塑料混合混炼设备的种类与性能特点.docx

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1、塑料混合混炼设施的种类与性能特点塑料改性（物理改性一共混，填充，增加改性，化学改性）中一个重要而不行或缺的 步骤就是混合混炼。除了参加改性的各组份选择外，混合混炼工艺路线的确定及混合混炼 设施的选择就是一个重要的问题。本文主要介绍各种混合混炼设施的特点及其选择。为讲 清这个问题，也有必要对塑料改性中的混合混炼做一简洁的介绍一、塑料改性中的混合将两种或两种以上的聚合物熔混在一起，或将非聚合物的添加剂与聚合物熔混在一起, 形成一种新的，具有与参加混合的各组分性能不同的，且具有所盼望的新的性能的混合物 的方法，叫聚合物改性。聚合物改性有物理改性，化学改性，物理改性过程中一般没有化学反应，而化学改性

2、过程中有化学反应。物理改性又分共混改性，填充改性，增加改性。共混改性是指将两种或两种以上的聚 合物熔混在一起；填充改性是把非聚合物（各种填料）与聚合物熔混在一起；增加改性是 把长径比大的填料加入聚合物熔混在一起。全部这些改性都要经受混合过程，可以说，混合是聚合物改性中最重要的一个环节， 没有混合也就没有聚合物改性。更广义地讲，聚合物加工中，没有一种过程不存在混合。什么是混合？混合是一种操作，是一个过程，是一种趋向于削减混合物非匀称性的操 作过程。或者说，混合是这样一种过程：在整个被混合系统的全部体积内，各组分在其基这种双螺杆挤出机可用于共混，填充，增加改性，脱挥发份，塑料回收，更适于反应 挤出

3、。这钟双螺杆挤出机问世很早，国外很多知名双螺杆生产厂家都有此产品，但目前我们 国家尚无一家双螺杆厂生产此产品。(A )往复式单螺杆挤出机(Buss Ko-Kneader)这是一种很有特色的连续混炼机。它属于单螺杆挤出机，其特点是螺杆除了做旋转运 动外，还做往复运动，螺杆每转一转，轴憧憬复运动一次。其机筒是剖分的，在机筒内表 面上装有按肯定规律排列的很多销钉，而螺杆上的三条螺纹是断开的。当螺杆旋转时，销 钉通过断开的螺纹，销钉和断开的螺纹间有很小的间隙，螺杆旋转时，该间隙中有很高的 相对运动速度，可以产生很高的剪切速率。可以想见，当物料由加料段进入混合段时，在 机筒外加热和螺杆与销钉的剪切作用产

4、生的热量作用下，得以融熔，同时物料在螺杆的旋 转，轴憧憬复运动中产生的剪切、拉伸、分流、合并、折叠，再取向等作用下，得以混合, 混合过程产生的气体也得以排解。Buss Ko-Kneader的长径比较短，L/D=7-23 ,转数高，可达几百转/分，是一种性能 优异的连续混炼机，它能供应良好的分布混合和分散混合。用它进行共混、填充、增加物 理改性和化学改性可以得到良好的效果。其综合性能可以和啮合同向双螺杆挤出机媲美， 二者价格也差不多。除了由国外进口这种机器外，我们国家江阴新达塑料机械有限公司已 批量生产这种机器。但是，由于其螺杆的往复运动，在螺杆末端出料是脉动的，压力是脉动的，而且建压 力量低，

5、故不能直接接机头进行造粒和挤出制品。通常在螺杆末端接熔体齿轮泵，用以建 压和稳定压力。在齿轮泵后接造粒机头；或在Buss ko-Kneader下游接一台单螺杆熔体 挤出机，进行造粒，还可在两台机器之间进行排气。(B ) FCM ( LCM )连续混炼机FCM ( Farrel Continuous Mixer)是由间歇式密炼机进展而来的两转子连续混炼机。其两根转子不啮合，可以同向，也可以逆向旋转，转子有固体输送段，混炼段，泵出段。体输送段的构型无异于非啮合双螺杆挤出机的固体输送段，混炼段的转子外形象密炼机 转子。机筒是剖分式，在转子末端有排料阀门，FCM机的下游要接一台单螺杆熔体挤出 机，用以

6、造粒。FCM机汲取了密炼机的特点，有优异的分布混合和分散混合性能，但将密炼机的间歇 工作变为连续工作，因而操作条件好，过程便于掌握，可以进行共混，填充，增加改性。LCM( Long Continuous Mixer)是在FCM的基础上进展而来的。它的转子比FCM 长,有两个混炼段，两混炼段之间还有一螺纹段，用于排气和加入添加剂。由于转子加长, 且有两个混炼段，还有排气段，故其混炼效果优于FCM ,可以完成FCM同样的混炼任务。国内用的FCM、LCM机都是进口的，目前尚未见国内厂家生产的该类产品的应用。(C)行星螺杆挤出机行星螺杆挤出机是一种很有特色的连续混炼机。它把行星轮系的概念引入单螺杆挤出

7、 机挤压系统的设计中，在常规单螺杆原来的压缩段，计量段处用一组行星螺杆来代替，其 中心螺杆和原来单螺杆的加料固体输送段为一体(但直径小)形成主螺杆，一起旋转。主螺杆四周匀称排列几根直径较小的行星螺杆。机筒内壁加工出和螺杆具有同样齿型（渐开 线，同样螺旋角（45度）的内齿。中心主螺杆与各行星小螺杆相啮合，各行星小螺杆又 与机筒的内齿相啮合。当主螺杆旋转时，带动几根行星螺杆转。当物料进入行星段后，被分成几股（股数取 决于小螺杆的根数）即被分流。在螺杆的输送下，渐渐被压实，产生肯定的压力，并被摩 擦和塑性变形产生的热量预热。相互啮合的大小螺杆之间和机筒内齿之间，如啮合齿轮相 啮合成纤维，形成很多很小

8、的啮合间隙。在这些间隙中，由于齿间有较高的相对运动速度, 故态复萌有很高的剪切速率，当物料通过这些间隙时会受到高的剪切和拉伸，产生的热量 使物料熔融塑化，发生混合。在主螺杆的齿和行星螺杆的齿间隙中，物料的运动状况如同 开炼机两程间形成的料坊,物料可沿螺杆重复地通过齿侧间隙，合并，再取向。因而能获 得良好的分布混合和分散混合，故它是一种性能优异的连续混炼机。这种混炼机的此外特点是流道呈流线型，无死角，自洁作用强，物料不易分解，特殊 适于PVC的加工；螺杆间传热面积大，塑化效率高；物料停留时间短；有良好的排气效果； 比能耗低，产量高。这种混练机目前主要用于PVC的加工,如造粒，为生产PVC硬片的压

9、延机喂料等。 依据其工作机理和混炼特点，完可用于其它聚合物的加工和改性，如对PVC/ABS共混, 加工粉末涂料，加工环氧树脂，聚脂，聚氨脂，氯化聚乙烯，也可加工热固型塑料。除了由国外购买外，我们国家已能制造这种机器。以上简洁介绍了塑料改性中的混合及常用混炼机的性能和选用。关于混炼机的选择， 要依据用户从事的改性任务，产品种类，产量等综合状况来打算。对各种混机要有基本了解是至关重要的。不要买错！买错了，花了钱，还生产不出抱负产品。参考文献：耿孝正编著.塑料混合及连续混合设施.中国轻工业出版社,2022,12耿孝正编著,双螺杆挤出机及其应用.中国轻工业出版社,2002,1本单元没有本质变化的状况下

10、的细化和分布。依据混合理论，聚合物改性中的混合可分为非分散混合，分散混合。也可以按物料的 状态分为固/固混合；固/液混合；液/液混合。前一种分类是本质的，本文不争论固/固混 合。1 .非分散混合非分散混合（non-dispersive mixing ）,也叫分布性混合（distributive , mixing 工其特点是：混合过程中各组分粒子只有相互空间位置的变化，而无粒径大小的变化。非分 散混合过程的关键变量是应变和应变施加的方向。对于层流混合的简洁剪切流场，混合进 行的好坏，可以用条纹厚度（间隔）表示，也可以用各组分之间的界面的大小（增长）来 度量。界面面积越大，条纹厚度越小，表明混合得

11、越好。从理论上，条纹厚度可以小到分子 水平，这时可以得到完全均相的混合形态。界面的增加与应变成正比，在低应变下，依靠于界面的初始取向，界面面积随施加应 变的增加可能削减或增加，应变越大，界面增加越大。因此，要想混合好，必需施加大的 应变；而应变施加的方向角可以使界面增长，也可以使界面减小。因而，要想使混合好， 剪切必需在与流淌方向成某一最佳夹角施加。拉伸应变比剪切应变更有利于混合。在实现非分散混合中，剪切、拉伸、分流、置换、合并都会增加界面。2 .分散混合分散混合（dispersive mixing ）,也叫剧烈混合（intensive mixing 分散混合又分 固相结块在熔体中的分散和液滴

12、的裂开，分散。相结块的分散对于固相的分散，各组分粒子有粒径的减小，也有空间位置的变化。混合过程中的关键变量是应力。只有当流场作用到固相结块上的力在结块内产生的内应力 大于固相结块的许用应力，固相结块才裂开，分散为更小的粒子。由于剪应力等于粘度与剪切速率的乘积，故剪切速率越大，剪应力越大，流场对固相 结块的作用力越大；粘度越高，作用力越大。而粘度与温度有关，温度越低，物料粘度越 大。因而，要想使固相结块裂开，应在低温下混合。固相结块的粒径越大，作用力越大， 可以推想，大的固相结块先裂开，小的固相结块后裂开，结块越小，裂开越困难。在塑料的填充改性中广泛采纳的母料法可以说明这一理论的应用，由于母料中

13、添加剂 浓度高，故混合物粘度高，接受的流场作用力大，固相简洁裂开。流场要对固相结块供应大的剪应力，除了必需供应大的剪切速率外，依据混合理论， 还应使流体微元多次通过高剪切区（小间隙）,才能使固相分散。因而，混合机的混合区或 混合元件应设有窄间隙，在高的相对速度下，窄间隙中就会产生高的剪切速率和剪应力。在分散混合中，对于两种熔体之间或熔体与液体添加剂之间的混合，有一个液滴的裂 开，分散的问题。两组分的粘度比越大，相容性越差，表面张力越大，少组分的液滴越不 易裂开，分散，混合匀称；在连续相粘度不变的状况下，少组分的粘度越高，其液滴越不 易裂开。剪应力越大，液滴越易裂开，分散。在实际混合过程中，非分

14、散混合，分散混合是同时存在的。没有良好的分布混合，也 不会有很好的分散混合。因而，混合机必需能供应良好的分布混合和良好的分散混合。当 然，结合需要完成的混合任务，在选择混合机时，要考虑混合机能供应那一种混合为主。鉴别混合机的混合性能，还可以用停留时间分布函数RTD ( Residence Time Distribution 假如RTD曲线的两拐点之间的距离大，表示混合机纵向混合好，距离小, 表示纵向混合差。RTD曲线的尾部在横坐标上的长短表示混合机是否易于清理，长表示不 易清理，短表示易清理。二、各种混合混炼机的性能特点及其选择混合机有预混机，塑化熔体混合机(即本文重点争论的混合混炼机1塑化熔

15、体混合混 炼机又分间歇式和连续式。1 .间歇式塑化熔体混炼机(A)两辑开炼机历史悠久，现在仍在大量应用的混炼机，大家比较熟识。它有良好的混炼性能，可以 进行分散混合和分布混合。其混合时间和混合强度可便利地进行调整，直至达到混合质量 要求，且在混合过程中可很便利地检查混合状态。但操作条件太差，散热量大，能量采用 不合理，间歇操作也使混出的不同批量物料的质量有差别。这种机器价格廉价，易买到。(B)密炼机具有特别优异的混炼性能，特殊是分散混合性能。混合效率很高，但能耗大，价格很贵，一般厂家没有这种设施，也不会轻易购卖它，只有在大厂，尤其是橡胶加工厂或聚氯 乙稀加工厂才有这种设施。2 .连续混合混炼炼

16、机一台抱负的连续混合混炼机应具有以下特点： 有匀称的剪切应力场和拉伸应力场 有匀称的温度场，压力场，物料在其中的停留时间可以柔性地掌握 有能够均化不同流变性能物料的力量 在物料分解之前，能有效地均化物料 能把混合过程中产生的气体排解 能在可控范围内转变混合过程参数，适应不同要求下面以此为依据争论各种塑化熔体混合混炼机的特点：连续混炼机有单螺杆挤出机，双螺杆挤出机，FCM ( LCM ), Buss Kneader，行星螺 杆挤出机等。下面分别争论它们的混合性能及应用，选择：(A)单螺杆挤出机这是塑料加工中最常应用的机器，大家比较熟识。但单螺杆挤出机又可分两类，一类是常规单螺杆挤出机，一类是装有

17、混炼元件的单螺杆挤出机。所谓常规单螺杆挤出机，是指其螺杆系由全螺纹组成的三段（加料段，压缩段，计量 段）螺杆。常规单螺杆挤出机主要用于板、管、丝、膜等塑料制品的挤出。在这些制品的 挤出过程中虽也有混合，但对混合不是主要要求。大量理论分析和实践证明，常规单螺杆 挤出机中的物料的融熔机理是有熔移走下的传导熔融，在熔融区，固液两相界限分明，这 是一种效率低的融熔机理。而在熔体输送区主要是简洁剪切流，且没有窄间隙的高剪切区。 这些种特点使得常规单螺杆挤出机的混合性能很差，即不能供应良好的分散混合和分布混 合。若要通过提高螺杆转数来提高剪切速率，以增加混合力量，又会影响融熔塑化质量。 总之，常规单螺杆挤

18、出机不适合用于混合作业。这或许就是选用常规单螺杆挤出机来进行 混合作业时得不到预期结果的缘由。装有混炼元件的单螺杆挤出机。为克服常规单螺杆挤出机的上述缺点，人们研制出形 形色色的非螺纹元件或特别规螺纹元件，并将它们装到常规单螺杆的不同轴向位置上，以 取代该位置上的常规螺纹区段。虽然，这些元件中的一部分当时研制出来时不是为提高混 合力量，而是为促进融熔塑化，但它们的确能同时改进常规螺杆的混合力量。这些螺杆元 件有：销钉段（机筒），屏障段（直槽和斜槽），BM （ Barr）螺杆，波状螺杆等。可以将 它们分为两大类：混合元件（螺杆），剪切元件（螺杆工混合元件以销钉螺杆为代表，其特点是在螺杆不同轴向位

19、置设置了不同直径，不同数 目，不同排列，不同疏密度的销钉。这些销钉能对已融熔的物料进行分流、合并、增加界 面，故能起到分布混合作用。若将销钉安装货在固液相共存区，还可促进融熔。但销钉螺 杆无窄间隙的高剪切区，因而不能供应高的剪应力，故不能进行分散混合。但若在螺杆和 机筒相应部位同时装有特地设计的销钉（区），形成窄间隙的高剪切区，则可能进行分散混 合。剪切元件以屏障螺杆为代表，它们为非螺纹元件，其上有窄间隙的高剪切区，可以供 应高的剪速率和剪应力，适于分散混合，也适于分布混合。其它混炼螺杆如波状螺杆，BM螺杆，CTM （ Cavity Transfer Mixer）元件等，它们 除了能促进融熔外

20、，还可以增加分布混合和分散混合。此外，在螺杆末端和口模之间可装上静态混合器（有很多种）,可以提高挤出机的分布 混合力量，但不能提高分散混合力量旦假如在螺杆末端和口模之间装上拉伸流淌混合器 EFM （ Extensional Flow Mixer）,则可以提高分布混合和分散混合力量。应指出，用于混合作业的单螺杆挤出机最好设有排气区，由于在混合过程中需要把产 生的气体和加料时带入的空气排出。（B）双螺杆挤出机这是应用最广泛的另一种挤出机。双螺杆挤出机有很多种：啮合同向双螺杆挤出机， 啮合异向双螺杆挤出机（又分平行的，锥型的），非啮合双螺杆挤出机。它们的工作机理和 性能及用途有很大不同，选用时必需弄

21、清。啮合同向旋转双螺杆挤出机这种双螺杆挤出机采纳组合式，其螺杆和机筒都是组合的。其长径比大（L/D=36-48）, 螺杆转速高（新一代最高可达1200转/分）,配有各种混合元件和剪切元件。通过科学的 组合，可以供应高的剪切速率和剪应力，能进行分布混合和分散混合。可对不同聚合物（两 种及两种以上聚合物）和配方（聚合物中加有各种添加剂）进行共混、填充、增加改性，也可进行反应挤出，它比单螺杆挤出机的混合力量有大幅度的提高，是目前塑料改性中用 得最多的一种机器。这里应指出，虽然这种机器性能好，但若不会应用，就发挥不了它应有的作用。当前 最突出的现象是，有的使用单位（甚至是院所）自机器买回来，不管是什么

22、物料，什么配 方，完成什么混合作业，都用一种螺杆（机筒）组合，从来没有（或很少）拆过螺杆（机 筒），进行过重新组合。一种螺杆（机筒）组合究竟！这是很不应的，完全违反了这种双 螺杆的设计用意，也不会有好的使用结果。正确的使用应是依据不同的物料和配方，以及 要完成的混合工艺目标，选用不同的螺杆（机筒）元件，对螺杆（甚至机筒）进行组合。 当然，这种组合是一种特地的技术和诀窍，是要依据对各种螺杆元件性能以及物料性能的 了解，通过试验一阅历一理论分析结合的方法得出的。有的双螺杆生产厂家，在卖给使用 单位时曾供应过12种螺杆组合，但更多的螺杆组合要靠用户自己的试验和阅历来进行。双螺杆挤出机买来了，象买来计

23、算机，那只是硬件，而螺杆组合象计算机软件，没有 软件，计算机再好，双螺杆再好，也没有用！这里呼吁：用好同向双螺杆挤出机，那就进 行螺杆（机筒）组合吧！不要一种组合究竟！3 .啮合异向旋转双螺杆挤出机这种双螺杆挤出机又分平行的和锥型的两种，目前国内使用的这两种型式的异向双螺 杆挤出机，主要用于RPVC制品的挤出和造粒。（A ）用于RPVC制品挤出的啮合异向平行双螺杆挤出机其工作机理和啮合同向双螺杆挤出机不同。对于在两螺杆啮合区纵横向皆封闭的异向 双螺杆挤出机，它是靠正位移输送物料的。螺杆是整体式，各区段一般由螺纹组成，螺槽 较深，长径比L/D要比啮合同向双螺杆挤出机短的多，L/D=20-25 ,

24、螺杆转数低，大约几 十转/分，它的分布混合力量较差，但在两螺杆的压延间隙中有拉伸流淌和剪切流淌，故有 较好的分散混合力量。但将这种双螺杆挤出机用作专用混炼机，因其转数低，其混合力量 还是有限的。锥型双螺杆挤出机的性能和用途与啮合异向平行双螺杆挤出机相同，其混合力量也有 限，主要用于RPVC制品的挤出。(B)用于配混料的啮合异向平行双螺杆挤出机不同于用于RPVC制品挤出的啮合异向平行双螺杆挤出机，它的螺杆构型中组合了很 多特别规螺纹元件(螺棱窄，螺槽宽，在啮合区纵横向皆开放)，特殊的混合元件及剪切元 件。螺杆长径比大(L/D=30-40 ),螺杆转数高达几百转/分，设有排气区，可以有几个加 料口。这种双螺杆挤出机的混合效果可与啮合同向双螺杆挤出机媲美，其分散混合性能甚至 优于啮合同向双螺杆挤出机，但目前国内还未见有这种啮合异向双螺杆开发出来进入市场。4 .非啮合双螺杆挤出机这是另一类双螺杆挤出机，它与啮合型双螺杆挤出机不同，两螺杆外径相切，不啮合, 作异向向内旋转。在两个机筒孔之间有通道，因而两螺杆之间有物料交换，其长径比大， L/D可达100螺杆转数高，可达几百转/分。这种双螺杆挤出机的分布混合性能好，但因无 窄间隙的高剪切区，分散混合力量较差。其建压力量也较低，可用于混料造粒，如想建压, 则两根螺杆不一样长，长出的那段螺杆如同单螺杆，可以建力较高压力。