環(huán)狀擠出機(jī)連續(xù)擠出工藝的突出優(yōu)勢(shì)

黃元昌

(全國(guó)橡塑機(jī)械信息中心,北京 100143)

使用環(huán)狀擠出機(jī)連續(xù)制備膠料是生產(chǎn)技術(shù)的最佳選擇，尤其是在生產(chǎn)膠料時(shí)，連續(xù)擠出技術(shù)與采用密煉機(jī)混煉技術(shù)相比，無(wú)論在投資、操作費(fèi)用以及節(jié)約占地面積等方面均有突出的優(yōu)勢(shì)。另外，還提高了產(chǎn)品質(zhì)量，而應(yīng)用這種連續(xù)擠出新技術(shù)還容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)。所以，可使用不同類(lèi)型的擠出機(jī)，特別是采用同向旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出機(jī)開(kāi)發(fā)的連續(xù)加工工藝能生產(chǎn)出滿(mǎn)意的膠料。

1 提高產(chǎn)能

從同向旋轉(zhuǎn)梳密狀雙螺桿擠出機(jī)的優(yōu)點(diǎn)來(lái)看，采用環(huán)狀擠出機(jī)生產(chǎn)膠料還可以增加螺桿數(shù)量（可達(dá)到12根螺桿），并能大大提高產(chǎn)能。所以，如果環(huán)形擠出機(jī)的螺桿直徑與同向旋轉(zhuǎn)螺桿擠出機(jī)的螺桿直徑相同的話，那么，該機(jī)要比采用雙螺桿擠出機(jī)的產(chǎn)能高的多，而且還能獲得較理想的冷卻效果（圖1）。此外，混煉與分散效應(yīng)也可以獲得明顯的改善，并且單位能耗也可大大減少。特別是采用較大的螺桿直徑可以更進(jìn)一步增加產(chǎn)能。

環(huán)狀擠出機(jī)采用連續(xù)操作工藝為橡膠行業(yè)提供了增加產(chǎn)能的可能性。一個(gè)時(shí)期以來(lái)，螺桿直徑為70 mm的第一批環(huán)狀擠出機(jī)已在橡膠行業(yè)中獲得了成功的應(yīng)用。并且不僅取代了密煉機(jī)，而且還替代了密煉機(jī)下輔機(jī)——下片機(jī)?？紤]到產(chǎn)能與配方的關(guān)系，一般環(huán)狀擠出機(jī)的產(chǎn)量為1 200～3 000 kg/h為適宜。如果使用后開(kāi)發(fā)的環(huán)狀擠出機(jī)的結(jié)構(gòu)規(guī)格，那么，則可以進(jìn)一步提高產(chǎn)量，并擴(kuò)大使用范圍，用途如下：①膠板、橡膠軌道、地板橡膠墊；②密封圈、軟管、折疊式膠囊、橡膠型材；③輪胎；④橡膠減震器；⑤伸縮縫帶及橋梁和高層建筑的構(gòu)件；⑥以橡膠為基的膠黏劑；⑦電纜包膠。

2 12根同軸螺桿

本環(huán)狀擠出機(jī)包括呈環(huán)狀排列布置的12根同軸螺桿。而所有臨近的軸中心點(diǎn)表示出相同的軸間距并相互呈梳密狀咬緊。這些螺桿以相同的轉(zhuǎn)速?lài)@一個(gè)中心軸呈固定旋轉(zhuǎn)，至少人們能觀察到兩根相鄰近螺桿是相互獨(dú)立分開(kāi)的。且這些運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與同向旋轉(zhuǎn)梳密狀的雙螺桿是十分相似的。由此可得出結(jié)論是，環(huán)狀擠出機(jī)從原理上講，至少為確保同一質(zhì)量能完成雙螺桿擠出機(jī)全部的功能。

另外，環(huán)狀擠出機(jī)螺桿設(shè)有疏密狀“自行清潔”的斷面形狀，所有的變化如同螺桿擠出機(jī)擁有的那樣。特別是環(huán)狀擠出機(jī)筒的組合結(jié)構(gòu)形式及螺桿幾何形狀都可確保最大的適應(yīng)性。對(duì)于每根螺桿來(lái)說(shuō)，兩根相鄰近的螺桿是相互嚙合的。螺桿每轉(zhuǎn)一圈會(huì)使螺桿表面附著物磨掉兩層。這表明，環(huán)狀擠出機(jī)螺桿自行清潔能力要比同向旋轉(zhuǎn)雙螺桿強(qiáng)得多。由此可見(jiàn)，擠出機(jī)內(nèi)的物料能在很短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行加工。尤其是在化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中具有重要意義。再者，在更換物料和操作點(diǎn)時(shí)，螺桿自行清潔導(dǎo)致很短的過(guò)渡時(shí)間。還有，在每次自行清潔過(guò)程中，便形成新的塑化表面，并由此形成較高的新的堆積表面率，為此，進(jìn)行有效的排氣十分重要。

圖1 環(huán)狀擠出機(jī)的螺桿冷卻

鑒于環(huán)狀擠出機(jī)的螺桿呈環(huán)形排列方式，則構(gòu)成了兩個(gè)加工腔室，即外部與內(nèi)部加工腔室。外部加工腔室位于擠出機(jī)殼體與螺桿之間，而內(nèi)部加工腔室位于螺桿與固定位置芯子之間。當(dāng)外部加工腔室內(nèi)的物料從一螺桿呈順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)到鄰近螺桿并同時(shí)被輸送到出口時(shí)，則內(nèi)部加工腔室內(nèi)的物料與順時(shí)針呈相對(duì)立方向運(yùn)行，在此，物料在圓周方向呈反方向輸送。這些情況為強(qiáng)烈的橫向與縱向混合創(chuàng)造了良好的條件。也只有在兩個(gè)加工腔室之間進(jìn)行物料交換才能實(shí)現(xiàn)滿(mǎn)意的加工。另外，可將混煉元件的整個(gè)頻譜供給使用（圖 2）。

圖2 擠出機(jī)的加工腔室和螺桿束（包括12根同向旋轉(zhuǎn)疏密狀螺桿,對(duì)擠出機(jī)襯套和固定芯子要進(jìn)行強(qiáng)烈冷卻）

3 采用低能混煉可節(jié)能費(fèi)用

使用環(huán)狀擠出機(jī)生產(chǎn)膠料，則應(yīng)用的機(jī)械能量最少，且進(jìn)行塑化分散效應(yīng)最理想。對(duì)于膠料來(lái)說(shuō)，通常表現(xiàn)出高填充劑用量（特別是炭黑和硅酸鹽）及液體成分呈精細(xì)的分布和分散。由于擠出機(jī)螺桿的12個(gè)嚙合區(qū)受到了限制，則環(huán)狀擠出機(jī)在楔內(nèi)擴(kuò)展較高的膨脹流組分（圖3），而這些組分能夠被有效且節(jié)省能源用于起分散效應(yīng)作用，重要的是，關(guān)注分散效應(yīng)與流動(dòng)形式的關(guān)系。

4 膠料的均勻分配

使用環(huán)狀擠出機(jī)生產(chǎn)的膠料用于制口有很多優(yōu)點(diǎn)，這些橡膠制品是通過(guò)微波輻射進(jìn)行了交聯(lián)。應(yīng)用這種微波硫化方法，極性分子能吸收輻射能量并能對(duì)膠料進(jìn)行加熱。相反，非極材料即使利用超高頻也不能進(jìn)行加熱。的確，對(duì)較弱的極性或非極性橡膠通過(guò)混合極性混合物或填充劑，特別是通過(guò)活性炭來(lái)增強(qiáng)吸收能力。環(huán)狀擠出機(jī)的分散效應(yīng)好并會(huì)使所應(yīng)用的較小粒子填充劑避免顆粒相互聚集。這樣，即使在對(duì)不同強(qiáng)度極性的不協(xié)調(diào)的橡膠種類(lèi)進(jìn)行混煉時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生均勻的分配。這使得極性膠料組分分配均勻并且使產(chǎn)品通過(guò)輻射也能均勻地吸收。這是為在使用超高頻交聯(lián)時(shí)阻止局部過(guò)熱，對(duì)此，能夠明顯提高磁控管的陽(yáng)極電壓，這加速了交聯(lián)過(guò)程并明顯提高了產(chǎn)能。

圖3 環(huán)狀擠出機(jī)內(nèi)的膨脹流動(dòng)成分

5 熱交換面大的優(yōu)點(diǎn)

控制好物料的溫度，是在膠料制備中重要的一環(huán)，以避免膠料降解或產(chǎn)生不期望的早期硫化。環(huán)狀擠出機(jī)的一大優(yōu)點(diǎn)是，將較大的熱交換面供給使用，而擠出機(jī)的機(jī)身及螺桿的最佳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能有效地對(duì)操作部件進(jìn)行冷卻。此外，對(duì)于大型環(huán)狀擠出機(jī)來(lái)說(shuō)，也存在著對(duì)螺桿直徑冷卻的可能性。而冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分為開(kāi)式或閉式系統(tǒng)（熱管道或熱虹吸管）兩種。這樣可充分利用12根螺桿的表面對(duì)物料溫度進(jìn)行控制。除了使物料溫度下降之外，螺桿同時(shí)冷卻也會(huì)對(duì)擠出機(jī)出口處的制品進(jìn)行均勻的溫度分配帶來(lái)極大的好處（圖4）。如果使用了不同結(jié)構(gòu)形式的擠出機(jī)，難免在螺桿頂尖的范圍內(nèi)會(huì)出現(xiàn)局部物料溫度升高。鑒于環(huán)狀擠出機(jī)的螺桿直徑較小且圓周速度又較低，故該機(jī)比雙螺桿擠出機(jī)升溫慢，特別是通過(guò)使用冷卻的螺桿，則溫度值會(huì)大大下降。

圖4 使用環(huán)狀擠出機(jī)及雙螺桿擠出機(jī)時(shí)在出口截面上的定性物料溫度變化

6 加工腔室的排氣

環(huán)狀擠出機(jī)與密煉機(jī)系統(tǒng)的另一個(gè)區(qū)別是，在外界壓力下加工腔室的塑煉膠可進(jìn)行排氣或抽真空排氣。由于物料分配到12根螺桿流道內(nèi)，則將小批量且較大的塑煉膠表面供給使用。此外，這些螺桿的12個(gè)嚙合區(qū)段導(dǎo)致物料分層，而在單一膠料組分中，將會(huì)有效地排出水份或其他水蒸汽，以能確保無(wú)氣泡的擠出膠。同樣，還要消除在化學(xué)反應(yīng)中而形成的揮發(fā)物質(zhì)。這在許多應(yīng)用情況下推動(dòng)了反應(yīng)動(dòng)力學(xué)并導(dǎo)致對(duì)產(chǎn)品特性的改善。

7 混煉區(qū)段的匹配

環(huán)狀擠出機(jī)應(yīng)用在彈性體及橡膠范圍內(nèi)進(jìn)行連續(xù)混煉的不同任務(wù)。在所謂的“預(yù)混煉”中，除了添加不同的填充劑和液體之外，有部分還要進(jìn)行反應(yīng)或藕合過(guò)程。在“最終混煉”中，要添加其他的交聯(lián)化學(xué)助劑，以通過(guò)正確的溫度控制，來(lái)阻止早期硫化。但在這種關(guān)系中，將重復(fù)表明，采用環(huán)狀擠出機(jī)時(shí)的物料溫度的表面極限公差要比密煉機(jī)系統(tǒng)高。其理由是，在擠出機(jī)內(nèi)的停留時(shí)間要比密煉機(jī)內(nèi)短好幾倍。此外，以對(duì)比方式說(shuō)明，薄的擠出膠要比來(lái)自密煉機(jī)幾百克堅(jiān)實(shí)的橡膠冷卻快的多。所以，對(duì)于有些配方來(lái)說(shuō)，藕合反應(yīng)和交聯(lián)化學(xué)助劑的混煉可以一步進(jìn)行。若需要的話，則兩臺(tái)環(huán)狀擠出機(jī)也可以用作串聯(lián)系統(tǒng)一個(gè)接一個(gè)連接，這樣某些部件加工將會(huì)經(jīng)過(guò)不同的溫度水平。而物料借助于重力檢測(cè)計(jì)量系統(tǒng)供給擠出機(jī)。同時(shí)，商業(yè)上通用的儀器適用于固體材料和液體。十年來(lái)，一直在為應(yīng)用熱塑性塑料進(jìn)行準(zhǔn)備。并將確保長(zhǎng)時(shí)間保持配方不變而位于最小的公差內(nèi)。

編譯自《KGK》 No.7～8/2012