高自由容积双螺杆挤出机在粉末涂料领域的优势

作者:科倍隆  Thorsten Stirner 文章来源:PT塑料网 点击数:0 发布时间:2018-07-01
在粉末涂料生产领域,高自由容积双螺杆挤出机可以应用于很多的配方,并实现低成本的生产,从而帮助加工商获得较高的收益,而本文就介绍了这样一款设备。
高自由容积双螺杆挤出机在粉末涂料领域的优势

随着市场对粉末涂料质量要求的提高,以及财务压力的上升,粉末涂料加工商们对设备的产能提出了更高的要求。

但是,目前已被广泛使用的同向双螺杆挤出机在产量方面却到达了瓶颈。一方面是由于低体积密度原料喂料的限制,另一方面是由于螺杆在高速运转时,会产生较大的剪切,进而破坏颜料。因为喂料限制,物料在螺杆中的填充率较低,这就意味着传统的双螺杆挤出机的能力没有得到彻底利用。

为了同时满足对物料的温和处理以及更高产能的需求,科倍隆开发了有更高自由容积的ZSK MEGAvolume PLUS双螺杆挤出机(以下简称“ZSK Mv PLUS”)并于2001年成功推向市场。这款挤出机同样有一对相互啮合、可自清洁的螺杆,以及可模块化设计的工艺段。所以它完全适用于各种各样的体积受限的工艺。此外,针对粉末涂料的生产,科倍隆重还新设计了可实现高效冷却的喂料机筒,可有效防止一些助剂在喂料口熔融,导致输送效率下降。

工艺参数

ZSK Mv PLUS挤出机的特征是拥有更大的螺槽深度(h),以及由此实现的更大的螺杆自由容积。与科倍隆的ZSK MEGAcompound PLUS双螺杆挤出机(以下简称“ZSK Mc PLUS”)相比,ZSK Mv PLUS挤出机有着同样的中心距a,但自由容积提高了近40%。这是因为ZSK Mv PLUS螺杆有较大的外径(Do)和较小的内径(Di),而外径与内径之比Do/Di通常可用于表征螺杆的自由容积。ZSK Mv PLUS挤出机的这一数值为1.8。同时,更深的螺槽意味着更低的平均剪切率,这个数值是由螺杆转速和螺槽深度决定的(如图1所示)。

图1 在中心距a相同的情况下,ZSK Mv PLUS的自由体积比ZSK Mc PLUS大40%。此示意图说明了原因
图1 低自由容积挤出机(ZSK MEGAcompound PLUS)和高自由容积挤出机(ZSK MEGAvolume PLUS)的比较

然而,通过图1可发现,较小的内径需使用较细的芯轴,导致其转矩Md下降。因为中心距a=½ (Do + Di)也包含了决定自由容积的因子Do和Di,比转矩Md/a3 (单位为Nm/cm3)同样也是决定主电动机功率的一个重要参数。

使用双螺杆挤出机生产粉末涂料通常是一个体积受限的工艺。所以,很好的吃料能力和较低的转矩比较重要。但是,为了获得最广泛的操作窗口,还是要将螺杆自由容积和可使用的驱动(或比转矩)相结合,并达到平衡点,具体的参考是螺槽深度对应的Do/Di之比(如图2所示),这个也很重要。

图2 为了获得最广泛的操作窗口,还是要将螺杆自由容积和可使用的驱动(或比转矩)相结合,并达到平衡点。图中显示了外径与内径之比对自由容积和比转矩的影响
图2 外径与内径之比对自由容积和比转矩的影响

由于以上所述原因,比能耗(SEI)可用来表征说明。它代表了熔融、分散、均化和挤出所需的机械能。通过在科倍隆实验室中进行的很多测试证明,使用较高填充度的螺杆时,生产粉末涂料所需的SEI在0.06~0.10kWh/kg之间。所以,所需的主电动机功率比ZSK Mv PLUS的最大功率低30%。综上所述,从机械和工艺角度来看,ZSK Mv PLUS由于有着较高的自由容积和足够的驱动,因此是生产粉末涂料的一款经济型机型。

生产粉末涂料的优势

在加工低体积密度原料时,高自由容积双螺杆挤出机能实现可靠的排气,同时拥有更好的吃料能力。这带来了产能的提升,如处理含高流动性粉料预混料的时候。较深的螺槽和较窄的螺杆头部可以实现更低的平均剪切率,因此可使用更高的螺杆转速,获得更高的产能。同时,转速的提升使在啮合区域的流体更快地相互覆盖交换,进而使配方各组分在基体树脂中更好地分散均化。

另外,与低自由容积双螺杆相比较,在ZSK Mv PLUS挤出机中,更高的螺杆转速不会导致料温的急剧上升。这是因为物料体积越大,平均剪切率反而越小。

自推向市场以来,采用ZSK Mv PLUS挤出机的粉末涂料加工商已经验证了这款设备的性能,并表示,与以前使用的旧款机型相比,ZSK Mv PLUS挤出机有着突出的优势,特别是生产的粉末涂料在颜色精度和强度方面明显更好。

图3表明在加工高活性功能配方时(其含有高流动性组分,通常会严重地限制产能),使用ZSK Mv PLUS挤出机的优势。通过物料温度可推断,物料在ZSK Mv PLUS挤出机中被更柔和地加工。在转速为900r/min时,物料温度只有140°C,而使用ZSK Mc PLUS挤出机时的温度为161°C。另外,产量还提升了100%。表1中还显示了在加工白色高光粉末涂料PE/PT910时,两款机型的产能比较。
图3 采用ZSK 43 Mv PLUS和ZSK 40 Mc PLUS进行加工时的物料温度和产能比较。在转速为900r/min时,ZSK 43 Mv PLUS温度更低,说明能对物料进行更温和的处理

图3 在相同的转速下,ZSK 43 Mv PLUS的产量明显高于ZSK 40 Mc PLUS
图3 采用ZSK 43 Mv PLUS和ZSK 40 Mc PLUS进行加工时的物料温度和产能比较

表1 生产白色高光粉末涂料PE/PT910时,ZSK Mv PLUS和Mc PLUS的产能比较

表1 生产白色高光粉末涂料PE/PT910时,ZSK Mv PLUS和Mc PLUS的产能比较

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