螺杆组合和填充改性.docx

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螺杆组合和填充改性

填充改性在聚合物中添加其它无机或有机物（添加剂），以改变其力学性能、加工性能、使用性能或降低成本的方法。

填充改性中的填充剂可起到多种作用：

增量、增强和赋予功能，其中以增量为主。

（1）增量在聚合物中添加廉价的填充剂以降低成本、节约原材料，其主要作用是增量，故这时的填充剂也称增量剂。

（2）增强填料可提高聚合物的力学性能和热性能，其效果在很大程度上取决于填料的形态等物理性能。

（3）赋予功能填料可赋予聚合物自身所没有的一些特殊功能，此时填料的化学组成往往起着重要作用。

多数以颗粒状填料填充的混合物，其结构形态类似于聚合物共混物中有一个连续相的结构，填料为分散相（只是粒度更小一些），而聚合物为连续相。

在连续相与分散相之间有一界面层，两相通过界面层结合在一起。

界面层的粘结作用，因树脂的性质、填料的性质不同而不同。

填充剂在聚合物内的分散状态，对填充改性聚合物的性能，尤其是力学强度影响极大。

填充剂若以很小而均匀的粒径均匀地分布在聚合物中，则会使填充聚合物具有良好的力学性能和制品尺寸稳定性。

相反，如果填充剂的粒径很不均匀，有大有小，且在聚合物中分布不均匀，则填充聚合物的力学性能会不好。

但填充剂粒子也不能过细，因极细的微粒易产生自身凝聚，不易分散，也会造成分散不均，影响力学强度的提高。

纳米材料用来作填充改性，就会遇到这个问题，必须设法解决，否则发挥不了纳米材料的作用。

填充剂在聚合物中的分散状态，与其表面活性、混合工艺等有关。

如能实现填充剂与树脂之间的良好化学结合，就会大大提高填充效果，还会使某些填充剂起到增强作用。

实现良好的化学结合最有效的方法是用偶联剂对填充剂、增强剂进行表面处理。

常用的偶联剂有硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂和铝酸酯偶联剂等。

常用的填充剂有碳酸钙、炭黑、滑石粉、红泥、硅灰石、粉煤灰、铁泥、云母和金属填充物等。

根据塑料高填充改性的特点，要求改性设备必须适应其要求。

在20世纪80年代中后期，我国开始采用平行啮合双螺杆挤出机应用到高填充改性领域，取得了较好的效果。

其特点如下：

1.适应性广，一机多用

即用同一台平行双螺杆挤出机可以生产多种产品。

2.混炼效果好

同向啮合平行双螺杆挤出机的螺杆在啮合处产生强烈的剪切作用，对物料的分散与混合极有利，由于其一根螺杆的螺棱象楔子一样伸入到另一根螺杆的螺槽中，基本上阻止了物料由该螺槽进入到同一螺杆的相邻螺槽中去，大部分物料强制地由一根螺杆的螺槽转移到另一根螺杆的螺槽中去。

物料在两根螺杆之间反复转向，因而物料受到相当好的混炼。

即使参与共混的聚合物的熔融粘度相差比较大，也能强制地混炼为均匀的聚合物共混体。

3.物料在料筒内停留时间分布窄

同向啮合平行双螺杆挤出机的工作原理是“正向输送”所以物料在其中的平均滞留时间比单螺杆挤出机少二分之一以上,停留时间分布范围也仅为单螺杆挤出机的五分之一左右。

因此物料各部分在挤出机料筒内经历的物理，化学变化过程大体相同。

因而聚合物共混物的性能更均匀。

4.具有良好的自清能力

同向啮合平行双螺杆挤出机的两根螺杆相互啮合，旋转时彼此之间相互刮拭，避免物料对螺杆的黏附、缠包。

5.挤出量大,能耗低

同向啮合平行双螺杆挤出机的螺距小，螺槽深，有效螺槽容积比单螺杆挤出机大,双螺杆挤出机在运转时,机械能通过螺杆啮合处直接施加到其间的薄层物料上,使物料受到强烈的剪切作用。

因而,机械能可转变为热能,提高了能量的转化率。

6.采用积木式结构,螺杆可任意组合

根据不同的物料的要求,调整其组合结构,可实现最佳化操作。

同向啮合平行双螺杆挤出机两根相同螺杆平行布置并且按同一方向旋转，满足a

它是由动力传动与扭矩分配系统、挤压系统、加热冷却系统、辅助系统（润滑系统、计量喂料、真空排气等）、电器与控制系统构成。

对于改性厂选择设备时，应考虑以下设备技术参数：

1.螺杆直径：

螺杆直径即螺杆外径，用D表示，单位mm

2.螺杆长径比：

螺杆上有螺纹部分的长度（即螺杆有效长度）与螺杆直径之比，用L/D表示。

3.螺杆转速范围：

指螺杆在最低转速（nmin）和螺杆最高转速（nmax）

范围内实现无极调速。

4.生产能力：

指挤出机单位时间最大挤出量。

5.主驱动电机功率：

驱动主传动箱的电机额定功率

6.挤压部分的加热功率和加热区数

7.设备占地面积及双螺杆挤出机中心高

ZSK的发展情况

Z

OD/ID

M/a3

第一代ZSK：

标准型

3

1.22

3.7~3.9

第二代ZSK：

改进型

3

1.22

4.7~5.5

第三代ZSK：

改进型

2

1.44

4.7~5.5

第四代ZSK：

自洁型

2或3

1.22或1.44

7.2~8.0

第五代ZSK：

超级型

2

1.55

8.7

第六代ZSK：

大型

2

1.55

11.3

同向啮合平行双螺杆挤出机的发展和现状：

二十世纪30年代，由意大利人研制成功早期第一代同向双螺杆挤出机。

第二次世界大战之后，双螺杆挤出机发展较快，而现代双螺杆挤出机是在20世纪60年代末和70年代初发展起来的，更确切地说啮合型同向双螺杆挤出机则是在聚合物改性的推动下发展的。

而在同向双螺杆挤出机制造业，全球以德国科倍隆（原W.P）公司、莱斯公司、意大利玛瑞斯公司、英国APV公司、日本JSW公司为代表的当代双螺杆挤出机的发展方向。

其中以德国W.P公司ZSK为例，在塑料改性发展推动其先后开发了六代产品。

OD-螺杆外径ID-螺杆内径a–中心距M-扭矩/芯轴Z-螺纹头数

我国在同向双螺杆挤出机在70年代末、80年代初起步，进入上世纪90年代中后期有了长足的发展，但与国外相比，还有很大差距（国内以现有65机为例）：

按厂家样本提供资料

厂家

Z

OD/ID

M/a3

南京厂家

2

1．54

5．09

石家庄德倍隆科技有限公司

2

1．81

6．6

OD/ID比值越大，自由容积也越大，作用在物料上的平均剪切速率将降低，也为进一步提高螺杆转速创造了条件。

M/a3比值增大,可以提高机器在高填充状态下运转，可在低速下获得高产量，也降低了排料温度（在低速运转时），随着塑料改性发展，特别是高填充改性发展,对其加工设备要求有如下几方面变动：

对加工机械专业化，要求机械性能最大限度的满足高填充改性要求；

低能耗，由于利润空间的缩小，改性厂家对机械耗能最小化；

占地空间小，由于土地资源紧张，各改性厂扩建可能性变小，要示在原生产车间实现大产量；

用工要少，近几年来中国人力资源日渐紧张，人工工资有较大提高，改性厂家尽可能少用人工；

开发纳米级无机粉体填充改性设备；

提高质量保证体系，全程自动化；

因此，要求同向双螺杆挤出机生产厂家生产出更适应市场的产品。

石家庄德倍隆科技有限公司在此领域做了大量的工作，开发了新一代挤出机（平行同向三螺杆挤出机）和新式造粒辅机（热熔造粒系统），与传统平行同向双螺杆挤出机相比，产量将提高100%~150%，能耗降低25~50%，占地面积将近减少50%。

三螺杆挤出机与传统的双螺杆挤出机相比具有以下特点：

〈1〉能耗低与传统双螺杆挤出机相比可节能20%以上。

〈2〉产量高与传统双螺杆挤出机相比可提高产量50%-200%以上。

〈3〉混炼时间短与传统双螺杆挤出机相比其混炼能力提高50%-150%以上。

〈4〉滞留时间短与传统双螺杆挤出机相比可降低50%以上的滞留时间。

该机组可应用于高填充改性，色母料制备，制品脱挥，反应挤出及需要高混合高剪切的物料。

技术参数：

三螺杆“一“字型排列：

螺杆直径

螺杆转速

长径比

主电机功率

应用领域

55mm

350rpm

32:

1

90kw

最高选配

高填充改性例如（碳酸钙填充母料），制品脱挥

55mm

500rpm

32:

1

132kw

最高选配

同上

三螺杆“▽”型排列

螺杆直径

螺杆转速

长径比

主电机功率

应用领域

47mm

350rpm

32:

1

90kw

最高选配

色母料制备及需要高混合高剪切物料

47mm

500rpm

32:

1

132kw

最高选配

同上

高填充改性厂在选用设备时应考虑以下几方面：

1、设备产品质量好

2、要了解设备生产厂的背景资料

3、选择高的性能价格比设备

4、选择有完善的技术支持厂家（包括设备制造技术、高填充改性工艺技术）

5、具有良好的售后服务，较低的服务费用

6、注重设备品牌

螺杆元件的排列与组合

1、怎样辩认螺杆元件：

1.1输送元件

1.1.1正向螺纹元件

真正螺纹元件的输送方向与挤出方向相同，根据其输送效果不同可分为大导程元件及小导程元件。

见图1

图1

1.1.2反向螺纹元件

反向螺纹元件的输送方向与挤出方向相反。

见图2

图2

1.2捏合元件

1.2.1错列角是指捏合块相邻两片对称中心线的夹角。

一般分为30°、45°、90°。

1.2.1.1正向捏合块

错列安装的捏合盘形成的螺旋角与正向螺纹元件的螺纹方向一致，输送方向与挤出方向一致。

见图3

图3

1.2.1.2反向捏合块

错列安装的捏合盘形成的螺旋角与反向螺纹元件的螺旋方向一致，其物料输送方向与挤出方向相反。

见图4

（a）（b）

图4

1.2.1.3中性捏合块见图5

对于双头捏合元件，错列角为90°、对三头捏合元件，错列角为60°面形成的捏合块。

（a）（b）

图5

1.2.2捏合盘厚度

在垂直于捏合盘所在平面方向上厚度。

1.3混合元件

在两根螺杆上的齿形盘非交错区中可以对物料进行分流，增加界面，提供最小的能量输入，有利于分布混合，产生较低的温度，在交错区，两根螺杆上的齿形盘可以对料流形成垂直于流动方向的剪切，也有利于分布混合。

1.3.1齿形元件

直齿形元件见图6

图6

斜齿形元件见图7

图7

1.3.2螺棱上开槽元件见图8

图8

1.4其它元件自20世纪90年代中后期，通过对双螺杆挤出机理论的不断完善，提出了拉伸混合概念。

为此，国内外一些双螺杆生产厂家设计并研制了高效的拉伸混合元件。

1.4.1大螺距螺纹元件见图9

图9

1.4.2六棱柱元件见图10

图10

1.4.3偏心元件见图11

图11

2、双螺杆挤出机螺杆元件对混合影响

在双螺杆挤出过程中，螺杆元件对物料要完成两种混合，其一为分散混合，将物料组合的粒度减小，将固体块或聚集体破碎成微粒，或使不相容聚合物的分散相尺寸达到所要求的范围；其二为分布混合，使物料各组分的空间分布达到均匀；其三拉伸混合，是混合中最有效的混合手段，对敏感性物料性能影响最小。

以上几种混合，螺杆元件要进行有序的排列，才能合理分配各混合段的能耗和停留时间，达到良好的混合效果，并能经济有效的利用能量。

1、不同螺纹元件的混合剪切和输送能力的比较见图12

图12

2、捏合块错列角对混合性能的影响见图13

图13

3、捏合盘厚度对混合性能的影响见图14

图14

4、盘数相等，错列角厚度不等的捏全块性能比较见图15

图15

5、螺纹元件和捏合块回混作用的比较见图16

图16

螺杆单元组合元件

捏合元件之间组合见图17

（a）（b）

（c）

图17

剪切由a、b、c逐渐增强

捏合元件与螺纹元件组合见图18

（a）（b）

（c）

图18

剪切由a、b逐渐增强

混合元件与其它种类元件配合使用见图19、20

（a）（b）

（c）（d）

图19

剪切由a、b、c、d逐渐增强

（a）（b）

（c）（d）

图20

剪切由a、b、c、d逐渐增强

螺杆排列注意事项：

1、加料段

采用大螺钉距，正向螺纹输送元件，在此可获得最大的加料能力，也有厂家采用SK型元件。

2、压缩段

将混在物料中的流体一部分从加料口中排除，采用变螺距方法，将加料段与熔融塑化区螺杆采用螺距逐渐小的方法。

3、熔融塑化段见图21

图21

4、排气段见图22

排气段将物料中的湿气、夹带的空气和可挥发的组分除去。

图22

5、挤出段采用正向螺纹元件

6、混合段的螺杆构造见图23、24

图23

混合强度由a、b、c逐渐增强

图24

混合强度由a、b、c逐渐增强

一个好的螺杆排列应达到以下几点：

产品质量稳定；

能耗小；

产量高；

有利于造粒成形。