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助推高速挤出的发展
点击:74 日期:2017-3-23 16:41:56
        一台正确设计的高速单螺杆挤出机(HSSSE)可以显著地提高宽范围应用中的小直径机器的加工能力。这是位于美国康涅狄格州Pawcatuck的Davis-Standard公司进行的一项研究的结论,并由该公司加工技术副总裁John Christiano在塑料工程师协会(SPE)主办的ANTEC会议上进行了阐述。Davis-Standard公司先前推出了其首款高速挤出机。
        高速双螺杆挤出系统自20世纪90年代以来在配混中已成为标准,那时一些机器制造商推出超高速、高扭矩设计。但是在单螺杆挤出机中,高速技术在欧洲要比在北美更为常见。
        Davis-Standard公司的研究专注于一台HSSSE的挤出特性,以确定它是否适合于几个不同的挤出应用,包括片材、纤维和挤出涂敷。本文报道了相关片材挤出的结果,对PP和HIPS品级在高速度下的表现情况进行了评判。
        研究使用的是一台直径64mm、L/D为40:1的挤出机,它配备了一台367.5KW的电动机。高达1200r/min的螺杆速度被评估。
        该挤出机装备了多种仪器设备,可对多项工艺参数进行监控和测量,Christiano的论文指出。具体而言,Davis-Standard公司的Thermatic温度控制系统被用来控制机筒温度并测量挤出机每段中的热通量;8个压力传感器沿着机筒以约5D的增量定位,可测量沿螺杆产生的向压力;为了评估熔体的挤出和加工热稳定性,一个压力传感器和外露的熔体热电偶被定位在挤出机的出料模头接套中。
        一个阀控模头接套以及一个762mm宽、模头间隙为1.27mm的衣架式模头,被用于所有的片材试验。一台4D静态混合器被安装在阀控模头接套和模头之间。一个两阶段、中等强度混合至高强度混合的螺杆设计,被用来加工片材品级PP生HIPS。
        在每个操作条件下记录的数据包括挤出机的挤出量、熔体温度、电动机的功率消耗和挤出机卸料时的压力。压力读数用一个数据采集系统以50Hz的频率记录。通过在挤出机卸料时监测压力和熔融温度随时间的变化,评价每种材料的加工稳定性。当挤出物从模头中出来时,用目测检查熔体的质量。对于每种材料,被检测的螺杆速度范围为400~1200r/min.
        通过将HSSSE性能参数与常用于每个应用中的一组预设定参数进行对比,判断HSSSE针对每个应用的适用性,尤其是喂料一致性与螺杆转速的关系,或者比挤出量的线性度(kg/h.r/min)螺杆转速的关系;可接受的熔融温度范围;以及所需的加工稳定性。通过监测压力变化和熔融温度随时时间的变化来评价加工的稳定性,前者作为挤出一致性的指示,后者作为热均匀性的指示。熔体质量的检查是通过目测来看熔体离开模头时是否有缺陷。
        在PP片材的测试中,出料速率随着螺杆转速呈线性增加。在800r/min时,比出料速率有轻微的增加,但是在400r/min和1200r/min时,该值是恒定的。整个加工范围内相对恒定的比挤出量,表明螺杆的固体输送段正在有效运作。在所期望的加工范围内,小于1.8%的比挤出量变化远低于所要求的喂料速率一致性的标准。总体而言,挤出量达到了998kg/h,这要比一台同样大小、传统设计的挤出机大9倍左右。
        熔体温度在较高的螺杆速度下增加,但仍保持在一个可接受的范围内,熔融温度仅从400r/min时的225℃上升至1200r/min时的247℃。热加工的稳定性在高达800r/min仍然保持在所要求的范围内。
        在1200r/min时,熔融温度的波动增加至2.2℃。挤出机出口处的压力变化,是在目标值的±2%范围内。大多数片材挤出系统都拥有配备熔体泵的挤出机以应对这一水平的压力变化。
在400r/min和800r/min转速时,对熔体幕的目视检查显示了优良的熔体质量。挤出物的目测熔体质量在1200r/min时下降。在从模头挤出的片材中可观察到熔体扰动。总体而言,对于加工PP片材品级,在螺杆速度达到800r/min时,HSSSE的表现是可以接受的。
        HIPS片材挤出材料的比速率在400r/min时最低,在800r/min时达到最大值。在800r/min时的比挤出量峰值比比挤出量平均值高10%,在400r/min时的值比平均值低10%。熔体温度随着转速的增加而增加。在800r/min时达到熔体温度的上限(熔体温度从400r/min时的234℃上升至800r/min时的247℃)。这超过了最高限制温度2.2℃。HIPS片材品级在设计参数内加工的产量可达到1100kg/h.Davis-Standard公司声称采用进一步的螺杆设计优化来提高熔融和混合,获得更高的出料速率是可能的。
        热加工的稳定性仍然保持在所要求的范围内。熔体温度波动在整个加工范围内仍保持低于0.6℃。这表明具有良好的热均匀性。在挤出机出口处的压力变化对所有的操作条件也都保持在可接受的范围内。
        目视检查400r/min、800r/min及1200r/min时的熔体幕,显示了优异的熔体质量。总体而言,对于加工片材品级HIPS,在螺杆转速达到800r/min时,HSSSE的表现是可接受的。在这个螺杆转速之上就超过了最高的熔融温度。为了确保挤出的一致性,并减少从挤出机挤出的熔体流中的热梯度,建议采用一台熔体泵和静态混合器。
在800r/min以上时控制熔体温度需要一个更柔和的螺杆设计。该研究指出,在固体输送段进一步优化机筒温度,能有助于减少在不同螺杆转速下比挤出量的变化。
 
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