如果用双螺杆挤出机类比水桶，那么哪些因素会成为制约其产能的短板？
发布时间：2025-01-20
同向旋转啮合双螺杆挤出机（TSE）能够将塑料与添加剂和填料混合，从而赋予最终产品所需的特性。与大多数制造操作一样，在双螺杆系统中，我们通常是把生产速率和产量开到最大，同时尽力保证产品质量的稳定。
“边界条件”是阻碍实现更高生产率的操作参数。一个简单的例子是螺杆转速/rpm，如果螺杆转速从 400 增加到800，产量就可能翻倍，当然只要这过程中没有遇到另一个边界条件。（译者注：这里的边界条件类似于我们常说的木桶效应，我们可以不断弥补短板的长度，但到一定程度时，总有一根短板会影响桶内能装多少水）
在双螺杆挤出机的运行过程中，下面这些条件会成为制约生产速率的典型边界条件：
一、扭矩
当电机功率（kW 或 hp）不足以转动螺杆并将材料泵送通过 TSE 工艺部分和模头时，就会发生扭矩受限过程，使螺杆轴限制了 TSE 中的扭矩传输。螺杆轴的额定功率以牛顿米（N/m）或某种等效值（两个轴）表示，影响因素包括：横截面尺寸、轴体材料、花键几何形状和轴硬化工艺。最先进的非对称花键轴可以将电机的功率更多传输到螺杆中，从而将切向力矢量隔离。
非对称花键轴的TSE 元件
来源（所有图片）：Leistritz Extruding USA
部分熔融 HDPE 或 PP 配方的加工可能会受到扭矩限制，因此，扭矩额定值较高的 TSE（在其他条件相同的情况下）的运行速度要高于扭矩额定值较低的 TSE。提高扭矩受限工艺的速率的 TSE 因素可能包括移除捏合元件，并提高熔化区中的区域温度设定点。
二、体积
当 TSE 中剩余的自由体积阻止更多材料进入挤出机时，该工艺为体积受限工艺。螺杆外径除以螺杆内径，称为 OD/ID 比，是给定螺杆直径下 TSE 中可用自由体积的指标。
由于双螺杆制造商没有标准化的螺杆尺寸，因此 cc/直径是最佳指标。例如，当将 OD/ID 比率为 1.55、直径为 240cc 的 70 毫米 TSE 与 OD/ID 比率为 1.66、直径为 300cc 的 ZSE-75 MAXX 进行比较时，在其他所有条件相同的情况下，您可以预期吞吐率会增加 30%。
Leistritz ZSE-MAXX 工艺部分的自由体积（橙色）
想要提高体积限制，维持进料密度，可以采用：使用专用材料处理设备；最小化失重式进料器到 TSE（或侧面填充器）的下落距离；使用带挡板的下落槽加大侧喂料螺杆；利用真空辅助处理；调整机筒温度曲线；以及操纵 TSE 工艺部分的螺杆和通风口设计。
三、质量传递-分散混合
薄膜或纤维色母粒会有更高的分散混合要求，并在一定程度上成为边界条件，并成为实现更高速率的限制因素。
分散混合依赖于旋转螺杆对聚合物基质施加的强力。较宽的捏合元件会加剧拉伸混合和平面剪切效应，从而实现分散混合，相比之下，窄捏合元件有利于高分割速率混合，同时将拉伸效应降至最低，从而产生分布混合效果。捏合元件可以按正向螺距（不太剧烈）、中性螺距或反向螺距排列。
宽混合/揉捏元件中的混合机制可实现分散混合
任何 TSE 固有的混合效应都会受到以下因素的影响：
螺杆间隙：TSE 通道中的混合率与单螺杆挤出机相似（与其他 TSE 区域相比要低得多）。
边缘间隙：螺杆顶端和机筒壁之间是材料受到明显平面剪切效应的地方。
拉伸混合：拉伸混合发生在材料从间隙到边缘的过渡过程中会经历“加速、拉伸和断裂”。
顶点（上/下）区域：上、下顶点区域是材料“感受”第二个螺杆的地方，这会产生方向流动变化、压缩/膨胀和轴向混合效果。
啮合：少量、有限的材料通过螺杆之间并受到强烈的剪切力（并且可能导致降解）。
进料速率与螺杆转速的关系决定了材料的停留时间分布，并且通过螺杆设计和温度曲线调节过程的传质/混合特性。
捏合块示例：窄盘有利于分布混合；宽盘有利于分散混合
分散混合应用的吞吐率相对较低。随着速率的降低或增加（在恒定的螺杆转速下），材料在混合区停留的时间会有所增加或减少，而剪切效应和延伸流场占主导地位，因此“混合体验”会受到影响。
四、质量转移-脱挥发/排气
TSE 非常适合脱挥发，因为 TSE 工艺部分的压力梯度很容易设计成适应排气口下方的零压，以防止排气口溢流。脱挥发是一种质量转移受限工艺，其中未反应的单体、溶剂、水或其他不良挥发性污染物在TSE 工艺过程中从聚合物熔体中去除（最多可去除 25%）。
增加螺杆转速和/或降低速率通常可提高脱挥发效率。可按顺序排列排气口，并施加大气或真空以进一步增强脱挥发效果。在高螺杆转速下，配方可能会发生降解。
配备加热通风管，用于ZSE-MAXX 工艺段的真空连接
影响脱挥效率的因素包括：
1、通风口下方的停留时间越长越好，但：
氧气、剪切力、时间和温度可能会导致降解和副反应；
了解降解动力学。
2、熔体的表面积越大越好：
熔池较小；
增加螺杆转速；
减少率。
3、表面更新率越高越好：
更新的表面来自滚动的熔体和部分填充的螺纹元件通道；
增加螺杆转速。
双螺杆工艺段的停留时间通常为 15 秒至 1+ 分钟。与 TSE 排放 Tm 相比，高温下的延长停留时间可能是导致降解的主要原因。包括换网器、齿轮泵和模头在内的末端系统会要求挤出机再降低 Tm 输入。
五、研发阶段原材料的稀缺性/成本
在早期开发阶段，可用的原料数量通常有限。因此，挑战在于较低的样品需求量。为了适应有限的小试挤出，双螺杆挤出机需要使用特殊的低容量螺杆（1.2/1OD/ID 比，直径 1cc，自由体积）和用于微量喂料的特殊进料机制（例如，总共 50 克），以便未来进行扩大规模的量产。
已获专利的微型柱塞进料器，适用于 TSE 上的小批量加工
六、上游和/或下游限制
TSE 系统就像一条链条，其强度取决于最薄弱的环节。双螺杆挤出机通常有多个进料流和各种辅助设备。然后将模具和下游系统连接到 TSE 前端。如果制造“列车”中的任何组件无法正常工作，则系统的整体产量将受到该设备的限制。
转自——链塑网公众号
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