混炼技术及装备的思考与见解

1、仅供个人参考混炼技术及装备的思考与见解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不同的混炼目的和内容，对所需设备的功能提出了不同的要求。 因此在高聚 物混炼加工技术领域中，混炼机理、配方及结构形态的研究，混炼装备和控制技 术开发研究，最佳操作工艺条件的

2、科学确定三者是有机地结合在一起的。从高聚物流动和变形的角度分析，提高混炼质量应从物料在挤出机内的滞留时间、剪切 变形、比能、分流数以及粒束位置变换等五个方面进行考虑。单螺杆挤出机主要用剪切型、分流型、流束位置交换型混合件来完成混合混炼加工，由于每类元件 都不可能同时满足上述五方面的工作要求，因此提出了开发特殊形式的高效多功 能螺杆混炼机的任务。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：对含一定水分、溶剂和 单体的物料直

3、接进行清洗、凝固、挤压、脱水干燥和造粒；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；对粉沫涂 料、色母料、催化剂、油漆、食品、纸浆等进行分散混合；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“今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

4、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、5代提高了30 %，螺杆最高转速为I 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

6、起的压力波动。12 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

7、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

8、， 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

9、可以更高。13 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

10、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 . 8X1 014。1 4 串联式磨盘螺杆挤出机1 41 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

11、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 42 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。143 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

12、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

13、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=2nX PXR(其中：n为凹槽数目，P为组合磨盘数目，R为动 盘转速)。144 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： 动 盘的右侧间隙内的物料向动盘边缘作发散流动； 动盘边缘处的物料沿该处螺槽 作轴向流动；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”角。当夹角为正” a,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”时，动、定盘凸棱边线交点o向内侧运动。基于上

14、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” a，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。随着流动性好的原材料以及新型的连续加工设备的采用， 连续混炼必将开辟 混炼工艺的新领域，连续混炼设备必将成为未来炼胶设备的主要发展方向之一。 对于连续混炼设备的研究， 一方面将继续

15、放在粉末化、 造粒技术上； 另一方面是 考虑研制适合现有大块物料或高粘度的物料的连续混炼设备或部分连续混炼设 备，这都将开辟新的混炼领域。 现在我国在连续混炼方面落后于发达国家， 需要 我国密炼机生产厂家加紧对连续混炼技术方面的开发和研究。For personal use only in study and research; not for commercial use不得用于商业用途仅供个人用于学习、研究；不得用于商业用途For personal use only in study and research; not for commercial use.Nur f u r den per

16、s?nlichen f u r Studien, Forschung, zu kommerziellen Zwecken verwendet werden.Pour l ' e tude et la recherche uniquementa des fins personnelles; pasa des fins commerciales.to员bko gA.nrogeHKO TOpMenob3ymm0ai6yHeHuac egoB u HHue肉go 员冶hbiucno 员 B30BaTbCEb KOMMepqeckuxqe 员 ex.以下无正文仅供个人用于学习、研究；不得用于商业用途For personal use only in study and research; not for commercial use.Nur f u r den pers?nlichen f u r Studien