生物基材料双螺杆挤出

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高速能量输入挤出机已经在各种应用场合使用了几十年。包括食品、药品，反应性挤出和塑料复合，它们组成了最大的应用领域。最近的一个趋势是，使用HSEI挤出机来生产源自或利用生物基可再生材料来制备的产品。虽然该工艺与传统的聚合物的制备大体相同，但在处理热敏型和剪切敏感型生物基聚合物的时候存在微妙的差别。
双螺杆挤出机在对材料进行加工时，是在筒内使用螺杆来完成传送、混合和泵送的。筒的模块化，便于沿着筒长对个别单体操作进行分段运输。料筒采用电子加热及液体冷却方式，并充当独立的温度控制区。各分段原件被组合在大扭矩轴上，以根据工艺要求对螺杆进行优化配置。典型的可用于反应性挤出和/或多段脱除挥发溶剂作用的长度直径比（L/D），范围为32到48:1，最高为60 L/D（或更长）。电能通过传动系统（电机-变速箱）转换为机械能，然后通过旋转的螺杆对材料进行剪切。
模块化筒和分段的螺杆，具备可控的擦拭及泵送特性，使人们可以调节螺杆和料筒的几何构型以匹配工艺任务的要求。固体输送和塑化通常发生在这一制备过程中第一部分。混配、下游供料、液体注入和通风都通常用到，它们的原理是由工艺来决定的。螺杆的结构配置范围从剪切敏感型到剪切被动型都有。
螺杆挤出机是一种缺料-补料的设备；其补料速率是由计量设备来决定的。可以是固体进料器也可以是液体进料器。螺杆输出转速的独立性，使得可以通过调整双螺杆挤出机的剪切强度，来优化混合效率。此外，由于挤出机中压力梯度的控制，并且工艺过程中部分为零，材料可以引入到料筒的下游区段。这是有益的，例如，在高装填的淀粉混合中，所有的供料不可能只在一个地方，或者在同样的供料温度和/或剪切敏感添加剂（比如天然纤维）的情况下，如果在整个料筒长度范围中加工的话，它们是会降低的。
自由容积，是个普通的挤出术语，它是用于加工材料的构型里的可用空间，其直接关系到OD/ID比。OD/ID比通过区分每个螺杆的外径(OD)和内径(ID)来定义。HSEI双螺杆挤出机外径/内径比的行业标准约为1.55（在Leistritz命名法中，它属于HP系列）。在2004年推出的新MaXX系列，采用的是1.66的外径/内径比。这种设计在HP系列相同螺杆中心线及相同（或更高）的扭矩的情况下，具有更深的螺杆螺纹和更大的筒直径。通常情况下，由于自由容积变大，每RPM可以加工更多的物料。
; h( [0 R* F) V# M0 _4 _8 J讨论到HSEI双螺杆挤出机时，扭矩是另一个关键的工艺参数，它直接关系到螺杆轴的直径。螺杆轴直径越大，具备越高的扭矩能力。而更深的螺丝螺槽则提供了更多的自由容积，但却是以牺牲螺杆轴的扭矩能力为代价的，因为小直径轴是必要的。一般认为，使用对称的，锻造的花键轴，其外径/内径比为1.55时，可以达到扭矩和容积的最佳平衡。随着轴的轴截面积的减小，增加自由容积变得可能，但是在加工过程扭矩的传递减小。为了弥补转矩能力的减弱，MaXX系列采用不对称的花键轴（正在申请专利），它能达到与HSEI双螺杆挤出机一样（或更高）的扭矩，单轴的直径更小。该构型可以把能量更高效地传到各螺杆元件上，同时螺纹深度更大，容积也更大。
1 `* Q9 i! y5 I( k9 U2 P, V实验
实验数据主要是使用ZSE-27挤出机来比较HP系列与MaXX系列的双螺杆挤出机。由于HP和Maxx系列的螺杆中心线是一样的，则可以互相交换加工部件。L/D值为40的加工长度以及相似的螺杆设计，被复制以确定缺陷并对比性能。使用高密度聚乙烯（HDPE），低密度聚乙烯（LDPE）和PLA作测试材料，来比较两个不同加工构型的生产能力差异。工艺条件保持不变，使尽可能实现对照。用作分析的工艺数据有速率，熔体温度，扭矩和具体的能源输入。
在ZSE-27挤出机中，HP和MaXX模型的剪切速率描述如下：
剪切速率 =（π*D*n）/(h*60)
2 z4 ~/ ?! ]$ HD = 螺杆直径（HP系列为27，MaXX系列为28.3）
n = 螺杆转速（rpm）
6 D+ b6 S! Z) t# }2 A* u# Fh = 多出的刮板间隙（对HP系列和MaXX系列都为1mm）
在600rpm条件下，剪切速率峰值比较如下：
& K6 p, N) W" Z+ q3 ?( nHP = (π*27*600)/(.1*60) = 8,478s-1
MaXX = (π*28.3*600)/(.1*60) = 8,886s-1
3 G% u4 H; s3 E0 g% f8 N
3 f% }7 \" _& f2 p: p0 k, T图1、 MaXX与HP速率对比结果与讨论
2 F& A0 S: |; o9 e9 m8 i6 a/ W到现在，对低密度聚乙烯（LDPE），高密度聚乙烯（HDPE）和PLA的评估已经完成。
$ s/ d* Z! V1 z7 h将低密度聚乙烯粉末与12MFI送入ZSE-27的HP和MaXX构型中进行加工。对MaXX的设计来说，在达到供料极限之前，可以有更大的自由容积来往螺杆供给更多的原料。在这种情况下，限制速率的主要因素是主供料口的原料供应能力。该工艺不受扭矩的限制。MaXX卸料时测量的熔体温度同样较低。
# F- E4 k4 z8 R! `0 r( z7 H部分熔融的高密度聚乙烯在ZSE- 27的HP和MaXX系列上，采用近乎相同的速率加工，rpm为中低速。所有样本都受到扭矩的限制，而不是供料限制。在转速为1200 RPM的情况下，其生产率能够达到MaXX的高度。HP系列中样品的熔融温度较高，是因为材料表现出对由于更高的平均剪切率导致的剪切加热更加敏感，该更高的平均剪切率是由HP设计中更浅的一段所固有的。
相对于HP系列，PLA在ZSE-27 MaXX上采用稍微更高的剪切率，以及更低的熔融温度来加工。所有样本受到扭矩的限制，而不受供料的限制。PLA样本所得到的结果如图1和图2所示。
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. ^' a" d# d' y' W; Y& I. S图2、MaXX与HP熔融温度对比
% f# `% @* H1 G) [8 W  _4 D9 GMaXX系列的改进设计，针对受供料限制的工艺具有显著改进，同样对对熔融温度敏感的材料也适用。将高扭矩螺杆轴和更深的螺杆槽通道结合，由于改善了供料能力，及较低的比能输入和较低的熔融温度，生产能力得到了提高。最新的改进同样提升了扭矩达30%之多。这种联合特性使得可加工的材料范围更广，其中一些可能在之前根本不能用HSEI挤出机来加工。最初针对的是生物基材料，其中许多是扭矩敏感型，热敏型或者剪切敏感型，以及/或低容重给料。
文章关键词： 材料、螺杆