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同向啮合双螺杆挤出机(TSE)是复合行业’是将聚合物与添加剂和填料连续混合的最流行的设备(图1)。利用非典型活性成分的外来制剂也可以在这类机器上加工。承受高剪切力和高温的材料会降解。通过策略性地管理如何将剪切力(和能量)传递给正在加工的材料并通过最终的熔体温度进行测量,几乎每种产品都会受益。

在同向双胞胎中管理熔体温度

FIG 1 Twin-screws are powerful 恩 ergy-input devices, with 恩 ergy primarily derived from the 发动机。

必须考虑各种因素来管理和控制熔体温度。在本文中,重点将放在OD / ID比,螺钉中的熔化区域和前端设计上。
 

双螺杆挤出机理论& Design Basics


TSE使用分段螺钉,这些螺钉组装在高扭矩花键轴上 (图2)。 。桶也是模块化的,并利用液体冷却。电机通过旋转螺钉将能量输入到过程中。送料器将物料计量到TSE工艺段中,并将螺钉’rpm是独立的,并设置为优化处理效率。分段螺杆和机筒,结合受控旋转螺杆的抽吸和擦拭特性,可实现 螺杆/机筒的几何形状与工艺任务相匹配。固体的输送和熔化发生在过程部分的第一部分。接下来是用于混合和脱挥发分的螺杆元件。然后,排放元件会建立并稳定对模具或前端设备的压力。

通过策略性地管理如何将剪切力(和能量)传递到正在加工的材料中并通过最终的熔体温度进行测量,几乎每种产品都将从中受益。

处理部分中的自由体积与OD / ID比有关,OD / ID比由外径(OD)除以每个螺杆的内径(ID)定义。较深的螺杆螺纹可产生更多的自由体积和较低的平均剪切速率,但扭矩较小,因为螺杆轴直径较小。

在同向双胞胎中管理熔体温度

FIG 2 具有非对称花键轴设计的同向双螺杆元件。

不对称 花键轴设计可提供最佳的动力传递效率,因此较小的轴径可以传递更高的扭矩。这是通过隔离从轴传递到螺钉的切向力矢量来实现的 马达。的结合 事实证明,较高的扭矩,较低的平均剪切力和较大的OD / ID比对许多过程都有利。

莱斯特里茨 命名法,HP系列的OD / ID比率为1.55 / 1,并使用 对称花键轴设计,MAXX系列采用1.66 / 1 OD / ID比率和不对称花键轴。 OD / ID比率的增加将使自由体积增加约20%,同时扭矩额定值也会更高。
 

实验揭示了什么
 

通过比较1.5 / 1 OD / ID和1.66 / 1生成实验数据 model TSEs (图3)。过程部分可以互换,并与相同的变速箱配对。初始测试使用的是纯树脂,L / D工艺段为40:1,功率为40-hp motor.

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FIG 3 Results of tests where LDPE powder feedstock with 12 MFI was processed on a ZSE-27 HP(直径27毫米. screws, 1.5/1 OD/ID ratio) and a ZSE-27 MAXX (28.3 mm, 1.66/1 OD/ID). 在 each instance, the rate-limiting factor was the volumetric feed capacity. Melt temperatures were lower for the 1.66/1 OD/ID ratio (even at higher throughput rates) due to a lower specific-energy input (kWh) into each kg being processed and the gentler mixing effect associated with deep-flighted 1.66/1 OD/ID screw geometry.

 

 

具有12 MFI的LDPE粉末原料在 ZSE-27 HP(直径27毫米 螺钉,外径/内径比为1.5 / 1)和ZSE-27 MAXX(螺钉28.3毫米,外径/内径为1.66 / 1)。在每种情况下,限速因素是体积进料能力。 OD / ID比率为1.66 / 1,可以在遇到进料限制之前将更多的物料进料到进料口。可以达到的进料速度增加约20%,与增加的OD / ID比所增加的自由体积相当。在较高的螺杆转速(大于800)下,百分比的增加并不明显,因为较高的螺杆尖端速度似乎具有“propeller”这种作用在某种程度上抑制了进食。

The combination of both 事实证明,较高的扭矩,较低的平均剪切力和较大的OD / ID比对许多过程都有利。

对于1.66 / 1 OD / ID比,相应的熔体温度较低(即使在较高的吞吐率下),这是因为加工的每公斤公斤的比能量输入(kWh)较低,并且与深空飞行的1.66相关的混合效果更温和/ 1 OD / ID螺丝几何形状。

在此基础上进行了一系列其他实验 ZSE-27 MAXX(1.66 OD / ID),用于比较使用2 MFI PP颗粒树脂的不同熔融区螺杆配置(图4)的最终熔融温度。一个“aggressive”比较了在桶位置3(12 L / D)处完成熔化的熔化区与 an “extended”熔化区,在桶位置4(16 L / D)完成熔化。熔化后使用单个捏合块组,以尝试分离和比较不同的熔化区配置 以及最终的熔体温度。使用低压卸料模将压力对熔体温度的影响降至最低。实验中使用了冲洗和浸入式熔体温度探头。以各种速率和螺杆转速进行测试。

在同向双胞胎中管理熔体温度

FIG 4 Experimental data was collected on a ZSE 27 MAXX twin-screw extruder. (28.3 mm screws, 1.66/1 OD/ID ratio). A 2 MFI PE pellet resin was processed, the temperature profile was optimized, and various screw speeds were tested. 在 each instance, the melt temperature with the 好斗的 design was much higher 比与 the 扩展的 melt-zone design.

The 好斗的 melting-zone design utilizes neutral/wide disk kneading-block elements and a reverse element to achieve full melting of the polymer by barrel zone 3. The goal of the 好斗的 melt zone might be to specify a shorter L/D, or to free up space in latter parts of the process for additional unit operations, i.e. injection, mixing or devolatiliation.

在 comparison, the 扩展的 screw design utilizes narrow disk kneading-block elements with less intensive shear-stress input into the polymer, which results in more gradual melting of the polymer. The goal of the 扩展的 melt zone is to reduce the melt temperature and shear-stress exposure for the materials being processed. After melting, a single kneading-block section was integrated into the screw design to minimize temperature rise inherent in mixing.

优化温度曲线并测试各种螺杆转速。随附的熔体温度曲线图中的数据为 使用手持式浸入式探头获得。

在 each instance, the melt temperature with the 好斗的 design was much higher (10° to 30° C) 比与 the 扩展的 melting-zone design (Fig. 5). It is worth noting that the immersion probe measured significantly higher temperatures (sometimes 20° to more than 40°C)比冲洗融化探针。显然,当熔体探针未完全浸入聚合物熔体中时,熔体温度读数会受到金属适配器设定值的影响—低于实际,且不准确。

Higher temperatures inherent with the 好斗的 screw design resulted in significant degradation, as indicated by smoke and discoloration at elevated screw rpm.

The attainable rates were also maximized for both designs by targeting 85% operating torque and increasing the rate until that threshold occurred. The 扩展的 melting-zone design resulted in both higher throughput rates than the 好斗的 screw design and lower melt temperatures. Comparing the two melting zones (aggressive and 扩展的) showed that the 好斗的 melting zone caused a significant temperature rise and lower attainable throughput rates than with the 扩展的 melting zone. Higher temperatures inherent with the 好斗的 screw design also resulted in significant degradation, as indicated by smoke and discoloration at elevated screw rpm.

在同向双胞胎中管理熔体温度

FIG 5 Rates were maximized for both designs by targeting 85% operating torque and increasing the rate until that threshold occurred. The 扩展的 melting-zone design resulted in both higher rates than the 好斗的 screw design and lower melt temperatures. Comparing the two melting zones (aggressive and 扩展的), the 好斗的 zone caused a significant temperature rise and lower attainable rates 比与 the 扩展的 melting zone. The higher temperatures inherent with the 好斗的 screw design also resulted in significant degradation, as indicated by smoke and discoloration at elevated screw rpm.


 影响熔体温度的其他因素


熔融区中的螺杆设计直接影响熔融温度,这一点很重要。该区域中的温度设定值也将影响熔体温度。可能与直觉相反,较高的设定值通常会导致较低的熔体温度。因此,在本研究中,选择了相反的温度曲线(在过程的第一部分中将温度设置为较高),以减少与熔融区相关的熔融温度升高。优化的熔体区是一个好的开始。

除了熔化以外,很明显,还必须将螺杆设计为熔化和混合,而不会产生过多的剪切力。使用较宽的捏合块和反面元件进行混合将导致更多的能量被分配给过程,并进一步提高熔融温度,因此在设计螺杆时必须予以考虑。

经常被忽略的是,TSE出口处产生的压力也会增加熔体温度。前端的限制越大,压力和相应的熔体温度就越高。与前端设计相关的温升可以估算如下:

ΔT(C)=ΔP(巴) ÷ 2

∆ T =温度变化(C)

∆ P =压力变化(1 bar = 14.503 psi)

例如,如果TSE正在处理500 kg / hr 并且模具压力为40 bar(580 psi),则相关的熔体温度升高可以为20° C (∆T = 40÷2).

该公式旨在提供洞察力,甚至不一定准确,如螺丝钉 rpm,排出螺杆元件的几何形状,温度设定点和配方粘度都是最终熔体温度的因素。关键是,在同向旋转双螺杆挤出机中管理熔体温度时必须考虑前端设计。

同旋转 TSE,螺钉设计,前端配置,温度设置和操作条件均会影响配方“experiences”在TSE过程部分中,并直接影响最终零件的属性。控制熔融温度并最大程度地降低降解是制造高质量零件的关键,必须进行管理以实现任何聚合物工艺的优化。

关于作者 查理·马丁 是新泽西州萨默维尔Leistritz的总裁兼总经理,该公司是用于复合,脱挥发分,直接挤出,制药和其他应用的双螺杆挤出设备的领先供应商。马丁从事挤出行业已有30余年 这些年来,他是SPE挤出事业部的成员和前主席,并且在各种技术会议上就全球范围内的各种挤出主题发表了数十篇论文。联系方式:(908)685-2333; cmartin@leistritz-extrusion.com; extruders.leistritz.com。

布莱恩·海特 是Leistritz的助理实验室经理,负责挤出机的操作,过程支持和培训。他毕业于新泽西理工学院,并获得学士学位。’化学工程学士学位和硕士学位’制药工程学士学位。联系方式:bhaight@leistritz-extrusion.com。

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