于双螺杆挤出机的压延间隙，这个间隙可以根据加工工艺的需要给予适当调整。随着螺棱的移动，这个间隙存在着一个最大值和最小值。
　　当移动螺棱接近最小间隙时，物料被捏合销钉挡住，并在较小的压力下被拉伸、切割和剪切，物料在被挤出的过程中频繁地经过销钉与螺棱侧壁间的间隙，不断地被拉伸、剪切和破碎，在长径比为4的往复式销钉螺杆挤出机中，物料流被分流的次数约为2．8×1 014。
　　1．4串联式磨盘螺杆挤出机
　　1．4．1特点
　　串联式磨盘螺杆挤出机是在端面挤出机和 “T”型挤出机的基础上发展起来的，具有如下特点： (1)在加料段采用大直径螺杆，增强了螺杆的刚性和强度，适用于高扭矩、大功率挤出； (2)采用深槽、大直径螺杆加料，可大幅度地增加产量； (3)采用多组磨盘反复研磨物料，其破碎、分散、剪切、混合和塑化性能优越； (4)采用组合式结构，磨盘和螺纹块的形状和组合形式可以多种多样，适用范围广； (5)采用可调节的磨盘间隙，适用于多种物料的加工生产。
　　1．4．2应用范围
　　CP J一75/135串联式磨盘螺杆挤出机，它主要适用于从橡胶、塑料到陶瓷的各类工业材料的连续混炼，制取其他螺杆挤出机无法加工的特殊高分子合金材料和高填充的物料。
　　1．4．3串联式磨盘螺杆挤出机的混炼机理
　　(1)磨盘的压缩与剪切作用
　　串联式磨盘螺杆挤出机的核心部件是多对串联在同一根芯轴上的动盘和定盘，其端面形状有扇形、菊形、臼目型等多种型式。定盘与动盘的间隙依次由高到低下降。2磨盘间的间隙越小，物料所受剪切增大，混合混炼效果变好，但物料流动阻力增大，挤出量将会下降。
　　串联式磨盘螺杆挤出机每一个磨盘的正、反2个表面都开有一定规则形状的花纹，显不出凹槽和凸棱。串联式磨盘螺杆挤出机的剪切作用主要发生在动盘和定盘凸棱之间的间隙处。
　　(2)磨盘的置换分配作用
　　当动盘转动300时，各凹槽内的物料被重新分割和置换分配。动盘转动到600、900和1200时，凹槽的物料被重新分割和置换分配的次数分别为22、23、24，依次类推。当动盘旋转速度为R时，单位时间内物料所受的累积分割和置换分配次数 (S)为S=2n×P×R(其中：n为凹槽数目，P为组合磨盘数目，R为动盘转速)。
　　1．4．4串联式磨盘螺杆挤出机的设计原理
　　在串联式磨盘螺杆挤出机中，动盘与定盘内物料的流动由3部分组成：①动盘的右侧间隙内的物料向动盘边缘作发散流动；②动盘边缘处的物料沿该处螺槽作轴向流动；③动盘的左侧间隙内的物料向动盘中心作收敛流动。在动盘的2个侧面上，凸棱边线的倾斜方向与半径放射方向夹角分别为“正”或“负”α角。当夹角为“正” α时，随着动盘的旋转，动盘与定盘凸棱边线的交点D将向外侧移动；相反，夹角为“负” α时，动、定盘凸棱边线交点O向内侧运动。基于上述工作原理，在入口侧将各圆盘的凸棱边线的倾斜角做成“正” α角，而在出口侧凸棱边线朝相反方向倾斜，当动盘旋转时，由喂料段输送过来的物料通过动盘与定盘之间的间隙，被“发散”输送到动盘螺旋沟槽的外圆周表面上，而后再被送到动盘的另一侧面，向磨盘的中心方向作“收敛”流动，依此类推，在磨盘工作区内形成物料的发散——轴向输送——收敛——轴向输送——发散的循环移动。在此过程中，物料受到超强的剪切、破碎作用，并被混炼、熔融和输送。
　　2 混炼技术与装置的发展趋势
　　混炼装置中聚合物的流动状态与其混合及分散度有关，近年来开发出了一些模拟预测聚合物流动状态的技术。这种模拟技术大致分为FAN法和FEM法2类。在1974年解析非啮合异向旋转双螺杆的挤出流动状态中首次应用了FAN法。FEM法是以三维场为基准，以速度、压力、剪切应力为变量，联立连续式方程、动量方程、本构方程来进行解析的手法。
　　聚合物混炼装置的基本原理都是基于辊筒或螺杆产生的剪切力作用而对物料进行混炼加工的。今后，混炼装置及混炼技术随着对现有设备的改良、改善，而向着高性能、宽领域的方向发展。
　　首先，向着高产、高效的方向发展。
　　其次，将各种混炼结构或装置进行组合，使混炼工序合理化。
　　再次，开发适合某些化学反应的混炼机器。