双螺杆挤出机的多功能化及其今后的发展一

1、双螺杆挤出机的多功能化及其今后的发展(一)夏宗顺译廉正生校双螺杆挤出机在二十世纪初才出现，但 问世后发展迅速，尤其是在混合和反应处理 方面的应用日见广泛。塑料工业界对双螺杆 挤出机主机性能的提高、多功能以及辅机的 多样化和高技术化日益关注。目前，关于双螺杆挤出机的研究，有些 方面理论上尚不完善，有待于更深入 的探 讨、研究。本文，笔者整理汇集了双螺杆挤 出机的发展史、现状和对未来的发展展望。1 双!杆挤出机的发展史双螺杆挤出机形式上大体可分为螺杆同 向旋转和异向旋转两类。现在使用的同向旋 转啮合型波形螺杆的原形最初是由德国人 Wunsche在1902年发明的(专利申请日期 是1901年)，其后

2、Easton也有类似的发明， 并取得了专利。1936年由Pease取得专利的 双螺杆挤出机蹑先用于塑料的加工，而将同 向旋转双螺杆用于工业化生产的是意大利的 Colombo在1939年发明的锥形双爛杆挤岀 机。Colombo任职的 Lavorazione Mate- rie PlastShe ( LMP )公司也制造 狂该型 式的桥出机。而英国RHWindsor公司引 进该技术生产出的双螺杆挤出机在当时性 能最优越，广泛地用于硬聚氯乙烯的挤出成 型。 现巳普及的高波形螺杆挤出机是以拜耳 公司Erdmengerl953年前后申请专利的结 构为原型，该机型具有优秀的混合和反应处 理性能。后来，由W

3、erner & Pfleiderer等 公司推出后在世界各国得到广泛应用。与 Erdmenger的捏合盘式相反,1953年Eck公 司闕专車带有连续啮合曲线混合元件胡混炼 机业务，但不久又将该专利出让给徳国Kra- uss-Maffei公司以“DSM ”的名称生产销售。26异向旋扶啮合型双那杆挤出机聂早问世 的是意大利的Pasquetti在1952年取得的专 利，并由徳国Schloemann公司生产。其后， i960年Kunststoffwerk Gebruder Anger GmbH的Withelm Anger和Anton Anger 兄弟使用Kestermann公司的异向旋转啮合 型双螺杆

4、挤出机进行硬聚氮乙烯挤出实 验，取得了戏剧性的成功。从此以后异向旋 转啮合型双螺杆挤出机就取代了一直在该挤 出成型领域内使用的同向旋转啮合型双螺杆 挤出机，直至今日。关于异向旋转非啮合型挤出机，1948年， 美国Welding Engineers公司开发出使用两 根不同长度螺杆的结构，被用于混炼机。迄 今这种型式在美国依然被广泛采用。 1962年美国的Farrel公司开发了在封闭式混炼器上附加螺杆的Farrel Continuous Mixer (FCM) o长年来该公司不断 加以 改进，引进该技术的神户制钢所也在继续生 产改进过的机型。表1 (a )和(b )中分别汇集了同方向 旋转双螺杆挤

5、岀机和异方向旋转双螺杆挤出 机巳实际应用的蛋要专利及其技术要点。2 双螺杆挤出机的理论单螺杆挤出机的螺杆输送理论，笔者 1951年发表的论文彼早。论文中有“塑料在 轴向移动是塑料和螺杆表面、机筒内壁的相 互摩擦作用的结果。缺少了哪一方面。这种 输送就不能进行。”等描述。单螺杆挤出机 中的物料输送是由物料与金属表面之间的摩 撩系数这一极不稳定的因素所支配，因而其 输送作用是非刚性的。而双螺杆挤出机则不 同，特别是异向旋转的双缪杆挤出机，沿着 两根螺杆釉、机筒内壁面廟螺杆槽面形成多World Plastics 11(1993)3 1994-2010 China Academic Journal E

6、lectronic Publishing House. All rights reserved, 表1 （ a）同向旋转双螺杆挤出机开发的历史（同向淀转啮合）年代发明者专利权拥有者专利号内 客1939R .ColomboLavora z ioneI.P. 370 578同向旋转锥形螺杆的原形.:Vi a t e r i e Plastic heB.P. 629 100沿螺杆曲线方向.螺杆直USP 2 563 396(1951)径.螺距逐渐变小1953W.MeskatFarbenfabrikenG.p. 862 668同向旋转波形螺杆的啮合部R .ErdtnengerBayer间隙很小有嵐擦接炖

7、的螺杆1954R .ErdmengerBayerG.P. 813 154箱双凸缘捏合盘1954R .ErdmengerBayerUSP 2 607 188带尬凸缘捏合盘1955J .Ku 1 gen等Joseph EckBP 783 461在螺杆中部加入混合元件&.Sohne（构成连续线）1956R. ErdmengerFarbenfabrikenG.P. 940 109带三凸缘捏合盘BayerUSP 2 814 472(1957)1956W.Meskat J.PawlowskiBayerG.P. 949 162卷有反螺纹1962克尔特哈尔徳受尊Krauss-Maf fe i特公昭I.Eck挤

8、出机的改进型3819697(DSM)3955871964R.ErdmengerFarbenfabrikenUSP 3 122 356螺杆元件和揑合盘的组合Bayer表1 （b）舁向旋转双螺杆挤出机开发的历史（异向旋转啮合）年代发明者专利权拥育看专利号内容1952C .Pasquet t iSchloemannB.P. 677 945异向旋转锥形螺杆原形.沿 螺杆抽线方向.螺杆直径、 螺距逐渐变小.1960汉斯威尔耐 赛尔巴哈Rolf Kester- mann符公昭43-14075在螺杆的中间设有开孔板的 两航段螺杆（异向旋转非啮合）1948L.3. Fuller1962爱德华审利、阿莱尔馆.

9、朱尼阿等Welding Engineers Farrel Corporation表中中文译出之人名皆为日文音译.译者注） 个空隙部“腔室”,基本上是螺杆转动一 周，“腔室”前进一个螺距的机构，即“刚 性”机构。物料被输送时，在螺杆轴向产生压力上BU卜塑杆1993年第3期USP 2 441 222两根不同长度的螺杆相互呈异向旋转特公昭39-23207在螺杆混炼元件上附加螺扌匕USP 3 154 808使混炼连续化(1964)升或下降的场合，除了上述输送作用之外， 由于压力梯度在螺槽内产生压力流，而当螺 杆为啮合状态时，在螺杆的啮合面间隙中产 生漏洩流。啮合部的物料流动是有啮合 的271994-2

10、010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 双螺杆挤出机的固有现象，它类似于压延辐 棍隙间的料流。荷兰的Jansgenl977年发表了按牛顿型 流体计算的有压力梯度时的流星与压力榜度 之间的关系。由于当时广泛使用异向旋转锥 形螺杆双螺杆挤出机加工硬聚氯乙烯，因此 也是以这一类挤出机作为研究对象。.笔者I960年前后曾着眼于物料在螺杆啮 合部的流动状态接近于压延編工作吋物料在 棍隙间的流动状态，并且物料是非牛顿（指 数规律）流体，对此进行了研究。但由于当 时没有电子计算机，对于实际间隙、

11、曲率的 渐变涉及双螺杆咗合部本身状态的计算没能 展开，对此深以为憾。关于同向旋转的波形螺杆双螺杆挤出机 的研究比较晚，1988年Akron大学的Szydl- owski-White用运动方程式求解了沿螺杆 轴流蚩和压力梯度的关系。根据这些研究报 告，研究时有采用非牛顿流体为物料对象 的。但在蠟杆啮合部，螺杆对物料的作用却釆 用了很粗略的近似。其它，诸如把输送疑君作 是推进流与压力流之差，其计算中与压力流 有关的系数B由实验求解的方法也巳发表。关于捏合盘的研究表明，轴向长度长的 捏合盘不产生轴向推力，而一个接一个按次 序扭转的捏合盘则产生轴向推力。亦即，当流 虽与轴向推进流相等时，压力不产生上升

12、或 者下降，比流鼠大的时候产生压降，而比流 量小的时候则压力上升。Stevens工科大学 的Sebastian-Rakos等研究者引进“体积有 限控制”的概念，硏究了轴向压力的变化。对于在中间扭转的捏合盘，无论其轴向 尺寸大小，在捏合盘的突起部位周围有强烈 的剪切作用，因比在进行螺杆设计时应注意 设置在需要强剪切的部位。另外，将轴向尺 寸小的相对于螺杆元件正向或反向扭转的几 个捏合盘叠加在一起时，其输送效果也得到 了证明。下面两点可说明捏合盘能发挥螺杆元件 所不能达到的混合、混炼效果。（1）如图1所示，相对于正面左边第 一个盘端面朝下降方向的运动，右边第二个 盘朝上升方向运动，中间流动的物料被

13、两个 盘缘切断，在这里物料被分流和交换位置。（2 ） ftllTodd|&出的那样，物料从上 流流向下流时，例如在图2 （a ）的状态， 机筒和捏合盘围成的物料空隙容积很小，而 螺杆旋转45。之后，在图（b）的状态，客积 增大，再旋传5。之后，在图（c）的状态， 该容积増大到约初始位置的2倍。但建一旦 超过上述位置，随行燎杆的旋转，容积就会 象（d ）、c）那样缩小，就这样物料在流 动过程中，随空隙容积反复地增大、缩小。 Todd把这称之为“压缩一膨胀效应”（Co mpression expansion effect ）.照片1（略）中所示是捏合盘和螺杆元 件，捏合盘是5个1组30。右旋。图1

14、 双凸缘担合盘的捏合区段物料从正面经第1 第2第3捏合盘流 向背面，例如左边的第I捏合盘的凸缘向 下运动.而对应的右边第2捏合盘的凸缘 向上运动.这时分流被切断使物料的均匀 性得以提高.3 双杆挤出机应用苑EB的展开双螺杆挤出机的应用有混料和制品挤 岀。其中，用于制品齐出是从I960年开始 的。异向旋转啮合型挤出机广泛用于硬聚氯 乙烯挤出。硬聚氯乙烯粘度高、热稳定性 差，需妥尽可能地以自发热少，低遥而且自 清洁性良好的状态挤出。对此，异向旋转的 锥形啮合型双螺杆挤出机最为合适。对于自28World Plastics 12(1993)3 1994-2010 China Academic Jour

15、nal Electronic Publishing House. All rights reserved bd清洁性要求很苛刻的挤出加工，则应使用异 向旋转完全啮会型挤出机，表2是双螺杆挤 出机的用途介绍。 3.1挤出机的多点加料过去挤出机的加料通常都是在螺杆螺纹 末端即加料段进行。然而，最近在表2所列 出的那些混料过程中，进行填料的混合、聚 合物共混、反应尊，所加入的原料不是一种 而是几种，因此需要使用多个原料供给装置 （加料器），于是出现了多点加料挤出机,.通常的供料方式有用几个加料器向同一 个料斗口供料，而用得最多的还是沿机筒的 纵向设賈儿个加料口，依次供料（辅、助严:使用多点加料的方式

16、有下列优点* .省力、节能、降低生产成本*假如想把几种顶料预先混合后再使用;那就必须有预混合工序。在工艺过程中，工图2由机筒和捏合盘构成的物料空隙容积变序数增多自然能耗.成本就上升当用几$化及伴戏压缩一膨胀变形状态加料器按比例加料时，工序数少，从而能修表2双螺轩挤出的工艺分类.对象物及厳近的技术趋向二工 艺对象物丽填科血合玻璃/碳索纤维混合 金属/陶瓷粉泡合抗静电剂/阻燃剂混合 聚合物共混PVC/ABSPA/PPOPP/弹性体工程塑料/弹性体反应处理热固性塑枫附加聚合接枝聚台缩聚脱水/脱溶剂聚合后处理髙速溶解向塑料中充填油液制品 管/片材的 硬聚氯乙烯管/片材. 挤出成型霁字形材等等 国夕卜塑

17、料加03年第3期最近的技术趟向q丽甄料的填充11能呂透比例一丹花争性疮施厠填料进行表面处理.使其可润性改善.最近较为注目的 是使用相容剂使填料和聚合物的相容性在相当短的吋间 内得到改善.有关机械方页的改善措施将在后面叙述. 通用工程塑料相互间的共混中.结晶型聚合物和非缤总 型聚合物的共混受到广泛的关注.过去通常長使用、相 容性好的聚合物共混而现在使用相容剂.便相容雀址 的聚合物共阴巳令人瞩目.”因物料在挤出机中吸热咸发热.因此必须将反应过程和 挤出机的加热冷却很好能协调控制.对塚杂化的旗料 供给排气導辅助设备巳作为化工装置的一部分加以:考 虎要求防爆、保护环境、洁净化/.在糊状聚合中仅进行单体

18、的代体脱除，在溶液聚合、，悬 浮聚合.生料聚合中，大多預先进行溶剂水的脱變排 气而挤出机中进行的排气对挥发份多的区域，其询气 机理则不同.设想逐次供油.h挤出最的增大不同壁厚自动阔节.宜径.壁厚：血度 割6控 快29 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved hltp:/vvwki.nct省力、节能和降低生产成本。加料时间和瘩融过程中的物料状态相 吻合在挤出机内的主原料(树脂熔阻过程 中，可以选择在物料呈合适的塑化状态的部 位将添加料捕助地加入，以得到咏佳的混合 效果.图3

19、所示是挤岀机螺杆和在螺構中流动 的主原料(树脂)的熔融过程关系。在熔融 过程中，物料通过其熔融点附近即摩擦毎数 或粘度呈极大值的区诚，该区域中，对物料的剪切应力t = n r(引为粘度，:为剪切 速率)达到最大此如果辅助加料在熔融点前某个位置进 行，物料肯定娶通过熔融点，基料就会如上 面所说的那样受到很大的剪切力。例如，在 加入微小粉粒的填料时，由该剪切力破坏塩 料的凝集，使填料得到均匀分散。然而，当填 料为曉质材料且不能为熔融基料所包容，以 屡露状态直接和捏合盘等接触时，将产生强 烈的剪切而磨损金属壁等。对此，假如能在 越料刚好熔融的区域，而且基料粘度并不太. 低的伏态下加入填料，就可避免上

20、述缺点。在基料刚好熔融的区域，加入填料的另 一个优点是基料的体积减小，在加填料的部， 位螺槽的空隙容积加大，利于填料的加入。 当填料長:二氧化硅或構石粉等微小粉粒时，- 由于填料的表观比蛍毁小，填料需要预先造 粒，以便容易加入。和上述填料相比较，玻璃纤维、碳索纤 维、导电性填料碳黑等,则 希望在物料粘 度低的部位，亦即靠近挤出机头部的位置加 入，这时能避免对基料施加强剪切应力，并 可在挤出时不造成纤维的折损或者导电性填 料的导通性能下降。在混炼掺混聚合物时，当把熔点高的树 脂和熔点低的树脂混合在一記加入挤出机 时，熔点低的树脂先熔融，而其中熔点高的. 杨脂呈浮游状被输送，造成了混合和塑化不30

21、 :图3树脂熔液过程中温度和粘度或者摩攥系 敷之间的关系 图中，下方的挤出机的温度低定为从加料口到 出料口有大致和上方的温度曲线相近的温度梯度， 熔題前辅助加料和熔越后辅助加料，分别是在熔点 以下的温度和熔点以上的温度进行.良现象。为消除这一缺陷，有采用图4那样的 方式，即将熔点高的树脂由主挤出机进行塑 化，在主挤出机的中部由辅助挤出机将熔点 较低的树脂塑化加入圭挤出机。然后由主挤 出机将两种树脂混合、混炼后挤出。反应和原料添加次序在反应工艺过程中，原料的供给大多需 嬰按次序进行。图5所示的将己内酰胺聚合制 成尼龙的设备槪略图中，其加料顺序如下，(A) 己内酰胺+他化剂(B) 己内酰胺+促进剂

22、(C) 佩化剂活性终止剂(阻化剂(D-)排气然而，根据Tucker介绍，例如在制造World Plastics 110993)31994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved图4用双螺杆济出机乍为主挤出机.移动式单螺杆挤出机（UT!）作为辅助挤岀机的逐级供料很 合方式挤出系统.I.：t3.2挤出机妁多段排弋图5用己内酰胺的负离子聚合法生产尼龙6 的装匿简图. a菲嘿合双螺杆挤出机柱奉泵c-三通阀d再循环管路e-冷凝器/凝汽 阀f一己内酰胺+催化剂（浓缩）g用氮 净化了的縱 h已内

23、酰胺4妙嵐化剂i 一催 化剂活性终止間i由戏空泵堆出捧发份 上一尼龙6+残馆己内酰胺，ABS塑料时，首先加入胶质接枝聚合物（苯 乙烯和丙烯睛接枝席的聚丁二烯）,在使它 呈活性化“J状态石加入基料（AS树 脂） 据称这是一种较好的工艺方法。另外，也有 加料敞序与之相反的工艺方法的报道。国夕卜塑料1993年第3期以往由挤出机排除物料的挥发份，在单 螺杆挤出机上也能进行，但比较常见的是设 置一个排气口，进行一次性排气。最近在双螺 杆挤出机上设置两处以上的多段排气机型不 断增多。原因之一是因为在挤出机中的聚合 过程，或在进行聚合过程的后处理时，由聚 合反应尊伴生水分等副生物较多的塑料品种 日益增多。在

24、挤出机中进行排气，对于含有大就挥 发份的塑料来说，在加料区附近排气和在挤 出区排气时物料的运动状态是不同的。 Lindt Foster针对该点进行研究，发表了 表3所列的排气的基本机理。其中应在质按交换速率大的区域进行的 排气，常见于诸如溶液聚合后的处理，而在 进行块状聚合肘则不常见到。质更交换速率 大的区域，只有在处理未反应的单体（百分 之几以下）吋才能见到。不言而喻，在洛液 聚合后的后处理过程中，我初质星交换速率 很大，但随着排气的进行，质蚩交换速率逐 渐减小。在质址交换速率大的区域，排气时产生311994-2010 China Academic Journal Electronic Pu

25、blishing House. All rights reserved, 表3工艺的分解j :|-后部卅气i第一排气|真空排气质量交换速率大的区域胡鼠交换速率小的区域箭头長表示理论咗因素的相互作用泡核作用(Nucleation )、气泡成长(Bu- b；b(e Growth )、气泡移动(Bubble Mo_ tion )、气泡破碎(Bubble Rupture )。 在气体的比例较大的场合，则容易引起气泡 合休(Coalescence )。关于气泡生成的排气机理，Biesenbe- rger Lee对在转筒四周靠上括板并使转筒旋 转的模型加以研究，发表了初步研究成 果。对于泡核的生成、泡的成

26、长、移动等 等，Foster Liudt进行了研究。例如泡核生 成速率/与泡的液怎部分中挥发份的平均浓 度c的半经验关系式，.-R】=a exp(- )( 1).式中，a、B是常数，但随螺杆转速、 排气口温度的变化而变化。某一示例的数据 如孝4所示。关于泡的成长，实际上泡并不是单个地 帝在于基料中，它还受到周围的泡的影响，I 表4用于计算泡核生成速率的常数a% p和 螺杆转速嫁仲转速i * i ap:：3002100.0784002000.08 5475i 丄2000.04432并不严密地符合“在一定的温度，一定鼠的 液体中溶解的气体分与该气体的压力(分压 成正比”的Henry定律。物料的温度

27、、浓 度、粘度等都时时在变化。由于涉及由蒸发潜 热产生的物料温度下降等复杂因索，使寻求 其严密的关系极为困难。Chella Lindt在 作了各种假设后计算了泡径的成长。计算中设在有dp/d*压力梯度的区域， 直包为d的泡移动二距离所需耍的时间切为 tp ddp/dxT ( 2) 式中，A流体的粘度而泡破碎则当作毛细作用数Ca达到某 一临界值时的现象。式中* Y 加在泡上的剪切速度d 泡宜径a表面张力在质交换速率小的区域，扩散是对排 气的文配因索。Nangeronl-Denson将薄膜的厚度随时 间减少时挥发浓度的变小作为时间和厚度方 向距离y的函数求解。其连续方程为9C 莅.a2Cn 9C、

28、r* +vy 宜=D一 .( 4 )9lsy2 9yz v 7式中，C_无it纲浓度一厚度方向的速度 过程时间 这里省略其解。但根据连续方程可知浓度在 薄膜芯部高，越到表面越低。并随着时间的 延长而变化。Denson-Fray-NangeroniSij定了 熔融聚合物中含有的有机挥发分的扩散系数(Diffusion Coefficient )。他们的研究是将加热到熔点以上的含有挥发份的聚合物平板(下转第47页World P laslics 11(1993)3【994-2() 10 China Academic Journal Electronic Publishing House. All r

29、ights reserved, uisse公司，英国Camvae公司，德国4P公司， 日本Oike公司，Toppam印刷公司，Toyo Ink公司等巳开发出这类产品，并开始工业 化生产。采用无金属涂层的优点是可以观察袋内 包装物，釆用金属涂覆则不能检测潜在的金 居污染,这就是有些食品商采用氧化物涂覆 膜的原因oAhisuisse公司有一条生产氧化物 涂层的生产线，涂覆宽度为700mm,该公 司宣称是目前唯一能用氧化物涂BOPP的厂 家0氧化硅是一种类似玻璃的物质，当涂雇 厚度为百万分之一亳米时，就具有象软捜料 一样的性能。在离真空涂覆设备中，氧化硅 在130013左右直接从固态升华为汽态。该技 术在1967年就巳申请专利，最近几个月由于 大功率的电子枪和等离子喷镀技术的使用才 得以工业化。Leybold公司宜称250kw的单 电子枪能涂稜1米宽的膜，速度为12米/秒。 它的设备不仅能涂铝，还可以涂氧化物， 而且只须更换涂层汽化原料的堆境就行，不. 必停机。氧化硅的分子式最好参考SiOx,而不是 Si。】或SiOt,因为升华过程中产生的是氧