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龍 檏 聚 烯 烴 學(xué)習(xí)聚烯烴專業(yè)知識(shí) 龍樸用心服務(wù) 整整80年前，塑界發(fā)生了一件大事——真正能夠制造出聚合物加工用的雙螺桿擠出機(jī)，誕生了！ 80年過(guò)去了，雙螺桿擠出機(jī)已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，許多行業(yè)都能看見(jiàn)它的身影。例如：高分子合金共混、PVC管材、食品行業(yè)、制藥行業(yè)等。 在共混改性行業(yè)，最常見(jiàn)的即為嚙合同向雙螺桿擠出機(jī)（簡(jiǎn)稱雙螺桿擠出機(jī)或TSE）。接下來(lái)，我們談?wù)勲p螺桿擠出機(jī)的發(fā)展歷程。 1 從單到雙，應(yīng)用范圍大大提升 早在19世紀(jì)中葉，擠出機(jī)就已經(jīng)在工業(yè)生產(chǎn)中普遍應(yīng)用了。但那時(shí)候的擠出機(jī)都屬于單螺桿擠出機(jī)，主要應(yīng)用在瓷器黏土、橡膠、食品工業(yè)三大領(lǐng)域。 人們發(fā)現(xiàn)，單螺桿擠出機(jī)輸送物料的效率受介質(zhì)本身的流變性能影響很大，并且，螺槽根部的物料滯留嚴(yán)重，所以發(fā)明家們一直在尋找可以解決上述問(wèn)題的方案。 土爆了對(duì)不對(duì)？然而，他就是世界上第一個(gè)提出真正意義上的雙螺桿擠出機(jī)的人。雙螺桿擠出機(jī)的發(fā)明，將擠出機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用大大提升了。當(dāng)然，改進(jìn)仍在繼續(xù)。 2 歷史轉(zhuǎn)折，雙螺桿擠出機(jī)取代液壓機(jī) 80年前，也就是1938年，意大利LMP公司創(chuàng)始人Roberto Colombo首次真正制造出聚合物加工用的雙螺桿擠出機(jī)，并且用來(lái)制造PVC管材。 這是一個(gè)歷史性時(shí)刻！因?yàn)榇饲?，PVC管材都由液壓機(jī)壓制成型的。從那一刻開(kāi)始，液壓機(jī)開(kāi)始被雙螺桿擠出機(jī)取代。而這，還只是雙螺桿擠出機(jī)的初嘗試。  Colombo Roberto在美國(guó)申請(qǐng)的一系列專利中的一篇——screw press for mixing and extruding plastic materials（1951） 由上圖可見(jiàn)，Colombo的螺桿全部由輸送元件組成，這是因?yàn)樗脑O(shè)計(jì)初衷是擠出成型，所以并沒(méi)有考慮混合效率的問(wèn)題。 1939年，Colombo對(duì)雙螺桿擠出機(jī)進(jìn)行改進(jìn)，最大直徑做到109mm。同年，他獲得了第一個(gè)客戶——德國(guó)IG法本公司。雙螺桿擠出機(jī)開(kāi)始得到市場(chǎng)認(rèn)可。 不過(guò)，此時(shí)雙螺桿擠出機(jī)的制造與應(yīng)用還沒(méi)有達(dá)到科學(xué)性的高度，可以說(shuō)應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于理論。 3 繼續(xù)改進(jìn)，克服又一個(gè)難題 直到1940年代，一支由數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家、工程師和一批機(jī)械專家組成的隊(duì)伍，在德國(guó)薩克森-安哈爾特州的IG工廠，開(kāi)始了系統(tǒng)性研究這類嚙合同向雙螺桿擠出機(jī)。其中就有大名鼎鼎的W. Meskat，A. Geberg和Rudolf Erdmenger。（不會(huì)念這些名字？沒(méi)關(guān)系，看個(gè)意思就行） 他們的任務(wù)是，開(kāi)發(fā)出一臺(tái)可以用來(lái)處理高粘度體系混合問(wèn)題的化工設(shè)備。  R. Erdmenger （1911-1991） 二戰(zhàn)結(jié)束后法本公司被解散。這項(xiàng)工作在德國(guó)勒沃庫(kù)森的拜耳公司繼續(xù)開(kāi)展。1948年，R. Erdmenger率領(lǐng)其中一個(gè)由10-15個(gè)成員組成的小組，主要任務(wù)就是為拜耳開(kāi)發(fā)化工工藝。 大家知道，單螺桿擠出機(jī)最大的缺陷在于其輸送能力與輸送介質(zhì)流變特性非常相關(guān)，為了克服這一難題，他們?cè)俅伟炎⒁饬Ψ旁诹送驀Ш想p螺桿擠出機(jī)。 4 技術(shù)突破，聚合物共混擠出機(jī)首次量產(chǎn) 1950年代，有了數(shù)年的研究積累，W. Meskat和R. Erdmenger等人把雙螺桿擠出機(jī)的一些關(guān)鍵性參數(shù)進(jìn)行定義并整理，使擠出機(jī)的理論研究走向規(guī)范化。下為數(shù)篇專利中的一篇，可以看出，當(dāng)時(shí)的擠出機(jī)已經(jīng)以單頭元件為主，專利中還公開(kāi)了嚙合元件的應(yīng)用。  R. Erdmenger-mixing and kneading machine（1954） 1957年，獲得生產(chǎn)許可的WP公司推出了第一臺(tái)共混用的雙螺桿擠出機(jī)ZSK系列。ZSK即為德語(yǔ)Zweiwellige Knetscheiben-Schneckenpresse的縮寫(xiě)，意為“雙軸嚙合盤(pán)型擠出機(jī)”，同時(shí)也推出了可以進(jìn)行自由模塊組合的擠出機(jī)。該擠出機(jī)很快進(jìn)行了量產(chǎn)。   圖為第一臺(tái)用于聚合物共混的雙螺桿擠出機(jī)（1950年代） 5 超越限制，不斷提高產(chǎn)量 WP公司推出的ZSK機(jī)型相比于同時(shí)期的單螺桿擠出機(jī)在產(chǎn)量并沒(méi)有很大優(yōu)勢(shì)，這主要是受制于齒輪箱設(shè)計(jì)加工技術(shù)，更準(zhǔn)確地說(shuō)，是軸向止推軸承的限制。 因?yàn)殡p螺桿一旦確定中心距以后，需要軸承在有限的尺寸下提供足夠大的推力。同時(shí)需要把電機(jī)的扭矩均勻地分配給兩根螺桿。這在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇與熱處理、加工制造上都很困難。  歷代ZSK機(jī)型比扭矩發(fā)展-科倍隆 另一個(gè)限制產(chǎn)量的主要因素是比扭矩。比扭矩意味著在單位空間體積上，擠出機(jī)可以提供的扭矩極限，該參數(shù)的大小往往決定著擠出機(jī)的產(chǎn)量性能：比扭矩越高，代表相同螺桿直徑下的產(chǎn)量越高。 其實(shí)，比扭矩并非越高越好，因?yàn)閿D出機(jī)工藝是個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，高比扭矩意味著更高的產(chǎn)能，代表著更低的單位機(jī)械能，而產(chǎn)品最終的熔溫相較于低比扭設(shè)備會(huì)有所降低，但是這對(duì)于混合質(zhì)量、脫揮效率等也帶來(lái)了不利因素。因此，如何平衡這些參數(shù)是使用者必須考慮的。 從1960年代起，在聚合物加工領(lǐng)域逐漸普及后，伴隨著市場(chǎng)需求，擠出機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)也在不斷進(jìn)步。人們意識(shí)到，想要做出更好的產(chǎn)品，需要在一定的混合質(zhì)量的要求下，盡量縮短停留時(shí)間，降低熔體溫度，提高產(chǎn)量。  65mm機(jī)型產(chǎn)量的更新- Screw extrusion technology—past, present and future 由圖可以看到，以65mm機(jī)型為例，從1980s到2000s，將近20年時(shí)間里產(chǎn)量提升了近10倍。比扭矩從ZSK第一代的4Nm/d3已發(fā)展到18+ Nm/d3，大小徑比從1.22提高到1.80，物料的平均停留時(shí)間也由數(shù)十分鐘降低到了僅僅數(shù)十秒。 結(jié)語(yǔ) 解決弊端，雙螺桿擠出機(jī)的未來(lái)更精彩 從1938年首次加工PVC，至今已過(guò)了80年，目前,在高分子共混改性行業(yè)，雙螺桿擠出機(jī)已成為最具代表性的加工設(shè)備。越來(lái)越多的領(lǐng)域開(kāi)始使用TSE作為生產(chǎn)設(shè)備。因此對(duì)擠出機(jī)提出的需求也是不盡相同和千變?nèi)f化的。  客戶對(duì)TSE的要求不僅僅停留在高產(chǎn)能、低能耗這些點(diǎn)上。由于工藝參數(shù)對(duì)產(chǎn)品的性能的影響不容小視，所以也會(huì)對(duì)于擠出設(shè)備提出一些特殊定制化需求。 實(shí)際上，即便發(fā)展至今，雙螺桿擠出機(jī)的許多應(yīng)用也還未建立起真正的理論，可以說(shuō)應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于理論。就這個(gè)問(wèn)題，本文作者與雙螺桿擠出專家Dr.Tadamoto Sakai（酒井忠基教授）聊天時(shí)，酒井教授笑稱雙螺桿擠出更像一門(mén)藝術(shù)，而不僅僅是技術(shù)。  Dr.Tadamoto Sakai（酒井忠基教授），國(guó)際雙螺桿擠出專家，2017 SPE International Award獲得者，海因茨赫爾曼雙螺桿擠出杰出貢獻(xiàn)獎(jiǎng)獲得者，錦湖日麗長(zhǎng)期技術(shù)顧問(wèn)，對(duì)公司產(chǎn)品的擠出加工工藝和注塑工藝給予最前沿的專業(yè)指導(dǎo)。 通過(guò)雙螺桿擠出機(jī)的發(fā)展歷史，我們可以看出，在應(yīng)用和理論方面，雙螺桿擠出機(jī)還有很長(zhǎng)的路需要走。不過(guò)，相信只要使用者不斷提出需求，雙螺桿擠出機(jī)的發(fā)展就不會(huì)止步。然而只有使用者對(duì)擠出機(jī)的認(rèn)識(shí)足夠深刻，才能提出明確的改進(jìn)方向服務(wù)于更高質(zhì)量的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與生產(chǎn)。 敲黑板！現(xiàn)在，進(jìn)入干貨時(shí)間 結(jié)合業(yè)內(nèi)研究基礎(chǔ)，歷經(jīng)多年不斷探索，擠出工藝這個(gè)曾被稱為“黑匣子”的過(guò)程逐漸明晰起來(lái)。 眾多周知，常規(guī)擠出機(jī)的一些弊端，如：
而針對(duì)這些弊端，在以酒井忠基教授為指導(dǎo)的錦湖日麗工藝研究團(tuán)隊(duì)，逐一開(kāi)展了優(yōu)化研究，現(xiàn)將其整理的一些改善的思路分享如下：
對(duì)于雙螺桿擠出機(jī)，聚烯烴人在使用中都有什么經(jīng)驗(yàn)和想說(shuō)的呢？ |
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