双螺杆挤出机80年来都改变了什么?

  • 发布:2018/1/18 8:24:55
  • 来源:业内看塑界

整整80年前,塑界发生了一件大事——真正能够制造出聚合物加工用的双螺杆挤出机,诞生了!

80年过去了,双螺杆挤出机已经得到了广泛应用,许多行业都能看见它的身影。例如:高分子合金共混、PVC管材、食品行业、制药行业等。接下来,我们谈谈双螺杆挤出机的发展历程。

从单到双,应用范围大大提升

早在19世纪中叶,挤出机就已经在工业生产中普遍应用了。但那时候的挤出机都属于单螺杆挤出机,主要应用在瓷器黏土、橡胶、食品工业三大领域。

人们发现,单螺杆挤出机输送物料的效率受介质本身的流变性能影响很大,并且,螺槽根部的物料滞留严重,所以发明家们一直在寻找可以解决上述问题的方案。

 

土爆了对不对?然而,他就是世界上第一个提出真正意义上的双螺杆挤出机的人。双螺杆挤出机的发明,将挤出机在工业生产中的应用大大提升了。当然,改进仍在继续。

历史转折,双螺杆挤出机取代液压机

80年前,也就是1938年,意大利LMP公司创始人Roberto Colombo首次真正制造出聚合物加工用的双螺杆挤出机,并且用来制造PVC管材。

这是一个历史性时刻!因为此前,PVC管材都由液压机压制成型的。从那一刻开始,液压机开始被双螺杆挤出机取代。而这,还只是双螺杆挤出机的初尝试。

 

Colombo Roberto在美国申请的一系列专利中的一篇——screw press for mixing and extruding plastic materials(1951)

由上图可见,Colombo的螺杆全部由输送元件组成,这是因为他的设计初衷是挤出成型,所以并没有考虑混合效率的问题。

1939年,Colombo对双螺杆挤出机进行改进,最大直径做到109mm。同年,他获得了第一个客户——德国IG法本公司。双螺杆挤出机开始得到市场认可。

不过,此时双螺杆挤出机的制造与应用还没有达到科学性的高度,可以说应用远远领先于理论。

继续改进,克服又一个难题

直到1940年代,一支由数学家、物理学家、工程师和一批机械专家组成的队伍,在德国萨克森-安哈尔特州的IG工厂,开始了系统性研究这类啮合同向双螺杆挤出机。其中就有大名鼎鼎的W. Meskat,A. Geberg和Rudolf Erdmenger。(不会念这些名字?没关系,看个意思就行)

他们的任务是,开发出一台可以用来处理高粘度体系混合问题的化工设备。

大家知道,单螺杆挤出机最大的缺陷在于其输送能力与输送介质流变特性非常相关,为了克服这一难题,他们再次把注意力放在了同向啮合双螺杆挤出机。

技术突破,聚合物共混挤出机首次量产

1950年代,有了数年的研究积累,W. Meskat和R. Erdmenger等人把双螺杆挤出机的一些关键性参数进行定义并整理,使挤出机的理论研究走向规范化。下为数篇专利中的一篇,可以看出,当时的挤出机已经以单头元件为主,专利中还公开了啮合元件的应用。

 

1957年,获得生产许可的WP公司推出了第一台共混用的双螺杆挤出机ZSK系列。ZSK即为德语Zweiwellige Knetscheiben-Schneckenpresse的缩写,意为“双轴啮合盘型挤出机”,同时也推出了可以进行自由模块组合的挤出机。该挤出机很快进行了量产。

 

 

第一台用于聚合物共混的双螺杆挤出机(1950年代)

超越限制,不断提高产量

WP公司推出的ZSK机型相比于同时期的单螺杆挤出机在产量并没有很大优势,这主要是受制于齿轮箱设计加工技术,更准确地说,是轴向止推轴承的限制。

因为双螺杆一旦确定中心距以后,需要轴承在有限的尺寸下提供足够大的推力。同时需要把电机的扭矩均匀地分配给两根螺杆。这在结构设计、材料选择与热处理、加工制造上都很困难。

 

历代ZSK机型比扭矩发展-科倍隆

另一个限制产量的主要因素是比扭矩。比扭矩意味着在单位空间体积上,挤出机可以提供的扭矩极限,该参数的大小往往决定着挤出机的产量性能:比扭矩越高,代表相同螺杆直径下的产量越高。

其实,比扭矩并非越高越好,因为挤出机工艺是个复杂的系统,高比扭矩意味着更高的产能,代表着更低的单位机械能,而产品最终的熔温相较于低比扭设备会有所降低,但是这对于混合质量、脱挥效率等也带来了不利因素。因此,如何平衡这些参数是使用者必须考虑的。

从1960年代起,在聚合物加工领域逐渐普及后,伴随着市场需求,挤出机的各项参数指标也在不断进步。人们意识到,想要做出更好的产品,需要在一定的混合质量的要求下,尽量缩短停留时间,降低熔体温度,提高产量。

 

65mm机型产量的更新

由图可以看到,以65mm机型为例,从1980s到2000s,将近20年时间里产量提升了近10倍。比扭矩从ZSK第一代的4Nm/d3已发展到18+ Nm/d3,大小径比从1.22提高到1.80,物料的平均停留时间也由数十分钟降低到了仅仅数十秒。

从1938年首次加工PVC,至今已过了80年,目前,在高分子共混改性行业,双螺杆挤出机已成为最具代表性的加工设备。通过双螺杆挤出机的发展历史,我们可以看出,只要使用者不断提出需求,双螺杆挤出机的发展就不会止步。

关键词:

双螺杆挤出机,挤出机

[责任编辑:张赞丽]

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