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同向旋转啮合双螺杆挤出机(TSE)特别适用于处理彩色颜料母粒,具有以下优点:在高通量率下具有优异的分散性、高颜料装载水平、螺杆和筒体零件的使用寿命长以及简单的机器操作。

也就是说,色母粒的加工有其自身的一系列挑战,例如原料的处理、颜料的分散以及颜色变化之间的清洁度。本文将探讨可用于生产高质量色母粒的工具,以及在最大限度提高吞吐量和产品质量的同时克服加工挑战的技术。

TSE可被视为一个“工具箱”,为操作员或工艺工程师提供高度灵活的各种零件,这些零件可以修改和/或移动,以适应特定的混合任务。生产高质量的颜料分散体已在TSEs上得到广泛证明,但并非每种颜料的行为和加工方式都相同。颜料的处理方式以及它们在TSE内的处理方式对最终产品的性能至关重要。

首先,tse,即使被认为是一个设备,也包括一个独立单元操作的维度。为了理解如何完成最佳表现的最终产品,更仔细地观察TSE的每个单元操作是至关重要的。

本文将主要集中在分料法的母粒复合而不是预混法,尽管这两种方法都是可接受的生产色素母粒的方法。

单元操作:上游进料

首先也是最重要的是,了解原材料原料很重要。进料机的选择,如双螺杆进料机、单螺杆进料机等,取决于进料的性能。一旦为每种原材料选择了合适的喂料器,将这种材料引入TSE的喂料可能是下一个挑战。根据原料的不同,物料在实际进入机器之前可能会发生流态化和曝气。
提高色浆色散质量

进料器可以提供各种双螺杆和单螺杆配置,具有各种螺杆设计,以适应各种材料。

给料器的位置在TSE上方起着非常重要的作用,以减少给料的流态化和曝气。大量的空气和粉末一起(不是太多的颗粒),需要一个地方逃逸。如果没有滤筒或与进料系统连接的中央抽气系统,则挤出机的气体逸出会阻碍进料。

作为一个经验法则,通常不超过15%的颜料粉末应该进入TSE的主要饲料。

关于进料曝气,喂料器高度在挤出机上方的位置也至关重要。一旦进料进入加料器,粉末有机会稍微压实,从而增加其体积密度。当喂料机开始喂料时,根据挤出机上方的高度,喂料将充气,这反过来会降低堆积密度,导致进料出现问题。

根据经验,通常不应超过15%的彩色颜料粉末进入TSE的主饲料,以防止饲料摄入问题。然而,若已经有颗粒母粒形式的彩色颜料可用,则不会遇到饲料摄入问题。

对于颜色颜料粉末装载量高于20%且任何地方高达80%的情况,强烈建议在主进料机和侧进料机之间分开进料,其中多个侧进料机可位于下游以添加颜色颜料。

单元操作:熔化

TSE内的熔融聚合物受到许多因素的影响,包括外部加热、内部摩擦和/或聚合物熔体的热传递。TSE设置有不同数量的区域,包括内部过程的加热和冷却,其中能量被吸收到系统中或从系统中排出。当然,随着挤出机尺寸的增大,由于表面体积比的减小,外部加热的影响减小。

另一个影响是TSE内部聚合物颗粒或粉末颗粒之间或材料和螺杆元件之间发生的内摩擦。例如,摩擦和剪切应力发生在揉捏块的狭窄缝隙中。这完全受安装螺杆型材的类型、吞吐率和挤出机螺杆速度的影响。聚合物熔体中的热传递有助于封装任何未熔化的聚合物,以帮助创建完全熔化。

提高色散质量

分段螺钉元件提供多种功能,可组装在轴上,以适应机组运行。

揉捏和混合区域的设计完全由被加工的聚合物类型决定,但可以包括各种揉捏元素。这些可以包括三飞和两飞45°(输送)揉捏元件,两飞90°(中性)揉捏元件,和/或左手(保留)揉捏或输送元件。

这些元素的组合提供了必要的机械能和停留时间,以有效地熔化和均质聚合物之前,它进一步下游。左手(保留)元素加压TSE内部的熔化物。重要的是设计这一段不能过度剪切和降解聚合物。同样重要的是要注意,一旦材料离开熔化段,它应该完全熔化,以提供适当的润湿的颜色颜料被引入下游。

为了了解如何完成性能最佳的最终产品,仔细查看TSE的每个单元操作是非常关键的。

随着TSE技术的进步,螺纹元件的设计已经偏离了在行业中广泛使用的经典Erdmenger螺纹元件轮廓。这些所谓的“渐开线螺旋元件”的几何结构发生了变化,同时保持了同向旋转TSE中的自擦轮廓。在熔化段和下游混合段使用渐开线元件可减少标准设计中观察到的填料掺入限制。渐开线元件为用户提供向TSE主进料中加入填料或颜料的能力,同时降低熔融不足的风险。

对于下游混合,使用渐开线元件也可以减少填料掺入不足的限制。总的来说,渐开线元件是一种工具,用户可以使用,以克服他们遇到的限制,当复合大量的填料或颜料。

单元操作:“分次进料”

如前所述,根据配方中颜色颜料的负载量,有可能将部分颜色颜料添加到TSE的主进料中,最多可达15%左右,具体取决于其颗粒形状和尺寸。但是,当考虑到彩色颜料的高负荷(高达80%)时,有可能在TSE的主进料口和位于下游的侧进料口(有时是多个侧进料口)之间“分流进料”。分次进料的比例取决于物料类型和装载水平;但归根结底,找到最有效的方法是一种平衡。

在配制过程中提高颜色分散体的质量

可以在下游添加一个或多个侧给料机,以“分割”物料供给单元操作。


装置操作:下游混合/排气

熔融段是在TSE上生产高质量彩色颜料分散体的一个非常重要的工具。下游混合段也是如此。一旦色料被有效地引入TSE中,并利用聚合物熔体对颗粒进行适当的润湿,下游混合段的设计对于色料的分配和分散至关重要。如前所述,当空气进入下游侧给料机时,颜料粉末确实会夹带空气,其中一些空气通过包括在侧给料机筒体上的上游通风口进行回流。

然而,大多数夹带的空气实际上进入下游混合段,如果设计不正确,可能会导致夹带的空气向后移动并返回到侧给料机,阻碍物料流动。下游混合段的目的是用熔体润湿颜料,并将夹带的空气输送到下游,在下游可以设置大气通风口,让空气逸出。

装置操作:脱挥

现在,产品已经完成了大部分上游装置操作,材料即将离开TSE并进入下游设备。有时被忽略的一个区域是机器的脱挥(或脱气)部分。这是一个重要的单元操作,因为当材料进行真空应用时,气泡和/或挥发物从聚合物熔体中剥离,形成无孔且致密的颗粒。

如果在最终的球团中存在孔隙,它会影响最终模塑件的强度和耐久性。TSE提供了一种相当简单的应用真空的方法,它包括一个开放的(或排气)桶,一个真空圆顶连接到一个分离罐(或冷凝器)和一个真空泵。

在某些情况下,无论施加何种真空度或使用何种挤出机螺杆速度,材料仍会从真空排气口逸出,堵塞排气口并阻止充分的脱挥。在这种情况下,有时称为侧面脱气装置(ZS-EG)的设备将用于帮助将材料保持在TSE内,同时让气体逸出以进行适当的脱挥。

在配制过程中提高颜色分散体的质量

脱挥是一种下游装置操作,其中抽真空以去除聚合物中的气泡和/或挥发物,以提供致密且无孔的颗粒。

单元操作:压力积聚和造球

通常在考虑TSE的压力积累部分的设计上花费的时间并不多。在这一段中,聚合物流动是由于螺丝旋转而向螺杆顶端的阻力流和上游压力流的组合,远离TSE的排放。注意真空端口的位置,因为过多的压力积累将导致挥发脱失问题。

通常情况下,色母粒的造粒将涉及链造粒或水下造粒。接近80%的彩色颜料的更高负载量可能会导致链非常脆弱,在这种情况下,水下造粒将是更好的选择,但这一切都取决于所使用的颜料类型。

关于作者:Justyn Pyz是cooperion公司复合和挤出部门的工艺工程师。他在新泽西州休厄尔的工艺实验室负责双螺杆挤出试验,同时为工艺开发、新机器销售和现有客户提供技术支持。Pyz拥有新泽西理工学院(NJIT)的化学工程硕士学位。联系:856-589-0500;Justyn.pyz@coperion.com;coperion.com.

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