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 生物塑料专用型双螺杆挤出机装备的技术简述
      胡立青   张陆祥   张剑锋

                            1南京聚力化工设备有限公司       江苏南京
                            2浙江天禾生态科技有限公司       浙江嵊州


        现市场上所使用、开发的生物塑料或制品始终面临不少问题,也有着自身的缺陷。如原料是多羟基化合物,亲水性高,难以加工,热稳定性差,高温加工下易分解,导致加工窗口窄。同时,其高结晶度引起制品脆性严重。所有这些,都严重限制了生物塑料的开发应用。
        公司根据生物塑料的功能及特点,整合力量经过多年研究实践,在合作单位的共同努力下,完成了由“新构想_→螺杆几何学研究→动态模拟_→设计研制→流场分析→工业机”的研究过程,并就产能,比能耗混合特性进行了较全面的研究。致2010年4月四台生物塑料专用型双螺杆挤出机问世,并在浙江天禾生态科技有限公司安装调试和工业化生产。天禾公司已通过了由科技部组织并主持的设备成果鉴定,鉴定结论为“国内首创”,技术为“国际先进”。
        基于生物塑料专用型双螺杆挤出机在理论和实践上的创新,以及所带来的诸多技术优势,业内人士及专家十分重视其机型的研发,认为是对现有生物基降解复合材料及其制品加工装备和技术创新的一个极大补充和发展,有望为中国降解塑料加工的诸多熟点领域提供急需装备,能够极大的推动中国在顺应全球产业向绿色.环保,低碳,生态.发展的趋势,加快和推进中国在生物基能源产品等高端领域的研究和产业化。


         技术性能特征:
    一,专用传动系统的特征:
       传动系统和轴向分配箱的特殊设计是专用型双螺杆挤出机的技术关键,是实现螺杆稳定运转的前提条件。如果说,双螺杆挤出机的研发受到螺杆中心距的限制,使得安装配比齿轮和推力轴受到了空间尺寸上的局限,这种局限和困难在专用型双螺杆挤出机上表现的更为突出。
       公司研究组全面分析归纳了目前国内外双螺杆挤出机传动系统的结构,如德国Leistritz公司和Bandera公司的双螺杆挤出机的输出机采用的是内传动;日本东芝公司和德国Berstorff公司的双螺杆挤出机采用的是双啮合传动。公司将外齿传动,内齿传动和双啮合传动相结合的设计理念用于专用型机得传动系统设计中,一方面突破中心距限定的空间。一方面有效保证专用型传动系统的承载和传递扭矩,使整体设计较好的兼顾了承载,扭矩分配和使用寿命等技术特征。


    二,双啮合区的创新有效设计的特征:
       专用型双螺杆挤出机绝不是两根单螺杆的简单组合。从几何结构学和运动学角度讲,螺杆之间以及螺杆与机筒之间所形成的空间结构复杂,专用型机双啮合的两根螺杆一旦运转起来,使物料在两根螺杆上的运动轨迹及其所经受的剪切作用比其在普通双螺杆上所经历的复杂的多,流动形式亦有很大不同。由于我们蘸&啮合区独特,大胆的创新设计使物料在专用型挤出机里给定的热条件下经受这不同的力场作用,特别是两个啮合区的剪切场,对被加工的生物基复合材料中各组分的均化微粒化的作用效果,是普通双螺杆挤出机系统所无法提供的,正是这种空间多层面上的运动轨迹,使生物基基团得以充分交换,使受剪切的频率成倍提高。使生物基材料在流向流速变化以及空间位置的交换,熔体界面的无规化方面产生了有益的影响。  达到了理想的良好分散分布混合效果。

 


    累计最大剪切速率分布


    三,螺纹头数,相位与不干涉运转条件的特征:
       要实现专用型机得全啮合不干涉运转,螺纹头数的设计并不是任意的。本机型的螺纹头数为双头,而且两螺杆端面相位差为90。。
       耍实现专用型机同步运转时真正意义上的等间隙啮合,理论上必须从空间曲面几何学出发,对螺杆的外表面沿各点法向进行修正,获得理想的间隙。在实际生产中,导程不同的螺纹元件组合在一起后,尽管螺杆间隙是均匀的,但接合面处的端面形状却不能完全吻合,工    程中常用打磨的方法来弥补,但这不能解决根本问题,因为改变组合后这种不一致还可能再次出现。公司对专用型机大胆创新的使用调整螺槽侧面曲线的方法来减小端面接合误差,这一过程称为端面接合误差修正,其效果明显。对于生物基材料的使用机型不同螺杆参数,一般可以将这一误差降低到30%以内。

 

 

       法向修正后的间隙


    四,易于实现生物基复合材料及第三单体的高填充特征
       以生物基淀粉加第三单体的复合材料挤出造粒为例,目前常规双螺杆挤出机挤出生物淀粉基可降解母粒的淀粉添加量通常低于25%,高于这一比例常因瞬间扭矩过大二出现非正常停机。往复式单螺杆加熔体泵工艺的最高添加量为45%,业界一致认为添加量较高的工艺为采用高搅初混,经密炼后再将物料冷却破碎加入双螺杆挤出机进行造粒,其添加淀粉的含量最高位50%。显然采用此种工艺制备高淀粉填充的生物基复合材料所需设备多,工序多,耗时长,耗能高,效率低,成本高。
       专用型机在以往实践的基础上,打破常规理论,使用正反向螺纹元件及捏合盘元件,改变螺杆组合这一创新技术,经高混机初混后,生物基材料可直接挤出造粒,方便地实现了60%高淀粉填充的生物基降解材料母粒的制备。并且使材料在二次或多次加工时仍县有优异的加工性能和良好的力学性能,并能利用纤维素做第三单体材料填充,使制备出得产品达到了能耗低,多样性,高强度,比重轻,易成型性及表面活性较高的特点。以上技术优势在国内科技检索中,尚未发现相关报道,其技术属国内独有。

 

 

 

五,排气脱挥的技术特征
       先进的单双螺杆挤出机都配有真空排气系统,用于脱挥,排气,除湿,确保产品质量。然而这对工艺条件有严格甚至苛刻的要求,如螺杆结构尺寸设计(泵比设计)的严格要求,排气段前后工艺温度的合理调控,否则排气口容易冒料,需要经常清理,如果疏于清理,就会堵死气路,使真空排气系统无法发挥作用,在工业化生产中表明,使用专用型机得特殊排气系统技术:(一)能够有效防止排气口冒料,提高排气脱挥效果,而且对工艺条件没有上述的严格要求,这给加工生产带来了极大的便利,很大程度上避免了工艺摸索引起的料耗,能耗,工时,人力及维修量。(二)在聚合物溶液的后处理过程中将聚合物溶液直接送入双螺杆挤出机,代替了能耗较大的气提脱溶剂工序,能耗仅为后者的50%-60%,产品中挥发份达10-6级机筒中较窄的停留时间分布避免了凝胶问题,溶剂回收率大于98%。


六,比能耗特征:
      关于比能耗,据文献统计,国产塑机上世纪80年代中区比能耗约为1. 8-2, 4kwh/kg,90年代后期将为1. 0-1. 2kwh/kg,相当于国际同期先进水平1.1-2.0倍,国外传统机比能耗约为0. 4-0. 53kwh/kg,平均0.464kwh/kg。找们在相同工艺条件下对比了专用型机与普通双螺杆挤出机的比能耗(机型均为zsk25/40型)在制备生物基降解材料母粒时,螺杆转数由50-220rpm,专用型机的比能耗为0. 23-0. 26kwh/kg,对比机得比能耗为0.25-0. 27kwh/kg,前者比后者的比能耗低5%。对比数据说明生物基降解材料专用型机比能耗明显低于90年代后期国外传统机水平。分析原因:主要归功于专用型机特有的几何结构,即存在两个啮合区和特定的中心区,生物基物料在机筒内部自由流动的空间增大,有助于降低螺杆的扭矩,从而降低能耗。

       由上述对生物基降解材料专用型双螺杆挤出机特有挤出特性的分析,可获得如下结论:
1,与相同参数的双螺杆挤出机相比,生物基降解材料专用型机得两个啮合区,熔体经受剪切的频率成倍提高,其最大剪切的速率分布范围较宽,从剪切分散角度讲,专用型机比普通双螺杆挤出机的分散混合能力强。
2,由于物料在专用型机螺杆上复杂的运动轨迹和空间交换,有利于获得填充物在材料体系里的均匀分布。

3,专用型机特有的挤出性能,使其能以相对短的长径比获得良好的塑炼效果,而且整机能耗较低。

4,专用型机的螺杆交互作用和中心区独有设计作用,使专用型机对植物淀粉及纤维素,木质素高填充工艺有较好的适应性能,能够满足生物基降解复合材料高效率和连续化生产的要求。


在此感谢浙江天禾生态科技有限公司裘煜总经理、杨文斌高级工程师。中科院宁波材料技术与工程研究所汤兆宾博士的大力支持!