改变塑料工业的50大创新: No.5-双螺杆挤出

来源:译者-Kimmy,微信订阅号:聚合物加工成型,授权高分子网(gaofenzi.org)发布

纵观双螺杆挤出机的发展史,可以发现其与塑料工业的发展是紧密结合的。比如,全球化工巨头对同向双螺杆挤出机的发展就起到了至关重要的作用——现在同向双螺杆挤出机行业的领先者Coperion(原W&P)的技术就源自Bayer;系统阐明同向双螺杆几何学的第一篇公开文献则是由DuPont的Booy在上世纪七十年代发表的。在此需要指出的是,同向双螺杆挤出机的每一次重大技术升级均是在塑料改性(特别是工程塑料改性)的推动下取得的。异向双螺杆挤出机更是随RPVC制品的发展而发展。因此编者认为,中国的双螺杆挤出机厂家最好与原材料供应商合作,方有可能推陈出新,形成自己独特的技术。

在过去的60年中,双螺杆挤出技术是聚合物成型加工领域公认的最重要的挤出进展。双螺杆挤出的商业发展史可追溯到20世纪50年代晚期,但其开创性的工作则要再回溯20年。意大利和德国的工程师最先开发了同向和异向旋转双螺杆挤出机,以更为有效地生产PVC管材。LMP(Lavorazione Materie Plastiche)公司的创始人Roberto Colombo,成为第一个采用双螺杆来混合纤维素醋酸盐的人,其优点在于避免了溶剂的使用。1938年,他想到用相互啮合、同向旋转的双螺杆挤出机来对PVC造粒以供挤出成型管材之用。在此之前,PVC管是由一段一段经液压机压制成型的短管拼接成的。

在聚合物合成工业界,当纯树脂从反应釜里聚合出来时,双螺杆被用于对其进行混合和造粒。时至今日,双螺杆挤出机已被广泛用于塑料的填充改性和增强改性,及反应挤出(聚合反应、接枝反应等)。色母粒和挤出发泡也大都是通过双螺杆挤出机来实现的。

同向旋转双螺杆挤出机最先问世
LMP(1996年被Owens Corning收购)最早的同向旋转挤出机可安装双螺杆或三螺杆,直径最大可至109毫米。LMP于1939年初获得了第一个有关专利。其最初的客户之一为最早开发出PVC的德国I.G.Farbenindustrie公司。第二次世界大战后,LMP授权法国的Creosot-Loire(现在的Clextral)公司、英国的R.H.Windsor公司和日本的Ikegai Iron Works公司生产双螺杆挤出机。1955年,Toshiba Machine 成为日本第一家生产全啮合异向旋转双螺杆挤出机的公司。

照片出自1962年Plastics Technology“新挤出机之螺杆”的报道:W&P采用组合式螺杆设计并配置捏合块的ZSK系列挤出机面世
第二次世界大战期间, I. G. Farben开始将捏合块用于同向旋转双螺杆挤出机以实现混合之作用。战后,德国 Bayer继续进行这方面的研究,并与1957年授权Werner and Pfleiderer GmbH(双螺杆界鼎鼎大名的W&P公司-编者注)开始生产其ZSK系列同向双螺杆挤出机。除了捏合块之外,双螺杆挤出机的另一大创新之举也诞生了——采用各种螺纹元件来组成整根螺杆,从而可以根据不同的工艺要求来灵活设计螺杆。现在,这已成为同向双螺杆挤出机的全球标准设计。

1981年,德国的Berstorff开发了能够改善分布混合的捏合块和螺纹元件,其原理是基于啮合元件之间的非完全自扫。W&P则于1995年的K展上推出了划时代的高速高扭矩同向双螺杆挤出机(Mega系列-编者注)。Berstorff 也很快推出了高扭矩机型,但较之W&P,其自由体积更小、剪切速率更高(因其内外径之比更小-编者注)。

1940年,Krupp 的Wilhelm Ellermann 开发了第一台商业化的啮合异向双螺杆挤出机,称为Knetwolf。1941年,Krupp申请了相关专利,并且为I.G. Farben制造了多台机器,螺杆直径最高可达400mm。战后,德国杜塞尔多夫的Joseph Eck&Sohne Maschinenfabrik 公司接管了Knetwolf。但W&P于20世纪50年代开始商业化生产更为高效的同向双螺杆挤出机后,Knetwolf的历史使命就此结束。

意大利的Carlo Pasquetti,曾与Roberto Colombo一起致力于第一台同向旋转双螺杆挤出机的开发,最终却选择了另一个方向——开发了啮合异向旋转双螺杆挤出机。异向旋转双螺杆挤出机的转速小于同向双螺杆挤出机,并且较之混合操作,其更适合泵送之用。在欧洲和美国,分别直到1959年和1969年,异向双螺杆挤出机才开始大规模商业化,这主要归功于Anton Anger和 Wilhelm Anger兄弟的工作。

在1951-1952年,Anger 兄弟刚开始用平行异向旋转双螺杆挤出机(Luxembourg的Nouvelle Mapre SA制造)来挤出橡胶,但之后发现该设备并不适合挤出PVC管材。于是乎,1955年,他们开发了他们自己的第一台异向旋转双螺杆挤出机,其螺杆为三段式结构并且长径比为12:1。据说这是第一台能将PVC粉料直接挤出成型管材的挤出机。到1959年,Anger兄弟成为世界上最大的PVC管材生产商,拥有30条挤出生产线。他们在Munich的公司Kunststoffwerk Gebruder Anger GmbH生产双螺杆挤出机供他们自己使用。 1961年,Rheinstahl集团收购了Gebruder Anger公司。在此之前的1959年,Anger兄弟已在Vienna开创了另一家公司——Anger Plastic Verarbeitungs Maschinenbau (APM), 从事两阶平行双螺杆挤出机的商业化生产。1964年,Anton离开APM独立发展并且在奥地利的Linz创办了Anton Anger Algemeine Maschineebau (AGM)公司, 并宣称该公司生产了世界上第一台锥形双螺杆挤出机。

开发锥形异向双螺杆挤出机的目的是为了形成大的螺杆中心距,以便在小的挤出机上拥有较大的空间来安装大的轴承。小的平行异向双螺杆挤出机其轴承太小不能承受较大的负载。直到现在,锥形异向双螺杆挤出机仍然是中小型PVC生产线的首选配置。

1966年,第一台锥形双螺杆挤出机从Anton Anger的AGM公司进口到了美国。1969年,Cincinnati Milacron 收购了AGM并于两年后将Wilhem Anger的APM收入旗下,随之对两家公司进行了合并(如今,Milacron在美国同时生产锥形和平行双螺杆挤出机,其在奥地利的业务则拆分成为Cincinnati Extrusion公司,是SMS集团的一部分)。

Schloemann获得Pasquetti异向双螺杆的设计;Reifenhauser收购了Schloemann的技术并进行了升级(下图,1968年的型号)。(Photo:Kunststoffe杂志)

1960年,拥有生产50mm、80mm和1000mm Bitruder异向双螺杆挤出机技术的Pasquetti Company, 将其设计授权给了德国的Schloemann公司。1972年,Reifenhauser购买了Schloemann的双螺杆技术,并将其应用于PS、PE和发泡挤出。现在Reifenhauser生产Bitruder挤出机应用于管材、异型材和木塑挤出市场。

上世纪50年代后期,位于德国Bad Oeynhausen的Kestermann公司开始制造平行异向双螺杆挤出机。1970年,Rheinstahl收购了Kestermann公司并将其与Gebruder Anger公司合并,最终形成了著名的Battenfeld Extrusionstechnik.

意大利的Bausano于1946开始生产用于PVC挤出的的异向旋转双螺杆挤出机。之后于1965年,其异向旋转双螺杆挤出机出口至美国。

早在1937年,德国的Paul Leistrits便生产了啮合双螺杆泵用于处理工业流体,并且在战后生产了少量用于PVC挤出的设备。20世纪60年代后期它开始大规模生产异向旋转双螺杆挤出机。不久之后,其也开始了同向旋转双螺杆挤出机的生产。

1945年,Welding Engineers(从1998年开始属于NFM公司)公司开发了用于加工硅藻土的非啮合异向旋转双螺杆挤出机,并且在50年代早期被Standard Oil公司用于PVC和PE的挤出造粒。

1964年,Farrel 公司的Farrel Continuous Mixer(FCM)问世,其被视为Banbury Mixer的改进版。FCM的混合部分采用的是与Banbury转子类似的转子结构。之后,很多同向双螺杆挤出机厂家,比如Krauss-Maffei、Japan Steel Works(JSW)和意大利的Pomini,将该种转子结构应用于同向双螺杆中以加强混合作用。

1971年,Kauss-Maffei成立了ExtrusionTechnik业务部并且从Anger公司挖来了三个工程师。针对PVC挤出, 他们开发了双锥形设计并且申请了专利——螺杆从喂料段到计量段的槽深逐渐减小。该技术辅之以高扭矩设备可有效提高产量。

作为Anger的前工程师,HorstEigruber, 于1973年成立了Maplan公司。从1976年开始,Maplan申请了专利且开始生产另外一种锥形双螺杆。1998年,Eigruber申请了一种双锥螺杆设计专利,其与Krauss-Maffei的专利刚好相反——螺杆从喂料段到计量段的槽深逐渐增大。Eigruber声称该设计可在高产量的情况下有效降低剪切。

来源:Plastics Technology

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