金恒義,薛 平,金志明,徐樹勛
(1.北京化工大學(xué)塑料機(jī)械及塑料工程研究所,北京 100029; 2.北京華騰佳和科技有限公司,北京 102308)
行星擠出機(jī)簡(jiǎn)介及其研究進(jìn)展
金恒義1,薛 平1,金志明1,徐樹勛2
(1.北京化工大學(xué)塑料機(jī)械及塑料工程研究所,北京 100029; 2.北京華騰佳和科技有限公司,北京 102308)
簡(jiǎn)要地介紹了行星擠出機(jī)的發(fā)展歷史、結(jié)構(gòu)組成、工作原理及其特點(diǎn);較為詳細(xì)的總結(jié)了近年來行星擠出機(jī)理論及實(shí)驗(yàn)的最新研究進(jìn)展;列舉了行星擠出機(jī)的傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域及最新的應(yīng)用領(lǐng)域。最后,對(duì)其應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。
行星擠出機(jī);結(jié)構(gòu)原理;研究進(jìn)展;應(yīng)用領(lǐng)域
擠出成型具有生產(chǎn)率高、能耗低、適應(yīng)性強(qiáng)、用途廣泛等優(yōu)點(diǎn),幾乎適合于所有聚合物材料的加工。螺桿擠出機(jī)是聚合物加工最基本的裝備之一[1]。然而,傳統(tǒng)的螺桿擠出機(jī)有許多局限性。如常規(guī)的單螺桿擠出機(jī)混煉功能弱,加工粉料能力較差;再如雙螺桿擠出機(jī)較難克服螺桿背壓較低現(xiàn)象,無法加工密實(shí)性較高的透明型物料[2]。考慮到傳統(tǒng)擠出機(jī)存在的局限性,人們提出了多螺桿擠出機(jī)概念,行星擠出機(jī)就是其中非常重要的一種。行星擠出機(jī)出現(xiàn)于上世紀(jì) 50年代,最早由德國(guó)的維特洛克發(fā)明并由Entex公司完善工藝。我國(guó)于上世紀(jì)80年代引進(jìn)行星擠出機(jī),九十年代后實(shí)現(xiàn)自主化生產(chǎn),目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)該機(jī)型的企業(yè)已有十余家。行星擠出機(jī)擠出的熔體具有塑化效果好、各組分混煉均勻的特點(diǎn)。行星擠出機(jī)可用于加工工藝要求較高的物料,諸如 PVC這類熱敏性樹脂以及其它難以加工的樹脂。國(guó)外企業(yè)將行星擠出機(jī)用于加工回收物料也取得了不錯(cuò)的效果[3]。圖1為行星擠出機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。
常規(guī)的行星擠出機(jī)由四部分構(gòu)成,分別是加料系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、熔融塑化系統(tǒng)和溫度控制系統(tǒng)。與普通單、雙螺桿擠出機(jī)相比,行星擠出機(jī)最主要的區(qū)別在于擠出機(jī)螺桿的螺旋中段(塑化段)或整個(gè)螺桿為行星式結(jié)構(gòu)。行星段是行星擠出機(jī)最重要的部分,該段使物料熔融、混煉。行星段由一條主螺桿,若干條行星螺桿以及內(nèi)壁開齒的機(jī)筒構(gòu)成。行星段的機(jī)械強(qiáng)度要求較高,它們均由高拉伸強(qiáng)度與耐磨的合金鋼(如SACM645、38CrMoAl等)制成。行星螺桿與機(jī)筒齒間間隙約為0.2~0.4 mm。行星螺桿數(shù)量與行星段的直徑成正比,通常為7~18條。
圖1 行星擠出機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Structure diagram of planetary extruder
生產(chǎn)時(shí),主螺桿驅(qū)動(dòng)周邊的行星螺桿象行星一樣轉(zhuǎn)動(dòng),使得行星螺桿“浮動(dòng)”于主螺桿與機(jī)筒內(nèi)齒之間。行星段螺旋齒具有45°的螺旋角,主螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生軸向力,使行星螺桿軸向前移動(dòng)[3]。因此,在行星段機(jī)筒的末端裝有止推環(huán),止推環(huán)鍍有耐磨層或由硬質(zhì)合金制成,可以提高耐磨性。
行星螺桿混煉塑化物料的方式:物料由加料段螺紋推到行星段,在其后部螺桿進(jìn)料的連續(xù)強(qiáng)力推動(dòng)下,向螺桿前方機(jī)頭擠出處移動(dòng),從主螺桿和機(jī)筒間的內(nèi)螺紋齒間和與其嚙合的行星螺桿齒間通過。行星段中各螺桿不斷轉(zhuǎn)動(dòng),使物料在相互嚙合轉(zhuǎn)動(dòng)的螺紋齒的間隙中受到強(qiáng)烈的擠壓、輾伸和剪切等多種力作用。物料在此段不斷地被翻動(dòng)、混合,最后成熔融狀態(tài),被均勻塑化,逐漸被推向螺桿前段,從機(jī)頭擠出。圖2為行星擠出機(jī)上的多功能環(huán)。
圖2 行星擠出機(jī)上的多功能環(huán)Fig.2 Multi ring for planetary screw extruder
(1)流道無死角,自潔作用強(qiáng)。行星螺桿、主螺桿和機(jī)筒間的自掃作用,使其具有很好的自潔能力,物料不會(huì)停滯分解。易于更換物料,加工物料所需更換的顏色、配方較單螺桿要少。
(2)熱交換面積大。行星段的主螺桿和內(nèi)嚙套筒均通過油加熱,該部分與物料直接接觸,故該機(jī)的熱交換面積為主螺桿的表面積與內(nèi)嚙套筒的內(nèi)表面積之和。行星擠出機(jī)的熱交換效率非常高。
(3)物料以薄膜形式進(jìn)行熱交換。該方式可獲得較高的熱傳導(dǎo)效率,通過調(diào)整熱媒溫度實(shí)現(xiàn)物料溫度的精準(zhǔn)控制。傳統(tǒng)單、雙螺桿擠出機(jī)控制塑化程度和溫度時(shí)須改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和功率輸出,較難實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定控制。
(4)嚙合次數(shù)高。嚙合作用通常與螺桿的轉(zhuǎn)速成正比,嚙合次數(shù)高則物料受到的剪切、擠壓和攪拌次數(shù)高,進(jìn)而提高了物料的混煉效果。該機(jī)型具有良好的分散混合和分布混合能力,可用于共混、填充改性。
(5)物料停留時(shí)間短。相同擠出量時(shí),物料在常規(guī)單螺桿擠出機(jī)中的停留時(shí)間約為40~70 s,物料在雙螺桿擠出機(jī)的停留時(shí)間約為30~60 s,而行星擠出機(jī)的物料停留時(shí)間僅為20~40 s。物料不會(huì)因停留時(shí)間過長(zhǎng)分解。
(6)生產(chǎn)能耗低、經(jīng)濟(jì)效益好。相對(duì)于同規(guī)格的單、雙螺桿擠出機(jī),它們的傳熱面積分別是行星擠出機(jī)的 25%和 50%左右,故行星擠出機(jī)用于聚合物加工時(shí),其能耗較低。
(7)良好的排氣性能。行星擠出機(jī)通常在物料充滿的狀態(tài)下工作,物料的自由表面積大且更新頻繁,利于氣體的排出。對(duì)于雙階機(jī),通過調(diào)節(jié)兩階擠出機(jī)的螺桿轉(zhuǎn)數(shù)對(duì)兩階機(jī)的擠出量進(jìn)行調(diào)配,實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定擠出,可減少因排氣造成的冒料或缺料。
(8)產(chǎn)量高、適用性強(qiáng)。影響行星擠出機(jī)擠出過程的可調(diào)參數(shù)有:行星螺桿的根數(shù)、止推環(huán)截面積、螺桿轉(zhuǎn)速、物料溫度、物料特性以及強(qiáng)制加料器的螺桿轉(zhuǎn)速??梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)這些參數(shù)來適應(yīng)不同的需求。
自維特洛克發(fā)明出第一臺(tái)行星擠出機(jī)至今已有半個(gè)多世紀(jì),研究人員從未停止過對(duì)其熔融塑化機(jī)理研究和結(jié)構(gòu)功能改進(jìn)的工作。由于行星擠出機(jī)特殊的結(jié)構(gòu)組成,研究人員對(duì)其了解還相對(duì)較少。近些年,科研人員對(duì)其機(jī)理和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一些探索。
Andreas Limper等[6]通過實(shí)驗(yàn)研究了行星擠出機(jī)的塑化效果。研究人員發(fā)現(xiàn),物料的熔融塑化是通過剪切熱和傳導(dǎo)熱實(shí)現(xiàn)的。物料在行星螺桿之間,行星螺桿與機(jī)筒之間反復(fù)輥壓實(shí)現(xiàn)熔體的均化。物料的輸送過程包括螺旋齒對(duì)物料的推進(jìn),壓力-拖曳流動(dòng)和空隙中的流動(dòng)。行星段45°螺旋角的螺旋齒使得物料在螺旋槽里往前輸送,同時(shí)也受到橫向混合的作用。研究人員通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)獲得了行星擠出機(jī)不同工藝和物料參數(shù)下的的壓力-產(chǎn)量關(guān)系,停留時(shí)間特性及熔融塑化能力。
徐能等[7-8]通過實(shí)驗(yàn)研究了 HT140行星擠出機(jī)的加工性能。他們研究了不同工藝參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)行星擠出機(jī)的機(jī)頭壓力、熔體溫度、物料最短停留時(shí)間和功耗等加工性能的影響及改變工藝參數(shù)后的不平衡狀態(tài)中產(chǎn)量壓力的變化。同時(shí),他們也進(jìn)行了有關(guān)產(chǎn)量的分析研究??勺兊墓に噮?shù)包括喂料速度和主螺桿轉(zhuǎn)速,結(jié)構(gòu)參數(shù)包括口模內(nèi)徑和行星螺桿數(shù)量。他們分析了上述工藝參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)產(chǎn)生影響的具體方式和原因,為今后行星擠出機(jī)的實(shí)踐工作提供了一些依據(jù)。
劉琦云等[9,10]對(duì)國(guó)產(chǎn)行星擠出機(jī)的幾個(gè)重要技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了分析計(jì)算,解決了行星擠出機(jī)設(shè)計(jì)中的嚙合次數(shù)、熱交換面積、螺旋角β及行星螺桿系間隙等問題。通過理論計(jì)算,他們得出了行星螺桿系靜態(tài)時(shí)嚙合點(diǎn)數(shù)與工作時(shí)總的嚙合次數(shù)。計(jì)算表明,與同規(guī)格單螺桿擠出機(jī)相比,行星擠出機(jī)的熱交換面積為其熱交換面積的6.5倍。通過對(duì)凈流率影響、停留時(shí)間分布、界面增長(zhǎng)以及熔體輸送消耗功率的理論分析,研究得出行星擠出機(jī)螺旋角β取45 °為宜。通過模擬計(jì)算得出,行星螺桿系間隙在0.4~0.6mm時(shí),生產(chǎn)率和混合質(zhì)量達(dá)到最佳狀態(tài)。行星螺桿間的間隙對(duì)生產(chǎn)率產(chǎn)生較大影響, 設(shè)計(jì)中應(yīng)盡可能予以減少。此外,通過增加行星螺桿的數(shù)量,增加螺桿齒數(shù)及模數(shù)也可提高生產(chǎn)率。
劉晶等[11,12]通過POLYFLOW軟件模擬了行星擠出機(jī)的混煉效果。運(yùn)用POLYFLOW 軟件,他們對(duì)行星螺桿模型中物料的剪切速率、分散準(zhǔn)數(shù)和停留時(shí)間分布進(jìn)行了數(shù)值模擬。分析了行星螺桿的數(shù)量、轉(zhuǎn)速對(duì)物料的剪切速率、拉伸速率以及物料在軸向和徑向截面混合效果的影響。同時(shí),研究人員以HT140行星擠出機(jī)為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn),并將理論模擬與實(shí)驗(yàn)機(jī)所制得的樣品電鏡掃描結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,揭示行星螺桿擠出機(jī)的塑化混煉效果。
徐百平等[13]對(duì)單螺桿螺槽內(nèi)流體進(jìn)行數(shù)值模擬及相關(guān)實(shí)驗(yàn)。他們提出了一種將混沌流動(dòng)引入到單螺桿擠出中的方法,通過該方法他們研制出了一種所謂嵌入式行星螺桿擠出機(jī)。嵌入式行星螺桿是將小螺桿嵌入到主螺桿中,該方式與傳統(tǒng)的行星擠出機(jī)大不相同。這種構(gòu)型可以對(duì)物料進(jìn)行持續(xù)性的擾動(dòng),引發(fā)混沌對(duì)流,提高物料分布和分散混合效果,還具有很好的自潔性。研究人員運(yùn)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)技術(shù),對(duì)嵌入式行星螺桿擠出機(jī)進(jìn)行了相關(guān)數(shù)值模擬, 研究了該擠出機(jī)熔體輸送段流場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)。通過使用流線示蹤技術(shù)和停留時(shí)間分布函數(shù),他們表征了流場(chǎng)內(nèi)的混沌效應(yīng),同時(shí)研究了混沌流對(duì)物料的混合作用。
MRS高脫揮擠出機(jī)[14]。德國(guó)Gneuss公司參照行星擠出機(jī),發(fā)明了MRS高脫揮擠出機(jī)。MRS擠出機(jī)的結(jié)構(gòu)原理與普通行星擠出機(jī)較為相似,不同之處在于其每個(gè)行星齒輪的前端都延伸出20D以上長(zhǎng)度的單頭螺桿,行星齒輪僅起傳動(dòng)作用,依靠延伸的小螺桿混煉。其主要特點(diǎn)是具有更大的自由膨脹空間,便于脫揮。國(guó)外企業(yè)將 MRS高脫揮擠出機(jī)應(yīng)用于PET 產(chǎn)業(yè),能在熔融相將水分排出,使PET達(dá)到化學(xué)平衡,并保持所需的聚合物鏈長(zhǎng),且無需進(jìn)行物料的預(yù)干燥[15]。圖3為MRS擠出機(jī)的塑化混煉單元。
圖3 MRS擠出機(jī)的塑化混煉單元Fig.3 Plasticating and mixing unit of MRS extruder
鄒昌鳳[16]申報(bào)的專利中介紹了一種行星螺桿流涎擠出機(jī)。該機(jī)型組成包括喂料部分、預(yù)熱部分、行星塑化段、單螺桿擠出、過濾裝置、增壓計(jì)量、模具等部分。該項(xiàng)發(fā)明可用于生產(chǎn)加工結(jié)晶體材料,且不需要使用結(jié)晶干燥除濕機(jī),節(jié)約了大量的能源。該設(shè)備還能 100%回收材料二次加工,有利于保護(hù)環(huán)境。行星螺桿流涎擠出機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖4。
圖4 行星螺桿流涎擠出機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.4 Planetary screw salivated extruder structure diagram
胡建明等[17]實(shí)現(xiàn)了行星擠出機(jī)溫度的精確控制。研究人員使用溫度傳感器PT系列進(jìn)行溫度采集,并將采集到的模擬信號(hào)通過單片機(jī) SPCE061A集成的A/D轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào),采用16次平滑濾波進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,同時(shí)采用了數(shù)字PID控制,設(shè)計(jì)出了精密油溫控制系統(tǒng)。研究人員將其應(yīng)用于行星擠出機(jī)的溫度控制系統(tǒng),達(dá)到了對(duì)行星擠出機(jī)溫度精密控制的要求。
4.1 行星擠出機(jī)的傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域
(1)作為壓延生產(chǎn)線的喂料裝置。行星擠出機(jī)最典型的應(yīng)用是用于 PVC壓延法生產(chǎn)的喂料裝置。對(duì)于諸如不同類型的PVC、ABS、氯乙烯共聚物、PP以及橡膠等物料的加工,其要求擠出機(jī)能夠擠出塑化質(zhì)量高、混煉均勻的熔體,并且使熔體的停留時(shí)間盡可能較短。行星擠出機(jī)能滿足以上要求。將行星擠出機(jī)用作壓延生產(chǎn)線的喂料裝置時(shí),應(yīng)設(shè)置過濾網(wǎng)。
(2)利用行星擠出機(jī)粉料造粒。將行星擠出機(jī)與單螺桿擠出機(jī)進(jìn)行組合,組成雙階擠出機(jī)。雙階擠出機(jī)能以較低溫度生產(chǎn)高質(zhì)量的粒料,并且不需要設(shè)置過濾網(wǎng)。
(3)行星擠出機(jī)用于擠出薄膜。經(jīng)行星擠出機(jī)塑化混煉的熔體,在窄縫機(jī)頭處形成了厚度約為1~2 mm的熔體層。通常,在機(jī)頭處加裝3輥或者5~6輥就可以利用混煉的熔體實(shí)現(xiàn)薄膜的生產(chǎn)[3]。
(4)行星擠出機(jī)應(yīng)用于塑料的改性。張劍等[18]將行星擠出機(jī)應(yīng)用于聚烯烴等熱塑性塑料的改性,制得了高性能的塑料。
(5)行星擠出機(jī)用于木塑復(fù)合材料。德國(guó)Battenfeld公司開發(fā)了塑木材料加工用的新設(shè)備組合方法[19],擴(kuò)大了其服務(wù)和應(yīng)用范圍。北京化工大學(xué)研究人員將行星擠出機(jī)應(yīng)用于木塑復(fù)合材料的加工,制的了性能良好的復(fù)合材料制品。
(6)行星擠出機(jī)在管材、吹塑等生產(chǎn)中的應(yīng)用。行星擠出機(jī)的結(jié)構(gòu)比較獨(dú)特,其加料段等同于普通的單螺桿擠出機(jī)的加料段。加料段只能建立很低的壓力,行星段的螺槽中僅部分充滿物料。進(jìn)料端采用雙螺棱結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)可以提高行星段供料的均勻性。一般帶有強(qiáng)制加料裝置。加料段部分的機(jī)筒有水冷系統(tǒng),在與行星段連接處有隔熱層。加料速度與螺桿傳送速度應(yīng)協(xié)調(diào)好,保證行星段物料的部分充滿。
4.2 行星擠出機(jī)的最新應(yīng)用領(lǐng)域
行星擠出機(jī)應(yīng)用于新型高聚物復(fù)合材料軌枕的成型技術(shù)[20]。傳統(tǒng)的木質(zhì)軌枕和水泥軌枕有很多缺點(diǎn),諸如木質(zhì)軌枕容易老化、使用壽命較短、更替頻繁;水泥軌枕的密度很大,并且價(jià)格是木質(zhì)軌枕的兩倍以上維修費(fèi)用也相對(duì)較高。相比而言,新型高聚物復(fù)合材料軌枕的密度與木質(zhì)軌枕相當(dāng),耐腐蝕性強(qiáng)、使用壽命長(zhǎng)、維修費(fèi)用相對(duì)較低且其力學(xué)性能十分優(yōu)越,可以用來替代木質(zhì)軌枕和水泥軌枕[21]。北京化工大學(xué)研究人員將行星擠出機(jī)用于新型高聚物復(fù)合材料軌枕的成型技術(shù),制得了高性能的高聚物復(fù)合材料軌枕。由于該機(jī)型具有分散、分布效果好,塑化效能高產(chǎn)量大等優(yōu)點(diǎn),故該領(lǐng)域有望進(jìn)一步發(fā)展。
行星擠出機(jī)應(yīng)用于太陽(yáng)能光伏 EVA板材的生產(chǎn)[22]。EVA電池板有較高的電絕緣,強(qiáng)度,透明和抵抗紫外線的要求。EVA板材的生產(chǎn),要求塑料原料顆粒必須在不超過 150 ℃下與幾種添加劑(助劑)一起柔和塑化。巴頓菲爾辛辛那提行星擠出機(jī)能在低溫加工生產(chǎn)中達(dá)到高效分散和均化性能,這一優(yōu)點(diǎn)能夠很好的滿足 EVA板材生產(chǎn)的要求。巴頓菲爾辛辛那提的PWE250行星擠出機(jī)每小時(shí)可生產(chǎn)EVA板材2 t。該機(jī)型的應(yīng)用極大的提高了EVA板材的生產(chǎn)效率。
行星擠出機(jī)應(yīng)用于制藥工業(yè)[23]?,F(xiàn)代醫(yī)藥熱熔制粒技術(shù)借助于機(jī)械工程、計(jì)算機(jī)工程等相關(guān)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展成果,促進(jìn)了自身設(shè)備的不斷更新與完善;醫(yī)藥用高分子材料學(xué)的進(jìn)步,也為該技術(shù)提供更多的熱熔性輔料。熱熔制粒設(shè)備的發(fā)展同樣重要。行星擠出機(jī)具有捏合質(zhì)量好,工作效率高,節(jié)能省時(shí)的優(yōu)點(diǎn),可擠出溫度較低且分布較均勻的顆粒。將行星擠出機(jī)應(yīng)用于醫(yī)藥熱熔制粒技術(shù)中,能極大的提高產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量。目前,國(guó)外一些大型醫(yī)藥公司已經(jīng)開始從事該方面的研究工作。圖 5為組合式行星擠出機(jī)。
圖5 組合式行星擠出機(jī)Fig.5 Combined type planetary extruder
隨著人們對(duì)制品和生產(chǎn)效率要求的提高,行星擠出機(jī)以其優(yōu)異的性能日益受到人們的重視。目前,行星擠出機(jī)的理論研究主要集中在參數(shù)計(jì)算和塑化效果方面;結(jié)構(gòu)研究包括增加行星段的長(zhǎng)度,行星擠出機(jī)與不同的擠出設(shè)備組合等。行星擠出機(jī)廣泛地應(yīng)用于各種領(lǐng)域,除了典型的塑料工業(yè),在食品加工工業(yè)、化學(xué)工業(yè)、顏料(涂料)工業(yè)等領(lǐng)域也得到了應(yīng)用。此外,行星擠出機(jī)建壓能力較弱,對(duì)于如何利用單機(jī)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜制品的生產(chǎn)還有待研究人員的進(jìn)一步努力。
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Introduction and Research Progress of Planetary Extruders
JIN Heng-yi1, XUE Ping1, JIN Zhi-ming1, XU Shu-xun2
(1.Institute of Plastic Machinery and Engineering, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029, China; 2. Beijing Huatengjiahe Technology Co., Ltd., Beijing 102308, China)
The development, structure, working principle and characteristics of planetary extruders were briefly introduced; the theory and research progress of planetary extruders were summarized in detail; Traditional applications and the latest applications of planetary extruders were also listed. Simultaneously, application prospect of planetary extruders was discussed.
Planetary extruder; Structure and perinciple; Research progress; Application field
TQ 171.77
A
1671-0460(2014)11-2331-05
2014-04-14
金恒義(1987-),男,江蘇泰州人,研究生在讀,研究方向:組合式行星擠出機(jī)的研究。E-mail:jhy178673046@126.com。
金志明(1968-),男,浙江平湖人,副教授,研究方向:聚合物注射成型和特種工程塑料加工研究。E-mail: jinzm@mail.buct.edu.cn。電話:010-64436016