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 生物塑料專用型雙螺桿擠出機裝備的技術簡述
      胡立青   張陸祥   張劍鋒

                            1南京聚力化工設備有限公司       江蘇南京
                            2浙江天禾生態科技有限公司       浙江嵊州


        現市場上所使用、開發的生物塑料或制品始終面臨不少問題,也有著自身的缺陷。如原料是多羥基化合物,親水性高,難以加工,熱穩定性差,高溫加工下易分解,導致加工窗口窄。同時,其高結晶度引起制品脆性嚴重。所有這些,都嚴重限制了生物塑料的開發應用。
        公司根據生物塑料的功能及特點,整合力量經過多年研究實踐,在合作單位的共同努力下,完成了由“新構想_→螺桿幾何學研究→動態模擬_→設計研制→流場分析→工業機”的研究過程,并就產能,比能耗混合特性進行了較全面的研究。致2010年4月四臺生物塑料專用型雙螺桿擠出機問世,并在浙江天禾生態科技有限公司安裝調試和工業化生產。天禾公司已通過了由科技部組織并主持的設備成果鑒定,鑒定結論為“國內首創”,技術為“國際先進”。
        基于生物塑料專用型雙螺桿擠出機在理論和實踐上的創新,以及所帶來的諸多技術優勢,業內人士及專家十分重視其機型的研發,認為是對現有生物基降解復合材料及其制品加工裝備和技術創新的一個極大補充和發展,有望為中國降解塑料加工的諸多熟點領域提供急需裝備,能夠極大的推動中國在順應全球產業向綠色.環保,低碳,生態.發展的趨勢,加快和推進中國在生物基能源產品等高端領域的研究和產業化。


         技術性能特征:
    一,專用傳動系統的特征:
       傳動系統和軸向分配箱的特殊設計是專用型雙螺桿擠出機的技術關鍵,是實現螺桿穩定運轉的前提條件。如果說,雙螺桿擠出機的研發受到螺桿中心距的限制,使得安裝配比齒輪和推力軸受到了空間尺寸上的局限,這種局限和困難在專用型雙螺桿擠出機上表現的更為突出。
       公司研究組全面分析歸納了目前國內外雙螺桿擠出機傳動系統的結構,如德國Leistritz公司和Bandera公司的雙螺桿擠出機的輸出機采用的是內傳動;日本東芝公司和德國Berstorff公司的雙螺桿擠出機采用的是雙嚙合傳動。公司將外齒傳動,內齒傳動和雙嚙合傳動相結合的設計理念用于專用型機得傳動系統設計中,一方面突破中心距限定的空間。一方面有效保證專用型傳動系統的承載和傳遞扭矩,使整體設計較好的兼顧了承載,扭矩分配和使用壽命等技術特征。


    二,雙嚙合區的創新有效設計的特征:
       專用型雙螺桿擠出機絕不是兩根單螺桿的簡單組合。從幾何結構學和運動學角度講,螺桿之間以及螺桿與機筒之間所形成的空間結構復雜,專用型機雙嚙合的兩根螺桿一旦運轉起來,使物料在兩根螺桿上的運動軌跡及其所經受的剪切作用比其在普通雙螺桿上所經歷的復雜的多,流動形式亦有很大不同。由于我們蘸&嚙合區獨特,大膽的創新設計使物料在專用型擠出機里給定的熱條件下經受這不同的力場作用,特別是兩個嚙合區的剪切場,對被加工的生物基復合材料中各組分的均化微?;淖饔眯Ч?,是普通雙螺桿擠出機系統所無法提供的,正是這種空間多層面上的運動軌跡,使生物基基團得以充分交換,使受剪切的頻率成倍提高。使生物基材料在流向流速變化以及空間位置的交換,熔體界面的無規化方面產生了有益的影響。  達到了理想的良好分散分布混合效果。

 


    累計最大剪切速率分布


    三,螺紋頭數,相位與不干涉運轉條件的特征:
       要實現專用型機得全嚙合不干涉運轉,螺紋頭數的設計并不是任意的。本機型的螺紋頭數為雙頭,而且兩螺桿端面相位差為90。。
       耍實現專用型機同步運轉時真正意義上的等間隙嚙合,理論上必須從空間曲面幾何學出發,對螺桿的外表面沿各點法向進行修正,獲得理想的間隙。在實際生產中,導程不同的螺紋元件組合在一起后,盡管螺桿間隙是均勻的,但接合面處的端面形狀卻不能完全吻合,工    程中常用打磨的方法來彌補,但這不能解決根本問題,因為改變組合后這種不一致還可能再次出現。公司對專用型機大膽創新的使用調整螺槽側面曲線的方法來減小端面接合誤差,這一過程稱為端面接合誤差修正,其效果明顯。對于生物基材料的使用機型不同螺桿參數,一般可以將這一誤差降低到30%以內。

 

 

       法向修正后的間隙


    四,易于實現生物基復合材料及第三單體的高填充特征
       以生物基淀粉加第三單體的復合材料擠出造粒為例,目前常規雙螺桿擠出機擠出生物淀粉基可降解母粒的淀粉添加量通常低于25%,高于這一比例常因瞬間扭矩過大二出現非正常停機。往復式單螺桿加熔體泵工藝的最高添加量為45%,業界一致認為添加量較高的工藝為采用高攪初混,經密煉后再將物料冷卻破碎加入雙螺桿擠出機進行造粒,其添加淀粉的含量最高位50%。顯然采用此種工藝制備高淀粉填充的生物基復合材料所需設備多,工序多,耗時長,耗能高,效率低,成本高。
       專用型機在以往實踐的基礎上,打破常規理論,使用正反向螺紋元件及捏合盤元件,改變螺桿組合這一創新技術,經高混機初混后,生物基材料可直接擠出造粒,方便地實現了60%高淀粉填充的生物基降解材料母粒的制備。并且使材料在二次或多次加工時仍縣有優異的加工性能和良好的力學性能,并能利用纖維素做第三單體材料填充,使制備出得產品達到了能耗低,多樣性,高強度,比重輕,易成型性及表面活性較高的特點。以上技術優勢在國內科技檢索中,尚未發現相關報道,其技術屬國內獨有。

 

 

 

五,排氣脫揮的技術特征
       先進的單雙螺桿擠出機都配有真空排氣系統,用于脫揮,排氣,除濕,確保產品質量。然而這對工藝條件有嚴格甚至苛刻的要求,如螺桿結構尺寸設計(泵比設計)的嚴格要求,排氣段前后工藝溫度的合理調控,否則排氣口容易冒料,需要經常清理,如果疏于清理,就會堵死氣路,使真空排氣系統無法發揮作用,在工業化生產中表明,使用專用型機得特殊排氣系統技術:(一)能夠有效防止排氣口冒料,提高排氣脫揮效果,而且對工藝條件沒有上述的嚴格要求,這給加工生產帶來了極大的便利,很大程度上避免了工藝摸索引起的料耗,能耗,工時,人力及維修量。(二)在聚合物溶液的后處理過程中將聚合物溶液直接送入雙螺桿擠出機,代替了能耗較大的氣提脫溶劑工序,能耗僅為后者的50%-60%,產品中揮發份達10-6級機筒中較窄的停留時間分布避免了凝膠問題,溶劑回收率大于98%。


六,比能耗特征:
      關于比能耗,據文獻統計,國產塑機上世紀80年代中區比能耗約為1. 8-2, 4kwh/kg,90年代后期將為1. 0-1. 2kwh/kg,相當于國際同期先進水平1.1-2.0倍,國外傳統機比能耗約為0. 4-0. 53kwh/kg,平均0.464kwh/kg。找們在相同工藝條件下對比了專用型機與普通雙螺桿擠出機的比能耗(機型均為zsk25/40型)在制備生物基降解材料母粒時,螺桿轉數由50-220rpm,專用型機的比能耗為0. 23-0. 26kwh/kg,對比機得比能耗為0.25-0. 27kwh/kg,前者比后者的比能耗低5%。對比數據說明生物基降解材料專用型機比能耗明顯低于90年代后期國外傳統機水平。分析原因:主要歸功于專用型機特有的幾何結構,即存在兩個嚙合區和特定的中心區,生物基物料在機筒內部自由流動的空間增大,有助于降低螺桿的扭矩,從而降低能耗。

       由上述對生物基降解材料專用型雙螺桿擠出機特有擠出特性的分析,可獲得如下結論:
1,與相同參數的雙螺桿擠出機相比,生物基降解材料專用型機得兩個嚙合區,熔體經受剪切的頻率成倍提高,其最大剪切的速率分布范圍較寬,從剪切分散角度講,專用型機比普通雙螺桿擠出機的分散混合能力強。
2,由于物料在專用型機螺桿上復雜的運動軌跡和空間交換,有利于獲得填充物在材料體系里的均勻分布。

3,專用型機特有的擠出性能,使其能以相對短的長徑比獲得良好的塑煉效果,而且整機能耗較低。

4,專用型機的螺桿交互作用和中心區獨有設計作用,使專用型機對植物淀粉及纖維素,木質素高填充工藝有較好的適應性能,能夠滿足生物基降解復合材料高效率和連續化生產的要求。


在此感謝浙江天禾生態科技有限公司裘煜總經理、楊文斌高級工程師。中科院寧波材料技術與工程研究所湯兆賓博士的大力支持!

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