何和智
(华南理工大学聚合物成型加工工程教育部重点实验室，广东广州510640)

摘 要:分析聚合物动态三螺杆挤出机的结构原理和技术特性，阐述聚合物动态三螺杆挤出机制品的优异性能，表明了该技术的科学性与先进性。
关键词:动态; 三螺杆; 挤出机, 应用

1、前言
    三螺杆挤出机除具有双螺杆挤出机的塑化能力强、混合好及有较好的自洁性能等优点外,与双螺杆相比,螺杆每旋转一周都会增加物料混炼、均化、揉捏和剪切的次数,设备的混炼、熔融和分散混合的能力更强,因而尤其利于多相多体系物料的共混改性和连续挤出成型。三螺杆挤出机螺杆在机筒中的排列有一字排列、V 字排列和正三角形排列三种。螺杆的啮合区增多,碾压剪切面积成倍增加。螺杆在运转中可对物料构成高效的挤压、破碎、揉捏、压延和拉伸作用。正是这种高效的捏炼作用,使三螺杆无需单螺杆或双螺杆的大直径或大长径比,就可获得与大直径或大长径比的单、双螺杆挤出机同等品质同等产量的生产效能。因而三螺杆挤出机具有高效的混合特性、结构的紧凑性和良好的经济性。三螺杆挤出机作为挤出机领域的又一黑马,已在高聚物的共混改性、高亮度涂料的制备以及制作21世纪新的方便食品等方面暂露头角[1]。

2、聚合物动态三螺杆挤出的开发研究
2．1平行同向双螺杆挤出机的局限性
    平行同向双螺杆挤出机是在单螺杆挤出机的基础上发展起来的，具有混炼、反应、二次加料、脱挥发物、连续性生产等优点，然而其不可避免地存在加工装配要求高、挤出制品质量提高困难等缺陷。为了从根本上解决这些问题，可利用聚合物动态挤出成型技术[2]，将振动力场引入聚合物挤出全过程，在设备结构上采用轴向协振器强化混合、反应、排气新结构。目前成功研制的聚合物动态三螺杆挤出机，具有产量高，噪声小，热历程缩短，减少物料因多次加工引起的性能下降，降低能耗，提高制品质量等的功能。
2．2聚合物动态三螺杆挤出机的结构原理
    图2.1为目前已形成系列的聚合物动态三螺杆挤出机结构示意图。从图中可以看出三螺杆呈一字排列，大小相等，中间螺杆的动力传递轴穿过副螺杆动力分配器和减速箱的输出空心轴并通过与减速箱的输出空心轴后端连接在一起转动的直线滚动花键使其作旋转运动的同时可以作轴向脉动。专门设计的激振器对中央主螺杆的动力传递轴进行激振，实现了振动的振幅和频率作为两个独立的工艺参数分别进行调整和控制。减速箱的输出空心轴的前端驱动动力分配器。动力分配器再驱动另外的两个副螺杆[3]。

    周期性的振动对高分子链及链段可产生周期性、多方向瞬时负压冲量与扩散，使熔体的粘性与弹性降低，输送时熔体流动阻力相应减少，挤出压力减小，挤出胀大量减少。又由于物料在振动状态下相界面更新频率显著增加，相间的传质与传热大大加强，从而使塑化混炼挤出过程所需要的能量减少，在机内的停留时间缩短，因而挤出温度降低。此外，在振动力场的作用下，三条螺杆的啮合状态使物料的停留时间分布均匀，分子被高度取向，达到自增强，因此挤出制品质量明显提高[4]。
3、聚合物动态三螺杆挤出机的应用
    聚合物动态三螺杆挤出机已成功应用于生产改性塑料，如PA6增韧PP、碳酸钙填充改性PP，以及用于加工EPDM/PP热塑性弹性体动态全硫化胶。下面是聚合物动态三螺杆挤出机加工PA6增韧PP、EPDM/PP热塑性弹性体动态全硫化胶试验结果，其目的是通过这些制品（PP/PA6改性塑料、EPDM/PP动态硫化胶）的性能反映出新设备的加工特性。
3.1制品的性能比较
    以PP/PA6改性塑料为对象，对聚合物动态三螺杆挤出机与传统双螺杆挤出机的制品进行比较分析.


    由表1可知，与B号样相比，A号样的物理机械性能中的断裂伸长率较大、弯曲模量及热变形温度较高，这表明聚合物动态三螺杆挤出机挤出的共混物机械性能较好。熔融指数测试结果表明，动态挤出的PP/PA6产品具有较好的后加工性能。
3.2振动力场对制品性能的影响规律
    以聚合物动态三螺杆加工EPDM/PP硫化胶为对象，研究振动力场对制品性能的影响规律。
3.2.1振动频率对EPDM/PP硫化胶力学性能的影响

图3.2可知，随振频增加，共混物的邵尔A型硬度、撕裂强度值也有所增加。

    值得注意的是图3.3，随着振动频率的增加，EPDM/PP硫化胶的100%定伸应力先增加后减小，当频率在12Hz附近时，100%定伸应力达到其最大值。
3.2.2振幅对EPDM/PP硫化胶力学性能的影响


    从图3.4，图3.5可以看出，随着振幅增加，拉伸强度、扯断伸长率、撕裂强度和邵尔A型硬度等一直保持增加的趋势。

    由图3.6可以看出，100％定伸应力的变化趋势跟预想的不同，不是随振幅增加而增加，而是先减小而后增大，当振幅在75μm附近时，100％定伸应力达到最小值。
    因此，聚合物动态三螺杆挤出机通过严格控制振动参数，令振动频率与振幅达到合理的匹配，可使EPDM/PP动态硫化胶具有更好的综合性能。

4 结语
    聚合物动态三螺杆挤出机避免了传统双螺杆挤出成型设备中的许多缺陷，是一种制造容易、成型制品质量可控的新型塑料成型加工设备。它的出现对于扩大塑料加工设备的种类，提高塑料加工设备的水平具有重要的作用。

参考文献:
[1] M.D.Ellul,Rubber.Compos.Process.Appl.1997,26(3):137
[2] 何和智,“九五”国家重点科技攻关项目材料
[3] 何和智,动态三螺杆挤出机研制报告
[4] 瞿金平.《聚合物动态塑化成型加工理论与技术》,2005

The New Technology of Dynamic Tri-screw Extruder and Its Application
He He-zhi
（National Eng. Research Center of Novel Equipment for Polymer Processing, South China University of Technology,Guangzhou 510640,China）

Abstract:An advanced technique in science was proved by analyzing the configuration principle and technique characteristic of dynamic tri-screw extruder and explaining the excellent performance of its produce.
Keywords: Dynamic ; Triple screw ; Extruder, Application

 

论文来源:2005年塑料加工年会