同向旋轉(zhuǎn)嚙合雙螺桿擠出機(jī)（TSE）能夠?qū)⑺芰吓c添加劑和填料混合，從而賦予最終產(chǎn)品所需的特性。與大多數(shù)制造操作一樣，在雙螺桿系統(tǒng)中，我們通常是把生產(chǎn)速率和產(chǎn)量開到最大，同時盡力保證產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定。

 

       “邊界條件”是阻礙實現(xiàn)更高生產(chǎn)率的操作參數(shù)。一個簡單的例子是螺桿轉(zhuǎn)速/rpm，如果螺桿轉(zhuǎn)速從 400 增加到800，產(chǎn)量就可能翻倍，當(dāng)然只要這過程中沒有遇到另一個邊界條件。（譯者注：這里的邊界條件類似于我們常說的木桶效應(yīng)，我們可以不斷彌補(bǔ)短板的長度，但到一定程度時，總有一根短板會影響桶內(nèi)能裝多少水）

 

 

 

       在雙螺桿擠出機(jī)的運行過程中，下面這些條件會成為制約生產(chǎn)速率的典型邊界條件：

 

       一、扭矩

 

       當(dāng)電機(jī)功率（kW 或 hp）不足以轉(zhuǎn)動螺桿并將材料泵送通過 TSE 工藝部分和模頭時，就會發(fā)生扭矩受限過程，使螺桿軸限制了 TSE 中的扭矩傳輸。螺桿軸的額定功率以牛頓米（N/m）或某種等效值（兩個軸）表示，影響因素包括：橫截面尺寸、軸體材料、花鍵幾何形狀和軸硬化工藝。最先進(jìn)的非對稱花鍵軸可以將電機(jī)的功率更多傳輸?shù)铰輻U中，從而將切向力矢量隔離。

 

 

非對稱花鍵軸的TSE 元件

來源（所有圖片）：Leistritz Extruding USA

 

       部分熔融 HDPE 或 PP 配方的加工可能會受到扭矩限制，因此，扭矩額定值較高的 TSE（在其他條件相同的情況下）的運行速度要高于扭矩額定值較低的 TSE。提高扭矩受限工藝的速率的 TSE 因素可能包括移除捏合元件，并提高熔化區(qū)中的區(qū)域溫度設(shè)定點。

 

       二、體積

 

       當(dāng) TSE 中剩余的自由體積阻止更多材料進(jìn)入擠出機(jī)時，該工藝為體積受限工藝。螺桿外徑除以螺桿內(nèi)徑，稱為 OD/ID 比，是給定螺桿直徑下 TSE 中可用自由體積的指標(biāo)。

 

       由于雙螺桿制造商沒有標(biāo)準(zhǔn)化的螺桿尺寸，因此 cc/直徑是最佳指標(biāo)。例如，當(dāng)將 OD/ID 比率為 1.55、直徑為 240cc 的 70 毫米 TSE 與 OD/ID 比率為 1.66、直徑為 300cc 的 ZSE-75 MAXX 進(jìn)行比較時，在其他所有條件相同的情況下，您可以預(yù)期吞吐率會增加 30%。

 

 

Leistritz ZSE-MAXX 工藝部分的自由體積（橙色）

 

       想要提高體積限制，維持進(jìn)料密度，可以采用：使用專用材料處理設(shè)備；最小化失重式進(jìn)料器到 TSE（或側(cè)面填充器）的下落距離；使用帶擋板的下落槽加大側(cè)喂料螺桿；利用真空輔助處理；調(diào)整機(jī)筒溫度曲線；以及操縱 TSE 工藝部分的螺桿和通風(fēng)口設(shè)計。

 

       三、質(zhì)量傳遞-分散混合

 

       薄膜或纖維色母粒會有更高的分散混合要求，并在一定程度上成為邊界條件，并成為實現(xiàn)更高速率的限制因素。

 

       分散混合依賴于旋轉(zhuǎn)螺桿對聚合物基質(zhì)施加的強(qiáng)力。較寬的捏合元件會加劇拉伸混合和平面剪切效應(yīng)，從而實現(xiàn)分散混合，相比之下，窄捏合元件有利于高分割速率混合，同時將拉伸效應(yīng)降至最低，從而產(chǎn)生分布混合效果。捏合元件可以按正向螺距（不太劇烈）、中性螺距或反向螺距排列。

 

 

寬混合/揉捏元件中的混合機(jī)制可實現(xiàn)分散混合

 

       任何 TSE 固有的混合效應(yīng)都會受到以下因素的影響：

 

       螺桿間隙：TSE 通道中的混合率與單螺桿擠出機(jī)相似（與其他 TSE 區(qū)域相比要低得多）。

 

       邊緣間隙：螺桿頂端和機(jī)筒壁之間是材料受到明顯平面剪切效應(yīng)的地方。

 

       拉伸混合：拉伸混合發(fā)生在材料從間隙到邊緣的過渡過程中會經(jīng)歷“加速、拉伸和斷裂”。

 

       頂點（上/下）區(qū)域：上、下頂點區(qū)域是材料“感受”第二個螺桿的地方，這會產(chǎn)生方向流動變化、壓縮/膨脹和軸向混合效果。

 

       嚙合：少量、有限的材料通過螺桿之間并受到強(qiáng)烈的剪切力（并且可能導(dǎo)致降解）。

 

       進(jìn)料速率與螺桿轉(zhuǎn)速的關(guān)系決定了材料的停留時間分布，并且通過螺桿設(shè)計和溫度曲線調(diào)節(jié)過程的傳質(zhì)/混合特性。

 

 

捏合塊示例：窄盤有利于分布混合；寬盤有利于分散混合

 

       分散混合應(yīng)用的吞吐率相對較低。隨著速率的降低或增加（在恒定的螺桿轉(zhuǎn)速下），材料在混合區(qū)停留的時間會有所增加或減少，而剪切效應(yīng)和延伸流場占主導(dǎo)地位，因此“混合體驗”會受到影響。

 

       四、質(zhì)量轉(zhuǎn)移-脫揮發(fā)/排氣

 

       TSE 非常適合脫揮發(fā)，因為 TSE 工藝部分的壓力梯度很容易設(shè)計成適應(yīng)排氣口下方的零壓，以防止排氣口溢流。脫揮發(fā)是一種質(zhì)量轉(zhuǎn)移受限工藝，其中未反應(yīng)的單體、溶劑、水或其他不良揮發(fā)性污染物在TSE 工藝過程中從聚合物熔體中去除（最多可去除 25%）。

 

       增加螺桿轉(zhuǎn)速和/或降低速率通常可提高脫揮發(fā)效率。可按順序排列排氣口，并施加大氣或真空以進(jìn)一步增強(qiáng)脫揮發(fā)效果。在高螺桿轉(zhuǎn)速下，配方可能會發(fā)生降解。

 

 

配備加熱通風(fēng)管，用于ZSE-MAXX 工藝段的真空連接

 

       影響脫揮效率的因素包括：

 

       1、通風(fēng)口下方的停留時間越長越好，但：

 

       氧氣、剪切力、時間和溫度可能會導(dǎo)致降解和副反應(yīng)；

 

       了解降解動力學(xué)。

 

       2、熔體的表面積越大越好：

 

       熔池較小；

 

       增加螺桿轉(zhuǎn)速；

 

       減少率。

 

       3、表面更新率越高越好：

 

       更新的表面來自滾動的熔體和部分填充的螺紋元件通道；

 

       增加螺桿轉(zhuǎn)速。

 

       雙螺桿工藝段的停留時間通常為 15 秒至 1+ 分鐘。與 TSE 排放 Tm 相比，高溫下的延長停留時間可能是導(dǎo)致降解的主要原因。包括換網(wǎng)器、齒輪泵和模頭在內(nèi)的末端系統(tǒng)會要求擠出機(jī)再降低 Tm 輸入。

 

       五、研發(fā)階段原材料的稀缺性/成本

 

       在早期開發(fā)階段，可用的原料數(shù)量通常有限。因此，挑戰(zhàn)在于較低的樣品需求量。為了適應(yīng)有限的小試擠出，雙螺桿擠出機(jī)需要使用特殊的低容量螺桿（1.2/1OD/ID 比，直徑 1cc，自由體積）和用于微量喂料的特殊進(jìn)料機(jī)制（例如，總共 50 克），以便未來進(jìn)行擴(kuò)大規(guī)模的量產(chǎn)。

 

 

已獲專利的微型柱塞進(jìn)料器，適用于 TSE 上的小批量加工

 

       六、上游和/或下游限制

 

       TSE 系統(tǒng)就像一條鏈條，其強(qiáng)度取決于最薄弱的環(huán)節(jié)。雙螺桿擠出機(jī)通常有多個進(jìn)料流和各種輔助設(shè)備。然后將模具和下游系統(tǒng)連接到 TSE 前端。如果制造“列車”中的任何組件無法正常工作，則系統(tǒng)的整體產(chǎn)量將受到該設(shè)備的限制。

 

       轉(zhuǎn)自——鏈塑網(wǎng)公眾號

              

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