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雙螺桿擠出機80年來(lái)都改變了什么？

2018年03月07日

整整80年前，塑界發(fā)生了一件大事——真正能夠制造出聚合物加工用的雙螺桿擠出機，誕生了!

80年過(guò)去了，雙螺桿擠出機已經(jīng)得到了廣泛應用，許多行業(yè)都能看見(jiàn)它的身影。例如：高分子合金共混、PVC管材、食品行業(yè)、制藥行業(yè)等。接下來(lái)，我們談?wù)勲p螺桿擠出機的發(fā)展歷程。

從單到雙，應用范圍大大提升

早在19世紀中葉，擠出機就已經(jīng)在工業(yè)生產(chǎn)中普遍應用了。但那時(shí)候的擠出機都屬于單螺桿擠出機，主要應用在瓷器黏土、橡膠、食品工業(yè)三大領(lǐng)域。

人們發(fā)現，單螺桿擠出機輸送物料的效率受介質(zhì)本身的流變性能影響很大，并且，螺槽根部的物料滯留嚴重，所以發(fā)明家們一直在尋找可以解決上述問(wèn)題的方案。

 

土爆了對不對?然而，他就是世界上第一個(gè)提出真正意義上的雙螺桿擠出機的人。雙螺桿擠出機的發(fā)明，將擠出機在工業(yè)生產(chǎn)中的應用大大提升了。當然，改進(jìn)仍在繼續。

歷史轉折，雙螺桿擠出機取代液壓機

80年前，也就是1938年，意大利LMP公司創(chuàng )始人Roberto Colombo首次真正制造出聚合物加工用的雙螺桿擠出機，并且用來(lái)制造PVC管材。

這是一個(gè)歷史性時(shí)刻!因為此前，PVC管材都由液壓機壓制成型的。從那一刻開(kāi)始，液壓機開(kāi)始被雙螺桿擠出機取代。而這，還只是雙螺桿擠出機的初嘗試。

 

Colombo Roberto在美國申請的一系列專(zhuān)利中的一篇——screw press for mixing and extruding plastic materials(1951)

由上圖可見(jiàn)，Colombo的螺桿全部由輸送元件組成，這是因為他的設計初衷是擠出成型，所以并沒(méi)有考慮混合效率的問(wèn)題。

1939年，Colombo對雙螺桿擠出機進(jìn)行改進(jìn)，最大直徑做到109mm。同年，他獲得了第一個(gè)客戶(hù)——德國IG法本公司。雙螺桿擠出機開(kāi)始得到市場(chǎng)認可。

不過(guò)，此時(shí)雙螺桿擠出機的制造與應用還沒(méi)有達到科學(xué)性的高度，可以說(shuō)應用遠遠領(lǐng)先于理論。

繼續改進(jìn)，克服又一個(gè)難題

直到1940年代，一支由數學(xué)家、物理學(xué)家、工程師和一批機械專(zhuān)家組成的隊伍，在德國薩克森-安哈爾特州的IG工廠(chǎng)，開(kāi)始了系統性研究這類(lèi)嚙合同向雙螺桿擠出機。其中就有大名鼎鼎的W. Meskat，A. Geberg和Rudolf Erdmenger。(不會(huì )念這些名字?沒(méi)關(guān)系，看個(gè)意思就行)

他們的任務(wù)是，開(kāi)發(fā)出一臺可以用來(lái)處理高粘度體系混合問(wèn)題的化工設備。

大家知道，單螺桿擠出機最大的缺陷在于其輸送能力與輸送介質(zhì)流變特性非常相關(guān)，為了克服這一難題，他們再次把注意力放在了同向嚙合雙螺桿擠出機。

技術(shù)突破，聚合物共混擠出機首次量產(chǎn)

1950年代，有了數年的研究積累，W. Meskat和R. Erdmenger等人把雙螺桿擠出機的一些關(guān)鍵性參數進(jìn)行定義并整理，使擠出機的理論研究走向規范化。下為數篇專(zhuān)利中的一篇，可以看出，當時(shí)的擠出機已經(jīng)以單頭元件為主，專(zhuān)利中還公開(kāi)了嚙合元件的應用。

 

1957年，獲得生產(chǎn)許可的WP公司推出了第一臺共混用的雙螺桿擠出機ZSK系列。ZSK即為德語(yǔ)Zweiwellige Knetscheiben-Schneckenpresse的縮寫(xiě)，意為“雙軸嚙合盤(pán)型擠出機”，同時(shí)也推出了可以進(jìn)行自由模塊組合的擠出機。該擠出機很快進(jìn)行了量產(chǎn)。

 

 

第一臺用于聚合物共混的雙螺桿擠出機(1950年代)

超越限制，不斷提高產(chǎn)量

WP公司推出的ZSK機型相比于同時(shí)期的單螺桿擠出機在產(chǎn)量并沒(méi)有很大優(yōu)勢，這主要是受制于齒輪箱設計加工技術(shù)，更準確地說(shuō)，是軸向止推軸承的限制。

因為雙螺桿一旦確定中心距以后，需要軸承在有限的尺寸下提供足夠大的推力。同時(shí)需要把電機的扭矩均勻地分配給兩根螺桿。這在結構設計、材料選擇與熱處理、加工制造上都很困難。

 

歷代ZSK機型比扭矩發(fā)展-科倍隆

另一個(gè)限制產(chǎn)量的主要因素是比扭矩。比扭矩意味著(zhù)在單位空間體積上，擠出機可以提供的扭矩極限，該參數的大小往往決定著(zhù)擠出機的產(chǎn)量性能：比扭矩越高，代表相同螺桿直徑下的產(chǎn)量越高。

其實(shí)，比扭矩并非越高越好，因為擠出機工藝是個(gè)復雜的系統，高比扭矩意味著(zhù)更高的產(chǎn)能，代表著(zhù)更低的單位機械能，而產(chǎn)品最終的熔溫相較于低比扭設備會(huì )有所降低，但是這對于混合質(zhì)量、脫揮效率等也帶來(lái)了不利因素。因此，如何平衡這些參數是使用者必須考慮的。

從1960年代起，在聚合物加工領(lǐng)域逐漸普及后，伴隨著(zhù)市場(chǎng)需求，擠出機的各項參數指標也在不斷進(jìn)步。人們意識到，想要做出更好的產(chǎn)品，需要在一定的混合質(zhì)量的要求下，盡量縮短停留時(shí)間，降低熔體溫度，提高產(chǎn)量。

 

65mm機型產(chǎn)量的更新

由圖可以看到，以65mm機型為例，從1980s到2000s，將近20年時(shí)間里產(chǎn)量提升了近10倍。比扭矩從ZSK第一代的4Nm/d3已發(fā)展到18+ Nm/d3，大小徑比從1.22提高到1.80，物料的平均停留時(shí)間也由數十分鐘降低到了僅僅數十秒。

從1938年首次加工PVC，至今已過(guò)了80年，目前，在高分子共混改性行業(yè)，雙螺桿擠出機已成為最具代表性的加工設備。通過(guò)雙螺桿擠出機的發(fā)展歷史，我們可以看出，只要使用者不斷提出需求，雙螺桿擠出機的發(fā)展就不會(huì )止步。