葉片式擠出機(jī)

1、主講人：李鈿葉片擠出機(jī)什么是葉片式擠出機(jī)？v聚合物葉片擠出塑化輸運(yùn)設(shè)備是一種基于拉伸流變的高分子材料塑化輸運(yùn)方法及設(shè)備。通過一組具有確定幾何形狀的空間，它們的容積可以依次由小到大再由大到小周期性變化，容積變大時納入物料，容積變小時壓實、塑化并排出物料，實現(xiàn)正應(yīng)力起主要作用的物料塑化輸運(yùn)。由具有圓柱內(nèi)腔的定子、置于定子內(nèi)腔中并與定子偏心的轉(zhuǎn)子、布置在轉(zhuǎn)子的直徑方向并沿圓周方向均勻分布的若干葉片和布置在定子兩側(cè)的擋料盤組成葉片塑化輸運(yùn)單元。定子內(nèi)表面、轉(zhuǎn)子外表面、兩葉片及兩擋料盤圍成上述具有確定幾何形狀的空間。葉片式擠出機(jī)的結(jié)構(gòu)v聚合物葉片擠出機(jī)主要由傳動系統(tǒng)、擠壓系統(tǒng)和加熱冷卻系統(tǒng)三部分組成，其

2、中核心的塑化擠壓系統(tǒng)是由多組葉片單元串聯(lián)組成。主要有偏心定子、轉(zhuǎn)子與擋板組成。葉片擠出機(jī)主要由傳動系統(tǒng)、擠壓系統(tǒng)、加熱冷卻系統(tǒng)和控制系統(tǒng)四部分組成。工作原理v聚合物葉片塑化運(yùn)輸方法將正位移輸運(yùn)應(yīng)用到了聚合物加工設(shè)備。聚合物葉片塑化運(yùn)輸擠出機(jī)中，物料可以在正應(yīng)力的作用下通過空間容積變化進(jìn)行物料輸送，從而實現(xiàn)物料的正位移輸送。按照正位移的原理，葉片每轉(zhuǎn)一圈，起運(yùn)輸量都是固定的，而與其它因素?zé)o關(guān)，即聚合物葉片塑化輸送能最大的實現(xiàn)物料的輸送v主要分為進(jìn)料段、壓縮段、 出料段 1、 出料段 2進(jìn)料段v塑料固體以散體的形式輸入葉片單元，由于固體未被壓實，因此固體顆粒之間間隙大，相互之間作用力小，容腔內(nèi)壓力

3、增加緩慢。壓縮段v由于兩葉片間體積的減小，固體顆粒被壓實，容腔內(nèi)壓力增加較大。出料段 1v此時出料容腔由后端推動葉片，前段葉片，定子內(nèi)徑，轉(zhuǎn)子外徑以及擋板構(gòu)成，在后端葉片的推動力，以及由于容積縮小所產(chǎn)生的擠壓力共同作用下物料沿?fù)醢迮懦?。出料?2v此時前段葉片已經(jīng)轉(zhuǎn)過定子和轉(zhuǎn)子的最小截面處，出料容腔由后端推動葉片，定子內(nèi)徑，轉(zhuǎn)子外徑以及擋板構(gòu)成，在后端葉片的推動力，以及由于容積縮小所產(chǎn)生的擠壓力共同作用下物料沿?fù)醢迮懦?。為什么要用葉片擠出機(jī)？v當(dāng)前的高分子材料加工設(shè)備普遍存在物料塑化輸運(yùn)所經(jīng)歷的熱機(jī)械歷程長、能耗高、設(shè)備結(jié)構(gòu)大、對物料特性依賴性強(qiáng)等缺陷，因此葉片式擠出機(jī)基于拉伸流變的葉片塑化輸

4、運(yùn)方法及設(shè)備，實現(xiàn)了正應(yīng)力支配的塑化輸運(yùn)過程。與螺桿塑化輸運(yùn)技術(shù)及設(shè)備相比，具有如下優(yōu)點：v完成塑化輸運(yùn)過程所經(jīng)歷的熱機(jī)械歷程大大縮短，塑化輸運(yùn)能耗降低；v塑化輸運(yùn)靠特定形狀的空間容積變化完成，具有完全正位移特性，效率提高；v塑化輸運(yùn)過程在很短的熱機(jī)械歷程內(nèi)完成，相應(yīng)的塑化輸運(yùn)設(shè)備體積縮??；v塑化輸運(yùn)能力不依賴于物料的物理特性，塑化輸運(yùn)穩(wěn)定性提高，對物料適應(yīng)性提高，制品的性能和質(zhì)量提高。什么是拉伸流場？v在聚合物加工過程中，聚合物都需要經(jīng)過熱機(jī)械作用塑化熔融形成具有流動狀態(tài)的熔體，然后經(jīng)過特定形狀的口模形成具有特定形狀結(jié)構(gòu)的制品。在不同的熱機(jī)械歷程中，成型設(shè)備會使得物料處于不同的流動狀態(tài)。一般

5、按流場對聚合物熔體的作用方式不同可將流場分為剪切流場和拉伸流場，分別對應(yīng)兩種速度梯度場：速度梯度與流動方向相同的為拉伸流場，如圖 1-1 a）所示，而速度梯度與流動方向垂直的為剪切流場如圖 1-1 b）所示。v在拉伸流場中，熔體中的高分子鏈將沿外作用力方向進(jìn)行取向排列。有理論研究表面，無論是分布混合過程還是分散過程，拉伸流場的混合效率均是剪切流場的若干倍，此外，拉伸流場能量利用率是剪切流場的若干個數(shù)量級不受制于物料的粘度比（剪切流場一般要求 4 以內(nèi)）；加工過程中拉伸流場下溫度提高僅 1-3；不會導(dǎo)致固體顆粒的二次聚集等優(yōu)點。拉伸流場的產(chǎn)生v鑒于拉伸流場的優(yōu)點，國內(nèi)外科研工作者都致力將這種優(yōu)勢

6、轉(zhuǎn)化到實際的生產(chǎn)應(yīng)用中。v目前大多數(shù)的分散混合器設(shè)備是利用單螺桿的外形來產(chǎn)生的剪切流場來分散團(tuán)塊和液滴的。研究表明，在分散團(tuán)塊和液滴的方面，拉伸流場的效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于剪切流場。因此，為了使單螺桿擠出機(jī)能夠達(dá)到好的分散混合效果，需要使用一種能夠產(chǎn)生拉伸流場的混合單元Chris Rauwendaal 及其團(tuán)隊研制了一種能夠產(chǎn)生強(qiáng)烈拉伸流場的 CRD混合設(shè)備，CRD 混合器很好地結(jié)合了分散與分布混合能力。v在單螺桿擠出機(jī)中的 CRD 混合器使用了兩種產(chǎn)生拉伸流動的方法。如圖 1-2 所示，實心箭頭表示熔體相對于螺桿的速度，虛線箭頭表示螺桿速度。第一種方法是使用楔形螺棱，當(dāng)材料被迫通過螺棱與料筒之間的間隙

7、時受到拉伸作用。第二種方法是在螺棱上開有錐形槽。錐形槽使通過其中的流體加速從而獲得拉伸流動。vChris Rauwendaal 也將 CRD 混合器的機(jī)理應(yīng)用在混合屏障板（MBP）和分散分布靜態(tài)混合器（DDSM）中。圖 1-3 展示了兩種類型的屏障板，第一種屏障板具有環(huán)形排布的收斂流道，第二種屏障板具有平行排布的收斂流道。聚合物熔體通過收斂流道時產(chǎn)生強(qiáng)烈的拉伸流場，可以增加擠出機(jī)中的混合作用。而且 MBP 與傳統(tǒng)的屏障板相比流道更具有流線型，所以更不容易使物料停滯，易于清潔。將收斂流道環(huán)形排列、徑向排列和平行排列的三種混合屏障板沿物料擠出方向，間隔一定的距離平行排列，形成 DDSM分散分布靜態(tài)

8、混合器），經(jīng)過三次強(qiáng)烈的拉伸流動，可以有效地使通過它們的分散相進(jìn)行分散、分布混合，使填充體系中的分散相混合更為充分。vSuzaka等研制出一種可用于聚合物混合設(shè)備的分散裝置。這種分散裝置由流道板上的一個或多個混合孔平行排列組成?；旌峡资怯梢粋€平行孔、上游壓縮區(qū)域和下游擴(kuò)散區(qū)域組成的，如圖 1-4 所示。實驗證明最大孔的最大截面與最小截面面積比值至少在10：1 以上，分散相才有較好的分散效果。v基于對微觀流變學(xué)的理解，Utracki等設(shè)計了用于聚合物均化與混合的 EFM（Extensional Flow Mixing）裝置。這個裝置使用了收斂-發(fā)散（C-D）流動，可以對流體進(jìn)行流動方向和橫向的拉

9、伸，如圖 1-5 所示。這個裝置的核心就是上下圓形拉伸塊形成C-D 流動區(qū)域，其優(yōu)點在于上下板可以進(jìn)行周向調(diào)節(jié)，可以靈活地改變拉伸比，以適應(yīng)不同特性物料分散混合的需要。圖 1-5 EFM 裝置示意圖v吳大鳴等利用原位氣泡拉伸法(ISBS)產(chǎn)生的高拉伸速率，對分散納米無機(jī)粒子進(jìn)行了研究。理論計算表明，在氣泡原位膨脹的過程中，產(chǎn)生的拉伸速率場數(shù)量級為 106s-1，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)聚合物機(jī)械產(chǎn)生的拉伸速率場，拉伸速率數(shù)量級為 103s-1104s-1，并且是經(jīng)緯度的雙向拉伸速率場，對分散納米無機(jī)粒子作用非常有效。原位氣泡拉伸法的機(jī)理是：氣泡將優(yōu)先在微小顆粒及其團(tuán)塊附近優(yōu)先生成，氣泡膨脹過程中具有極大的拉伸速率，對氣泡周圍的聚合物熔體產(chǎn)生很大的拉伸應(yīng)力，拉伸應(yīng)力作用在微小顆粒及其團(tuán)塊，從而達(dá)到高效率的分散效果，如圖 1-6 所示。v眾所周知，雙螺桿擠出機(jī)較單螺桿擠出機(jī)有出色的混煉效果，其主要原因就在于拉伸流場的引入。從同向雙螺桿擠出機(jī)的混煉過程分析可發(fā)現(xiàn)，其主要的混煉作用