同向旋轉(zhuǎn)嚙合雙螺桿擠出機(jī) (TSE) 特別適用于加工彩色顏料母料，具有在高吞吐率下分散、提高顏料負(fù)載水平、螺桿和機(jī)筒部件使用壽命長(zhǎng)以及機(jī)器操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。
但不可忽視的是，色母粒的加工有其自身的一系列挑戰(zhàn)，例如原材料的處理、顏料的分散以及顏色變化之間的清潔度。本文將探討可用于生產(chǎn)高質(zhì)量色母粒的雙螺桿擠出機(jī)工具，提高產(chǎn)量和產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)克服加工挑戰(zhàn)的技術(shù)。
TSE 可以被視為一個(gè)“工具箱”，為操作員或工藝工程師提供高度靈活的各種部件，這些部件可以修改和/或移動(dòng)以適應(yīng)特定的共混任務(wù)。生產(chǎn)高質(zhì)量的顏料分散體已在 TSE 上得到廣泛證明，但并非每種顏料的行為和加工方式都相同。顏料的處理方式以及它們?cè)跀D出機(jī)內(nèi)的加工方式對(duì)于產(chǎn)品的性能至關(guān)重要。
另外，TSE，即使被視為一個(gè)設(shè)備整體，也包括獨(dú)立單元操作的維度。要了解如何獲得性能優(yōu)良的產(chǎn)品，須仔細(xì)研究 TSE 的每個(gè)單元操作。
本文將主要關(guān)注母粒共混的分流法，而不是預(yù)混法，盡管這兩種方法都是生產(chǎn)彩色顏料母粒的可接受方法。
上游進(jìn)料
喂料機(jī)可以提供各種雙螺桿和單螺桿配置，具有各種螺桿設(shè)計(jì)以適應(yīng)各種材料。
將喂料器定位在擠出機(jī)上方，對(duì)于較大程度地減少原料的流化和困氣起著非常重要的作用。大量空氣與粉末一起被夾帶(與顆粒相比則不多)，需要一個(gè)可以逸出的地方。如果沒有過(guò)濾網(wǎng)或中央抽吸系統(tǒng)連接到進(jìn)料系統(tǒng)，則從擠壓機(jī)逸出的氣體將阻礙原料的進(jìn)料。
關(guān)于原料困氣，進(jìn)料器在擠出機(jī)上方的高度定位也很重要。一旦原料進(jìn)入進(jìn)料器，粉末就有機(jī)會(huì)壓實(shí)一點(diǎn)，增加其堆積密度。當(dāng)喂料器開始喂料時(shí)，根據(jù)擠壓機(jī)上方的高度，原料會(huì)充氣，這反過(guò)來(lái)會(huì)降低體積密度，導(dǎo)致進(jìn)料量出現(xiàn)問(wèn)題。
根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，通常不應(yīng)超過(guò)15%的顏料粉末進(jìn)入擠出機(jī)的主喂料口，以防止投料出現(xiàn)問(wèn)題。但是，如果已經(jīng)有彩色顏料的顆粒母粒形式可用，則不會(huì)遇到進(jìn)料問(wèn)題。
對(duì)于高于20%甚至高達(dá)80%的彩色顏料粉末負(fù)載，強(qiáng)烈建議通過(guò)主進(jìn)料器和側(cè)進(jìn)料器分開進(jìn)料，其中多個(gè)側(cè)進(jìn)料器可以定位在下游以添加彩色顏料。
熔融
TSE內(nèi)的熔融聚合物受到許多因素的影響，包括外部加熱、內(nèi)部摩擦和/或聚合物熔體的熱傳遞。TSE 設(shè)置有不同的工藝段，包括內(nèi)部過(guò)程的加熱和冷卻，能量在這些區(qū)域被吸收到系統(tǒng)中或從系統(tǒng)中移除。當(dāng)然，隨著擠出機(jī)尺寸的增加，外部加熱的效果會(huì)因表面積與體積比的降低而降低。
另一個(gè)影響是擠出機(jī)內(nèi)部聚合物顆粒或粉末顆粒之間或材料與螺桿元件之間發(fā)生的內(nèi)部摩擦。例如，摩擦和剪切應(yīng)力發(fā)生在捏合塊的狹窄間隙中，這受安裝的螺桿型材類型以及吞吐量和擠出機(jī)螺桿速度的影響。聚合物熔體中的熱傳遞有助于封裝任何未熔化的聚合物，以幫助形成熔體。
分段式螺桿元件提供多種功能，可以在軸上組裝在一起以適應(yīng)單元操作。
捏合和混合區(qū)的設(shè)計(jì)取決于所加工聚合物的類型，但可以包括各種捏合元件。這些可以包括三頭和兩頭的45°(輸送)捏合元件、兩頭90°(中性)捏合元件和/或左旋(保持)捏合或輸送元件。
這些螺桿組合提供了必要的機(jī)械能和停留時(shí)間，以在聚合物向下游移動(dòng)之前有效地熔化和均化聚合物。左旋(保持)元件對(duì) TSE 內(nèi)的熔體加壓，將此部分設(shè)計(jì)為不會(huì)過(guò)度剪切和降解聚合物非常重要。同樣重要的是要注意，一旦材料離開熔化段，它應(yīng)該熔化，以便為下游引入的彩色顏料提供足夠的潤(rùn)濕。
隨著TSE技術(shù)的進(jìn)步，螺桿元件設(shè)計(jì)已經(jīng)有空間偏離在行業(yè)中廣泛使用的經(jīng)典Erdmenger螺桿元件輪廓。這些所謂的“漸開線螺桿元件”的幾何形狀發(fā)生了變化，同時(shí)保持了同向旋轉(zhuǎn)TSE中的自擦拭輪廓。在熔化段和下游混合段中使用漸開線元件減少了標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)中觀察到的填料摻入限制。漸開線元件使用戶能夠?qū)⑻盍匣虿噬伭纤腿隩SE的主進(jìn)料中，同時(shí)降低熔化不充分的風(fēng)險(xiǎn)。
關(guān)于下游混合，漸開線元件的使用也可以減少填料摻入不足的限制。總的來(lái)說(shuō)，漸開線元件是用戶可以用來(lái)克服在混合大量填料或顏料時(shí)遇到的限制的一種工具。
側(cè)喂料
前面提到，根據(jù)配方中彩色顏料的載量，可以將一些彩色顏料添加到TSE的主進(jìn)料中，可達(dá)15%左右，具體取決于其顆粒形狀和大小。
但是當(dāng)考慮到彩色顏料的高負(fù)載量(高達(dá) 80%)時(shí)，TSE的主進(jìn)料器和位于下游的側(cè)進(jìn)料器(有時(shí)是多個(gè)側(cè)進(jìn)料器)之間的材料可能會(huì)“分開進(jìn)料”。分次進(jìn)料的比例取決于物料的種類和裝載量；找到有效的方法是一種平衡行為。
混合/排氣
熔化部分是在TSE上生產(chǎn)彩色顏料分散體的一個(gè)非常重要的工具，下游混合部分也是如此。一旦有色顏料有效地引入TSE并且聚合物熔體對(duì)顆粒進(jìn)行適當(dāng)潤(rùn)濕，下游混合部分的設(shè)計(jì)對(duì)于分布和分散有色顏料至關(guān)重要。前面提到，當(dāng)進(jìn)入下游側(cè)進(jìn)料器時(shí)，空氣確實(shí)會(huì)被顏料粉末夾帶，其中一些空氣通過(guò)側(cè)進(jìn)料器桶本身上的上游通風(fēng)口回流。
然而，大部分夾帶的空氣實(shí)際上進(jìn)入了下游混合部分，如果設(shè)計(jì)不正確，可能會(huì)導(dǎo)致夾帶的空氣向后移動(dòng)并返回到側(cè)進(jìn)料器，從而阻礙材料流動(dòng)。下游混合部分的目的是用熔體潤(rùn)濕顏料，并將夾帶的空氣輸送到下游，在那里可以放置一個(gè)大氣通風(fēng)口讓空氣逸出。
脫揮發(fā)分
現(xiàn)在產(chǎn)品已經(jīng)完成大部分上游單元操作，材料即將離開擠出機(jī)并進(jìn)入下游設(shè)備。有時(shí)會(huì)被忽視的一個(gè)區(qū)域是機(jī)器的脫揮發(fā)分(或脫氣)部分。這是一個(gè)重要的單元操作，因?yàn)楫?dāng)材料經(jīng)歷真空應(yīng)用時(shí)，氣泡和/或揮發(fā)物從聚合物熔體中剝離，提供無(wú)孔且致密的顆粒。
如果顆粒中存在孔隙率，它會(huì)影響成型部件的強(qiáng)度和耐用性。TSE 提供了一種相當(dāng)簡(jiǎn)單的真空應(yīng)用方法，它由一個(gè)開放(或通風(fēng))桶和一個(gè)連接到分離罐(或冷凝器)和真空泵的真空?qǐng)A頂組成。
在某些情況下，無(wú)論應(yīng)用何種真空度或使用何種擠出機(jī)螺桿速度，材料仍會(huì)從真空排氣口逸出，堵塞排氣口并阻止充分的脫揮發(fā)分。在這種情況下，有時(shí)稱為側(cè)脫氣裝置的設(shè)備將用于幫助將材料保留在擠出機(jī)內(nèi)，同時(shí)讓氣體逸出以進(jìn)行適當(dāng)?shù)拿摀]發(fā)分。
加壓和造粒
工程師通常不會(huì)花太多時(shí)間來(lái)考慮TSE的增壓部分的設(shè)計(jì)。該部分中的聚合物流是由于螺桿旋轉(zhuǎn)而朝向螺桿尖的阻力流和遠(yuǎn)離TSE排放口的上游壓力流的組合。請(qǐng)注意真空端口的位置，因?yàn)檫^(guò)多的壓力積累會(huì)導(dǎo)致脫揮發(fā)分問(wèn)題。
通常，色母粒的造粒將涉及線料或水下造粒。接近 80% 的較高著色顏料負(fù)載量可能會(huì)導(dǎo)致線材非常脆，在這種情況下，水下造粒將是更好的選擇，但這需要根據(jù)所使用的顏料類型進(jìn)行判斷。
