塑料混合混炼设备的种类与性能特点

1、塑料混合混炼设备的种类与性能特点耿孝正（北京化工大学，北京100029） 塑料改性（物理改性共混，填充，增强改性，化学改性）中一个重要而不可或缺的步骤就是混合混炼。除了参与改性的各组份选择外，混合混炼工艺路线的确定及混合混炼设备的选择就是一个重要的问题。本文主要介绍各种混合混炼设备的特点及其选择。为讲清这个问题，也有必要对塑料改性中的混合混炼做一简单的介绍 一、塑料改性中的混合 将两种或两种以上的聚合物熔混在一起，或将非聚合物的添加剂与聚合物熔混在一起，形成一种新的，具有与参与混合的各组分性能不同的，且具有所希望的新的性能的混合物的方法，叫聚合物改性。聚合物改性有物理改性，化学改性，物理改性过

2、程中一般没有化学反应，而化学改性过程中有化学反应。物理改性又分共混改性，填充改性，增强改性。共混改性是指将两种或两种以上的聚合物熔混在一起；填充改性是把非聚合物（各种填料）与聚合物熔混在一起；增强改性是把长径比大的填料加入聚合物熔混在一起。所有这些改性都要经历混合过程，可以说，混合是聚合物改性中最重要的一个环节，没有混合也就没有聚合物改性。更广义地讲，聚合物加工中，没有一种过程不存在混合。什么是混合？混合是一种操作，是一个过程，是一种趋向于减少混合物非均匀性的操作过程。或者说，混合是这样一种过程：在整个被混合系统的全部体积内，各组分在其基本单元没有本质变化的情况下的细化和分布。按照混合理论，聚

3、合物改性中的混合可分为非分散混合，分散混合。也可以按物料的状态分为固/固混合；固/液混合；液/液混合。前一种分类是本质的，本文不讨论固/固混合。 1非分散混合 非分散混合（non-dispersive mixing），也叫分布性混合（distributive，mixing）。其特点是：混合过程中各组分粒子只有相互空间位置的变化，而无粒径大小的变化。非分散混合过程的关键变量是应变和应变施加的方向。对于层流混合的简单剪切流场，混合进行的好坏，可以用条纹厚度（间隔）表示，也可以用各组分之间的界面的大小（增长）来度量。界面面积越大，条纹厚度越小，表明混合得越好。从理论上，条纹厚度可以小到分子水平，这时

4、可以得到完全均相的混合形态。界面的增加与应变成正比，在低应变下，依赖于界面的初始取向，界面面积随施加应变的增加可能减少或增加，应变越大，界面增加越大。因此，要想混合好，必须施加大的应变；而应变施加的方向角可以使界面增长，也可以使界面减小。因而，要想使混合好，剪切必须在与流动方向成某一最佳夹角施加。拉伸应变比剪切应变更有利于混合。在实现非分散混合中，剪切、拉伸、分流、置换、合并都会增加界面。2分散混合 分散混合（dispersive mixing），也叫强烈混合（intensive mixing）。分散混合又分固相结块在熔体中的分散和液滴的破裂，分散。对于固相的分散，各组分粒子有粒径的减小，也有

5、空间位置的变化。固相结块的分散混合过程中的关键变量是应力。只有当流场作用到固相结块上的力在结块内产生的内应力大于固相结块的许用应力，固相结块才破碎，分散为更小的粒子。由于剪应力等于粘度与剪切速率的乘积，故剪切速率越大，剪应力越大，流场对固相结块的作用力越大；粘度越高，作用力越大。而粘度与温度有关，温度越低，物料粘度越大。因而，要想使固相结块破碎，应在低温下混合。固相结块的粒径越大，作用力越大，可以推想，大的固相结块先破碎，小的固相结块后破碎，结块越小，破碎越困难。在塑料的填充改性中广泛采用的母料法可以说明这一理论的应用，因为母料中添加剂浓度高，故混合物粘度高，接受的流场作用力大，固相容易破碎。

6、 流场要对固相结块提供大的剪应力，除了必须提供大的剪切速率外，按照混合理论，还应使流体微元多次通过高剪切区（小间隙），才能使固相分散。因而，混合机的混合区或混合元件应设有窄间隙，在高的相对速度下，窄间隙中就会产生高的剪切速率和剪应力。在分散混合中，对于两种熔体之间或熔体与液体添加剂之间的混合，有一个液滴的破裂，分散的问题。两组分的粘度比越大，相容性越差，表面张力越大，少组分的液滴越不易破裂，分散， 混合均匀；在连续相粘度不变的情况下，少组分的粘度越高，其液滴越不易破裂。剪应力越大，液滴越易破裂，分散。在实际混合过程中，非分散混合，分散混合是同时存在的。没有良好的分布混合，也不会有很好的分散混合

7、。因而，混合机必须能提供良好的分布混合和良好的分散混合。当然，结合需要完成的混合任务，在选择混合机时，要考虑混合机能提供那一种混合为主。鉴别混合机的混合性能，还可以用停留时间分布函数RTD（Residence Time Distribution）。 如果RTD曲线的两拐点之间的距离大，表示混合机纵向混合好，距离小，表示纵向混合差。RTD曲线的尾部在横坐标上的长短表示混合机是否易于清理，长表示不易清理，短表示易清理。二、各种混合混炼机的性能特点及其选择 混合机有预混机，塑化熔体混合机（即本文重点讨论的混合混炼机）。塑化熔体混合混炼机又分间歇式和连续式。1间歇式塑化熔体混炼机 （A）两辊开炼机历史

8、悠久，现在仍在大量应用的混炼机，大家比较熟悉。它有良好的混炼性能，可以进行分散混合和分布混合。其混合时间和混合强度可方便地进行调节，直至达到混合质量要求，且在混合过程中可很方便地检查混合状态。但操作条件太差，散热量大，能量利用不合理，间歇操作也使混出的不同批量物料的质量有差别。这种机器价格便宜，易买到。 （B）密炼机具有非常优异的混炼性能，特别是分散混合性能。混合效率很高，但能耗大，价格很贵，一般厂家没有这种设备，也不会轻易购卖它，只有在大厂，尤其是橡胶加工厂或聚氯乙稀加工厂才有这种设备。 2连续混合混炼炼机 一台理想的连续混合混炼机应当具有以下特点：l 有均匀的剪切应力场和拉伸应力场 l 有

9、均匀的温度场，压力场， 物料在其中的停留时间可以柔性地控制 l 有能够均化不同流变性能物料的能力 l 在物料分解之前，能有效地均化物料 l 能把混合过程中产生的气体排除 l 能在可控范围内改变混合过程参数，适应不同要求 下面以此为依据讨论各种塑化熔体混合混炼机的特点：连续混炼机有单螺杆挤出机，双螺杆挤出机，FCM（LCM），Buss Kneader，行星螺杆挤出机等。下面分别讨论它们的混合性能及应用，选择：（A）单螺杆挤出机 这是塑料加工中最常应用的机器，大家比较熟悉。但单螺杆挤出机又可分两类，一类是常规单螺杆挤出机，一类是装有混炼元件的单螺杆挤出机。 所谓常规单螺杆挤出机，是指其螺杆系由全螺

10、纹组成的三段（加料段，压缩段，计量段）螺杆。常规单螺杆挤出机主要用于板、管、丝、膜等塑料制品的挤出。在这些制品的挤出过程中虽也有混合，但对混合不是主要要求。大量理论分析和实践证明，常规单螺杆挤出机中的物料的融熔机理是有熔移走下的传导熔融，在熔融区，固液两相界限分明，这是一种效率低的融熔机理。而在熔体输送区主要是简单剪切流，且没有窄间隙的高剪切区。这些种特点使得常规单螺杆挤出机的混合性能很差，即不能提供良好的分散混合和分布混合。若要通过提高螺杆转数来提高剪切速率，以增加混合能力，又会影响融熔塑化质量。总之，常规单螺杆挤出机不适合用于混合作业。 这也许就是选用常规单螺杆挤出机来进行混合作业时得不到

11、预期结果的原因。 装有混炼元件的单螺杆挤出机。为克服常规单螺杆挤出机的上述缺点，人们研制出形形色色的非螺纹元件或非常规螺纹元件，并将它们装到常规单螺杆的不同轴向位置上，以取代该位置上的常规螺纹区段。虽然，这些元件中的一部分当初研制出来时不是为提高混合能力，而是为促进融熔塑化，但它们的确能同时改进常规螺杆的混合能力。这些螺杆元件有：销钉段（机筒）， 屏障段（直槽和斜槽），BM（Barr）螺杆，波状螺杆等。可以将它们分为两大类：混合元件（螺杆），剪切元件（螺杆）。混合元件以销钉螺杆为代表，其特点是在螺杆不同轴向位置设置了不同直径，不同数目，不同排列，不同疏密度的销钉。这些销钉能对已融熔的物料进行分

12、流、合并、增加界面，故能起到分布混合作用。若将销钉安装货在固液相共存区，还可促进融熔。但销钉螺杆无窄间隙的高剪切区，因而不能提供高的剪应力，故不能进行分散混合。但若在螺杆和机筒相应部位同时装有专门设计的销钉（区），形成窄间隙的高剪切区，则可能进行分散混合。 剪切元件以屏障螺杆为代表，它们为非螺纹元件，其上有窄间隙的高剪切区，可以提供高的剪速率和剪应力，适于分散混合，也适于分布混合。 其它混炼螺杆如波状螺杆，BM螺杆，CTM（Cavity Transfer Mixer）元件等，它们除了能促进融熔外，还可以增加分布混合和分散混合。 另外，在螺杆末端和口模之间可装上静态混合器（有很多种），可以提高挤

13、出机的分布混合能力，但不能提高分散混合能力；但如果在螺杆末端和口模之间装上拉伸流动混合器 EFM（Extensional Flow Mixer），则可以提高分布混合和分散混合能力。 应当指出，用于混合作业的单螺杆挤出机最好设有排气区，因为在混合过程中需要把产生的气体和加料时带入的空气排出。 （B）双螺杆挤出机 这是应用最广泛的另一种挤出机。双螺杆挤出机有很多种：啮合同向双螺杆挤出机，啮合异向双螺杆挤出机（又分平行的，锥型的），非啮合双螺杆挤出机。它们的工作机理和性能及用途有很大不同，选用时必须弄清。啮合同向旋转双螺杆挤出机 这种双螺杆挤出机采用组合式，其螺杆和机筒都是组合的。其长径比大（L/D

14、=36-48），螺杆转速高（新一代最高可达1200转/分），配有各种混合元件和剪切元件。通过科学的组合，可以提供高的剪切速率和剪应力，能进行分布混合和分散混合。可对不同聚合物（两种及两种以上聚合物）和配方（聚合物中加有各种添加剂）进行共混、填充、增强改性，也可进行反应挤出，它比单螺杆挤出机的混合能力有大幅度的提高，是目前塑料改性中用得最多的一种机器。 这里应当指出，虽然这种机器性能好，但若不会应用，就发挥不了它应有的作用。当前最突出的现象是，有的使用单位（甚至是院所）自机器买回来，不管是什么物料，什么配方，完成什么混合作业，都用一种螺杆（机筒）组合，从来没有（或很少）拆过螺杆（机筒），进行过重

15、新组合。一种螺杆（机筒）组合到底 ！这是很不应该的，完全违背了这种双螺杆的设计用意，也不会有好的使用结果。正确的使用应当是根据不同的物料和配方，以及要完成的混合工艺目标，选用不同的螺杆（机筒）元件，对螺杆（甚至机筒）进行组合。当然，这种组合是一种专门的技术和诀窍，是要根据对各种螺杆元件性能以及物料性能的了解，通过实验经验理论分析结合的方法得出的。有的双螺杆生产厂家，在卖给使用单位时曾提供过 12 种螺杆组合，但更多的螺杆组合要靠用户自己的实验和经验来进行。双螺杆挤出机买来了，象买来计算机，那只是硬件，而螺杆组合象计算机软件，没有软件，计算机再好，双螺杆再好，也没有用！这里呼吁：用好同向双螺杆挤

16、出机，那就进行螺杆（机筒）组合吧！不要一种组合到底！3啮合异向旋转双螺杆挤出机 这种双螺杆挤出机又分平行的和锥型的两种，目前国内使用的这两种型式的异向双螺杆挤出机，主要用于RPVC制品的挤出和造粒。 （A）用于RPVC制品挤出的啮合异向平行双螺杆挤出机 其工作机理和啮合同向双螺杆挤出机不同。对于在两螺杆啮合区纵横向皆封闭的异向双螺杆挤出机，它是靠正位移输送物料的。螺杆是整体式，各区段一般由螺纹组成，螺槽较深，长径比L/D要比啮合同向双螺杆挤出机短的多，L/D=20-25，螺杆转数低，大约几十转/分，它的分布混合能力较差，但在两螺杆的压延间隙中有拉伸流动和剪切流动，故有较好的分散混合能力。但将这

17、种双螺杆挤出机用作专用混炼机，因其转数低，其混合能力还是有限的。锥型双螺杆挤出机的性能和用途与啮合异向平行双螺杆挤出机相同，其混合能力也有限，主要用于RPVC制品的挤出。（B）用于配混料的啮合异向平行双螺杆挤出机 不同于用于RPVC制品挤出的啮合异向平行双螺杆挤出机，它的螺杆构型中组合了许多非常规螺纹元件（螺棱窄，螺槽宽，在啮合区纵横向皆开放），特殊的混合元件及剪切元件。螺杆长径比大（L/D=30-40），螺杆转数高达几百转/分， 设有排气区，可以有几个加料口。这种双螺杆挤出机的混合效果可与啮合同向双螺杆挤出机媲美，其分散混合性能甚至优于啮合同向双螺杆挤出机，但目前国内还未见有这种啮合异向双螺

18、杆开发出来进入市场。4非啮合双螺杆挤出机 这是另一类双螺杆挤出机，它与啮合型双螺杆挤出机不同，两螺杆外径相切，不啮合，作异向向内旋转。在两个机筒孔之间有通道，因而两螺杆之间有物料交换，其长径比大，L/D可达100螺杆转数高，可达几百转/分。这种双螺杆挤出机的分布混合性能好，但因无窄间隙的高剪切区，分散混合能力较差。其建压能力也较低，可用于混料造粒，如想建压，则两根螺杆不一样长，长出的那段螺杆犹如单螺杆，可以建力较高压力。这种双螺杆挤出机可用于共混，填充，增强改性，脱挥发份，塑料回收，更适于反应挤出。这钟双螺杆挤出机问世很早，国外很多知名双螺杆生产厂家都有此产品，但目前我国尚无一家双螺杆厂生产此

19、产品。（A）往复式单螺杆挤出机（Buss Ko-Kneader）这是一种很有特色的连续混炼机。它属于单螺杆挤出机，其特点是螺杆除了做旋转运动外，还做往复运动，螺杆每转一转，轴向往复运动一次。其机筒是剖分的，在机筒内表面上装有按一定规律排列的许多销钉，而螺杆上的三条螺纹是断开的。当螺杆旋转时，销钉通过断开的螺纹，销钉和断开的螺纹间有很小的间隙，螺杆旋转时，该间隙中有很高的相对运动速度，可以产生很高的剪切速率。可以想见，当物料由加料段进入混合段时，在机筒外加热和螺杆与销钉的剪切作用产生的热量作用下，得以融熔，同时物料在螺杆的旋转，轴向往复运动中产生的剪切、拉伸、分流、合并、折叠，再取向等作用下，得

20、以混合，混合过程产生的气体也得以排除。Buss Ko-Kneader的长径比较短，L/D=7-23，转数高，可达几百转/分，是一种性能优异的连续混炼机，它能提供良好的分布混合和分散混合。用它进行共混、填充、增强物理改性和化学改性可以得到良好的效果。其综合性能可以和啮合同向双螺杆挤出机媲美，二者价格也差不多。除了由国外进口这种机器外，我国江阴新达塑料机械有限公司已批量生产这种机器。但是，由于其螺杆的往复运动，在螺杆末端出料是脉动的，压力是脉动的，而且建压能力低，故不能直接接机头进行造粒和挤出制品。通常在螺杆末端接熔体齿轮泵，用以建压和稳定压力。 在齿轮泵后接造粒机头；或在Buss ko-Knea

21、der下游接一台单螺杆熔体挤出机，进行造粒，还可在两台机器之间进行排气。（B）FCM（LCM）连续混炼机 FCM（Farrel Continuous Mixer）是由间歇式密炼机发展而来的两转子连续混炼机。其两根转子不啮合，可以同向，也可以逆向旋转，转子有固体输送段，混炼段，泵出段。固体输送段的构型无异于非啮合双螺杆挤出机的固体输送段，混炼段的转子形状象密炼机转子。机筒是剖分式，在转子末端有排料阀门，FCM 机的下游要接一台单螺杆熔体挤出机，用以造粒。 FCM机吸收了密炼机的特点，有优异的分布混合和分散混合性能，但将密炼机的间歇工作变为连续工作，因而操作条件好，过程便于控制，可以进行共混，填充

22、，增强改性。LCM（Long Continuous Mixer）是在 FCM 的基础上发展而来的。它的转子比FCM长，有两个混炼段，两混炼段之间还有一螺纹段，用于排气和加入添加剂。由于转子加长，且有两个混炼段，还有排气段，故其混炼效果优于FCM，可以完成FCM同样的混炼任务。国内用的FCM、LCM 机都是进口的，目前尚未见国内厂家生产的该类产品的应用。（C）行星螺杆挤出机 行星螺杆挤出机是一种很有特色的连续混炼机。它把行星轮系的概念引入单螺杆挤出机挤压系统的设计中，在常规单螺杆原来的压缩段，计量段处用一组行星螺杆来代替，其中心螺杆和原来单螺杆的加料固体输送段为一体（但直径小）形成主螺杆，一起旋转。主螺杆周围均匀排列几根直径较小的行星螺杆。机筒内壁加工出和螺杆具有同样齿型（渐开线，同样螺旋角（45 度）的内齿。中心主螺杆与各行星小螺