近幾年來，同向旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出機(jī)在國(guó)內(nèi)外得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展,，其產(chǎn)量,、扭矩和轉(zhuǎn)速大幅度地提高,，應(yīng)用也日益廣泛。目前,，我國(guó)生產(chǎn)的同向平行雙螺桿擠出機(jī)多為中小型機(jī),，螺桿直徑約在φ25～φ100之間，國(guó)內(nèi)所需的大型擠出機(jī)全部依賴于進(jìn)口,。國(guó)內(nèi)大部分廠家生產(chǎn)的雙螺桿擠出機(jī)總體性能較低,，應(yīng)用范圍較窄，在很多行業(yè)的應(yīng)用領(lǐng)域還尚未開拓；對(duì)雙螺桿擠出機(jī)理的研究才剛起步,，在脫揮理論的研究方面還處于空白狀態(tài),；在雙螺桿的設(shè)計(jì)、計(jì)算以及制造技術(shù)方面仍有不少難點(diǎn)需要克服,，這些都制約了我國(guó)雙螺桿擠出技術(shù)與裝備的發(fā)展,。鑒此，我們結(jié)合國(guó)家“九五”重大技術(shù)裝備攻關(guān)項(xiàng)目——“高效多功能雙螺桿擠出造粒機(jī)組”的研究,，對(duì)開發(fā)研制中的技術(shù)難點(diǎn)和脫揮理論進(jìn)行了重點(diǎn)研究,。
本課題以國(guó)外第六代雙螺桿擠出機(jī)的水平為趕超目標(biāo)，圍繞雙螺桿擠出機(jī)高的生產(chǎn)效率,、強(qiáng)的混煉塑化能力,、良好的操作穩(wěn)定性、低的能耗以及多功能,、多用途等六項(xiàng)主要技術(shù)性能指標(biāo),，開發(fā)研制成功了國(guó)內(nèi)第一臺(tái)φ30高效多功能雙螺桿擠出造粒機(jī)組。在高扭矩,、高轉(zhuǎn)速雙螺桿專用傳動(dòng)裝置,、高粘度齒輪計(jì)量泵、組合式推力軸承裝置的設(shè)計(jì)與制造以及激光測(cè)試技術(shù)等方面取得了關(guān)鍵性的突破,；完善了雙螺桿擠出機(jī)的核心部件——螺紋元件的幾何造型程序,，實(shí)現(xiàn)了三維模型的參數(shù)化設(shè)計(jì)，圖形精度和計(jì)算速度有顯著的提高,，程序的適用性和可操作性大為增強(qiáng),。這些都可為大型同向旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出機(jī)的國(guó)產(chǎn)化以及多功能雙螺桿擠出機(jī)的系列化開發(fā)提供經(jīng)驗(yàn)。
在廣泛查閱國(guó)內(nèi)外有關(guān)聚合物的脫揮機(jī)理以及各種螺桿擠出脫揮理論和實(shí)驗(yàn)研究的文獻(xiàn)基礎(chǔ)上,，對(duì)同向旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出機(jī)的脫揮機(jī)理進(jìn)行了深入研究,。通過分析物料在擠出過程中低分子揮發(fā)分氣體形成和排出過程，研究了加入物料物性,、揮發(fā)分含量,、擠出工藝條件、螺紋元件幾何參數(shù)和組合形式對(duì)氣體揮發(fā)物脫揮效率的影響,，分析了氣泡形成條件和加速氣泡破裂的各種因素,。
借鑒靜止液體中氣泡均勻成核和非均勻成核速率表達(dá)式，提出了在一定的溫度和螺桿轉(zhuǎn)速下同向旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出機(jī)中的氣泡成核速率表達(dá)式,，并由實(shí)驗(yàn)得出模型中含有的相關(guān)參數(shù),。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合物料在同向旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出機(jī)中的流動(dòng)特性,，利用結(jié)構(gòu)微發(fā)泡中氣泡長(zhǎng)大模型,，建立了同向旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出機(jī)的起泡控制脫揮和擴(kuò)散控制脫揮的有限膜物理和數(shù)學(xué)模型。采用國(guó)際上先進(jìn)的大型商業(yè)有限元軟件ANSYS對(duì)非牛頓流體三維流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，得到了物料在雙螺桿擠出機(jī)內(nèi)的壓力,、速度和粘度分布以及螺桿特性曲線，求得了物料在雙螺桿擠出機(jī)內(nèi)的有效充滿長(zhǎng)度,、用于脫揮的未充滿段長(zhǎng)度和脫揮傳質(zhì)面積,。這些數(shù)據(jù)的獲得對(duì)脫揮效率的計(jì)算是必不可少的。
為了驗(yàn)證本研究所建立的同向旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出機(jī)脫揮問題的物理,、數(shù)學(xué)模型和理論計(jì)算值的正確性,，我們進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)。在此基礎(chǔ)上用回歸分析法求得了起泡脫揮時(shí)氣泡群密度計(jì)算公式中的若干經(jīng)驗(yàn)參數(shù),。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理分析,，得到如下結(jié)論：
1、主螺桿轉(zhuǎn)速,、加料量以及機(jī)筒設(shè)定溫度是雙螺桿擠出機(jī)中脫揮過程的主要影響因素,。這些因素的變化又會(huì)影響物料溫度、螺槽充滿度,、停留時(shí)間以及有效充滿長(zhǎng)度,，從而多方面地影響脫揮。對(duì)于特定的工藝,，有一個(gè)最佳工作點(diǎn),，在穩(wěn)定工作的情況下，可以得到最高的脫揮效率,。
2,、提高螺桿轉(zhuǎn)速，有利于氣泡形成,、長(zhǎng)大和破裂,，有利于降低物料在螺槽中的充滿長(zhǎng)度、增強(qiáng)物料質(zhì)量傳遞表面的更新作用,，可以提高脫揮效率,；但過高的轉(zhuǎn)速，使物料在脫揮段的停留時(shí)間急驟減少,，脫揮效率反而下降,。
3、適當(dāng)降低喂料量可以減少排氣段的充滿率,，使脫揮效率提高,；但過低的喂料量不僅使擠出量減少并產(chǎn)生波動(dòng)，而且由于充滿率太低,，不足以形成熔池,，使起泡脫揮效率下降，因此喂料量必須適中。
4,、提高熔體溫度,，使擴(kuò)散系數(shù)和Henry常數(shù)增大，熔體粘度下降,，有利于脫揮過程的進(jìn)行,。
5、增加物料在脫揮段的停留時(shí)間,、增加脫揮段長(zhǎng)度可以提高脫揮效率,，為此在螺桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中可以考慮增加排氣段長(zhǎng)度和采用多階排氣。
綜上所述,，φ30新型高效多功能雙螺桿擠出造粒機(jī)組的開發(fā)研究成功,，既可為我國(guó)聚合物混合、改性造粒工藝提供最新的裝備,，又可為后續(xù)大型雙螺桿造粒機(jī)組的開發(fā)研制在技術(shù)和理論兩方面積累經(jīng)驗(yàn),。實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明，本研究建立的同向旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出機(jī)起泡控制和擴(kuò)散控制脫揮模型應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際是可行的,。它對(duì)聚合物生產(chǎn)過程的下游工序如清洗,、凝固、脫揮,、擠壓脫水,、干燥和造粒以及反應(yīng)擠出等工藝參數(shù)選擇、大型多階排氣式雙螺桿擠出機(jī)的開發(fā)研究有重要參考價(jià)值,。
本課題以國(guó)外第六代雙螺桿擠出機(jī)的水平為趕超目標(biāo)，圍繞雙螺桿擠出機(jī)高的生產(chǎn)效率,、強(qiáng)的混煉塑化能力,、良好的操作穩(wěn)定性、低的能耗以及多功能,、多用途等六項(xiàng)主要技術(shù)性能指標(biāo),，開發(fā)研制成功了國(guó)內(nèi)第一臺(tái)φ30高效多功能雙螺桿擠出造粒機(jī)組。在高扭矩,、高轉(zhuǎn)速雙螺桿專用傳動(dòng)裝置,、高粘度齒輪計(jì)量泵、組合式推力軸承裝置的設(shè)計(jì)與制造以及激光測(cè)試技術(shù)等方面取得了關(guān)鍵性的突破,；完善了雙螺桿擠出機(jī)的核心部件——螺紋元件的幾何造型程序,，實(shí)現(xiàn)了三維模型的參數(shù)化設(shè)計(jì)，圖形精度和計(jì)算速度有顯著的提高,，程序的適用性和可操作性大為增強(qiáng),。這些都可為大型同向旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出機(jī)的國(guó)產(chǎn)化以及多功能雙螺桿擠出機(jī)的系列化開發(fā)提供經(jīng)驗(yàn)。
在廣泛查閱國(guó)內(nèi)外有關(guān)聚合物的脫揮機(jī)理以及各種螺桿擠出脫揮理論和實(shí)驗(yàn)研究的文獻(xiàn)基礎(chǔ)上,，對(duì)同向旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出機(jī)的脫揮機(jī)理進(jìn)行了深入研究,。通過分析物料在擠出過程中低分子揮發(fā)分氣體形成和排出過程，研究了加入物料物性,、揮發(fā)分含量,、擠出工藝條件、螺紋元件幾何參數(shù)和組合形式對(duì)氣體揮發(fā)物脫揮效率的影響,，分析了氣泡形成條件和加速氣泡破裂的各種因素,。
借鑒靜止液體中氣泡均勻成核和非均勻成核速率表達(dá)式，提出了在一定的溫度和螺桿轉(zhuǎn)速下同向旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出機(jī)中的氣泡成核速率表達(dá)式,，并由實(shí)驗(yàn)得出模型中含有的相關(guān)參數(shù),。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合物料在同向旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出機(jī)中的流動(dòng)特性,，利用結(jié)構(gòu)微發(fā)泡中氣泡長(zhǎng)大模型,，建立了同向旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出機(jī)的起泡控制脫揮和擴(kuò)散控制脫揮的有限膜物理和數(shù)學(xué)模型。采用國(guó)際上先進(jìn)的大型商業(yè)有限元軟件ANSYS對(duì)非牛頓流體三維流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，得到了物料在雙螺桿擠出機(jī)內(nèi)的壓力,、速度和粘度分布以及螺桿特性曲線，求得了物料在雙螺桿擠出機(jī)內(nèi)的有效充滿長(zhǎng)度,、用于脫揮的未充滿段長(zhǎng)度和脫揮傳質(zhì)面積,。這些數(shù)據(jù)的獲得對(duì)脫揮效率的計(jì)算是必不可少的。
為了驗(yàn)證本研究所建立的同向旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出機(jī)脫揮問題的物理,、數(shù)學(xué)模型和理論計(jì)算值的正確性,，我們進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)。在此基礎(chǔ)上用回歸分析法求得了起泡脫揮時(shí)氣泡群密度計(jì)算公式中的若干經(jīng)驗(yàn)參數(shù),。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理分析,，得到如下結(jié)論：
1、主螺桿轉(zhuǎn)速,、加料量以及機(jī)筒設(shè)定溫度是雙螺桿擠出機(jī)中脫揮過程的主要影響因素,。這些因素的變化又會(huì)影響物料溫度、螺槽充滿度,、停留時(shí)間以及有效充滿長(zhǎng)度,，從而多方面地影響脫揮。對(duì)于特定的工藝,，有一個(gè)最佳工作點(diǎn),，在穩(wěn)定工作的情況下，可以得到最高的脫揮效率,。
2,、提高螺桿轉(zhuǎn)速，有利于氣泡形成,、長(zhǎng)大和破裂,，有利于降低物料在螺槽中的充滿長(zhǎng)度、增強(qiáng)物料質(zhì)量傳遞表面的更新作用,，可以提高脫揮效率,；但過高的轉(zhuǎn)速，使物料在脫揮段的停留時(shí)間急驟減少,，脫揮效率反而下降,。
3、適當(dāng)降低喂料量可以減少排氣段的充滿率,，使脫揮效率提高,；但過低的喂料量不僅使擠出量減少并產(chǎn)生波動(dòng)，而且由于充滿率太低,，不足以形成熔池,，使起泡脫揮效率下降，因此喂料量必須適中。
4,、提高熔體溫度,，使擴(kuò)散系數(shù)和Henry常數(shù)增大，熔體粘度下降,，有利于脫揮過程的進(jìn)行,。
5、增加物料在脫揮段的停留時(shí)間,、增加脫揮段長(zhǎng)度可以提高脫揮效率,，為此在螺桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中可以考慮增加排氣段長(zhǎng)度和采用多階排氣。
綜上所述,，φ30新型高效多功能雙螺桿擠出造粒機(jī)組的開發(fā)研究成功,，既可為我國(guó)聚合物混合、改性造粒工藝提供最新的裝備,，又可為后續(xù)大型雙螺桿造粒機(jī)組的開發(fā)研制在技術(shù)和理論兩方面積累經(jīng)驗(yàn),。實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明，本研究建立的同向旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出機(jī)起泡控制和擴(kuò)散控制脫揮模型應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際是可行的,。它對(duì)聚合物生產(chǎn)過程的下游工序如清洗,、凝固、脫揮,、擠壓脫水,、干燥和造粒以及反應(yīng)擠出等工藝參數(shù)選擇、大型多階排氣式雙螺桿擠出機(jī)的開發(fā)研究有重要參考價(jià)值,。
本文網(wǎng)址：http://bfsqw.com/news_view_451_231.html
