改性塑料和母粒生产中，混料设备有了新的开发趋势

主图：Zeppelin Systems表示：其易于清洁的容器式混料机能满足高灵活性和机器利用率的需求

（图片来源：ZEPPELIN SYSTEMS）

混合是改性和母粒生产中许多应用的关键，因此容器式混料机、高强度混料机、连续混料机甚至静态混料器都是重要的设备。基本的混合功能都大同小异，但设备供应商一直在提高清洁性和生产率，而增加的各种传感器和控制系统则是为了实现预测性维护和远程监控——这一举措部分是为了应对疫情。

首先看混料业务的商业方面，总部位于德国的Zeppelin Systems于2021年1月收购了MTI Mischtechnik，将MTI和用于塑料加工的加热、冷却和通用混料机Henschel Mixers产品线整合在一起。据Zeppelin称，两家公司在地理位置和技术方面主要服务于不同的市场，但作为同一家实体，现在将能够进行协同研发。该公司还计划在美国建立备件仓库，以便在24小时内在美国直接供应备件。

图：来自MTI的Flex-Line加热冷却混料器，现在是Zeppelin Systems的一部分

（图片来源：MTI/ZEPPELIN SYSTEMS）

在技术方面，Zeppelin Systems混合技术销售总监Stephan Poller博士强调了其CMQ容器式混料机的特性，该混料机旨在满足改性塑料和母料混合过程中的关键需求，包括高生产率和快速清洁，从而提高机器的利用率。“获得专利的混合工具使用带有小翼的翼型搅拌臂进行快速、有效均匀的搅拌，达到高分散从而保证高颜色强度，”他说。

“与传统容器混料机相比，CMQ容器式混料机具有平面搅拌头，并且翼型搅拌工具底部与容器之间间隙很大，这种组合可减少多达80%的清洁时间，”Poller补充道。他说，用户可以轻松达到混料机的所有区域，无需拆卸附件和搅拌工具。此外，不同的容器可用于不同大小的批次。

Polle说，预测性维护也是一个发展趋势。预测和计划维护的能力可以消除突发故障，并有助于最大限度地减少停机时间并提高生产率。他称Zepplin的混料机在轴承中使用加速度传感器，可用于提供潜在需要维护的早期预警信号。此外，位于空气冲洗轴密封件中的传感器可监控风量并在需要更换密封环时向用户发出警报。

灵活性需求

意大利Mixaco位于美国的子公司总经理Markus Frantzen表示，在改性塑料和母料的混料操作中，对容器式混料机的主要要求包括可清洁性、能源效率、减少处理要求和灵活性。“色母粒工厂面临的最大挑战是设备的清洁与生产率，”他说道。

Frantzen说，Mixaco的容器式混料机(CM) i4通过优化可清洁性的设计来应对这一挑战，包括使用平坦、抛光的搅拌头，最大限度地减少材料粘附，并在容器底部和搅拌头之间设计大空间，以便清洁时无需取下搅拌头。他还提到了Mixaco控制中心，将其描述为“物联网”（IoT）创新，它提供实时过程信息以改进质量控制并允许预测性维护以避免停机。

图：Mixaco 的容器式混料机专为快速简单的清洁而设计

（图片来源：MIXACO）

总部位于美国的Reliance Mixers也报告了对混料机远程监控功能需求的稳步增长。“由于许多PVC混料操作是7天24小时全天候运行，远程监控是一个有用的工具，”该公司总裁Ketul Desai说。“对于使用 PC 作为人机界面 (HMI) 的混料系统，Reliance Mixers在控制室设置一台PC，在混料主管办公室设置另一台。此外，如果出现关机，系统可以发送短信。”

Desai还看到对带有远程故障排除选项的控制系统的需求不断增加。配备此技术后，用户可以请求OEM登录控制面板以识别他们可能遇到的任何问题。

预测性维护的使用也在稳步增加。安装在混料机上的振动传感器收集数据，对潜在问题发出预警。“振动增加通常表明存在机械问题，”Desai说。“也许是搅拌叶片磨损并失去平衡，或者是轴承磨损。也可能是机器和地板之间的振动垫磨损了。”

轴承中的温度传感器是一种较老的技术，可与振动传感器结合使用。如果轴承升温，则它们可能会磨损。“传感器为人们做决定提供更多触手可及的信息，从而让设备正常运行。人们可以通过查看振动趋势来了解设备的健康状况，因此他们可以在问题变得严重到可以通过视觉看到振动之前发现问题，”Desai说。

他说到，即使是较小的工厂也开始看到预测性维护的价值，并补充说“对传感器的需求越来越普遍，并逐渐成为标准。” 该公司可以在其混料机上提供温度和振动传感器，并为各种类型的控制系统提供数据收集系统。

Desai说，尤其是对于母料生产商来说，要轻松安全地清洁大型混料机是一项挑战。 该公司的大型 2000 升高强度混料机包括一个分体式的缸体，使其更易于清洁。“操作员不必爬进缸体内，而是可以将分体缸体的顶部摆开，使搅拌叶片更容易接近，整个缸体更容易清洁，”Desai说。他解释说，此功能对于经常更换频繁的色母粒制造商尤其重要。

开发重点

意大利混料机械制造商Plas Mec表示，目前设备开发主要集中在两个方向：实验室规模设备和预测性维护。

根据区域销售经理Maurizio Palumbo的说法，对回收改性的兴趣和可持续生物基材料（树脂、颜料、纤维和填料）的使用正在产生研究塑料改性材料的再配制的需求，一般是与材料本身性质相关的两个不同目标。虽然这在很大程度上仍是一项研发，但他看到了开发生产规模混合设备来处理这些新材料的机会。

Palumbo说，另一个主要的需求趋势——更好的远程连接——源于疫情带来的挑战。“自从工业 4.0 计划问世以来，所有控制系统都配备了一个设备，允许制造商的专业技术人员远程访问互联网进行检查和监视，这对于识别具体组件异常或“收集数据评估混料厂表现”这种更复杂的情况有很大帮助。显然，这也极大地有助于降低服务成本，”他说。“这也许还不够，因此为了避免计划外的工厂停工，还建议采用预防性维护计划。”

他称Plas Mec正在提供预防性维护计划，这些计划组合在一起以满足客户的不同需求。这些通常包括定期技术访问，由专业技术人员使用特定方法和设备来确定规定时间内的系统部件更换。计划还包括培训生产团队，增加他们对机器的信心和知识，以便他们能够处理和解决中小型问题。

图：远程访问包含在所有 Plas Mec 混料机控制系统中，包括HC加热/冷却型号

（图片来源：PLAS MEC）

Palumbo说，目前对这些计划的采用还没有那么普遍。他认为至少部分归因于其机器的坚固性以及机械和控制的相对简单性。

静态解决方案

总部位于瑞士的Promix Solutions开发静态混料器系统。其SMB plus产品混合效率高，停留时间分布窄。它可以实现高效的在线自清洁，这对于生产多种不同类型改性材料或不同颜色的工厂尤其重要。

Promix Solutions首席执行官Rolf Heusser报告说：“混料机在用五到六倍的体积吹扫后达到100%清洁。” 然而，与许多传统静态混料器一样，它不是一种非常有效的冷却装置，但其专利Promix P1冷却混料器解决了这一限制。

冷却混料器用于PVC和其他热敏改性材料，如生物基聚合物和含有天然填料的改性材料。大多数冷却混料器设计使用外部冷却夹套，但Promix表示其P1冷却混料器将冷却置于内部，避免了冷却聚合物沉积和堆积的问题。“混合棒由传热流体（例如导热油）从内部冷却。这项技术使得非常有效的混合和冷却能同时进行，”Heusser 说。

他说，虽然静态混料器可以使熔体温度均匀化，但冷却混料器除了可以均匀化还可能降低熔体温度以帮助优化造粒。Heusser说Promix P1冷却混料器越来越多地用于生物聚合物和回收材料，如PET，因为它有助于稳定过程并提高产量。

Promix还在Promix Visco-P中提供在线粘度测量选项。这允许连续在线测量作为质量控制和原材料管理的基础，并且这正引发加工商的兴趣。“（这种测量）对于敏感材料，例如PET或某些生物聚合物，以及可能改变原材料成分的回收材料尤其重要，”Heusser说。

图：Promix的Visco-P静态混料器包括混合、冷却和在线粘度测量

（图片来源：PROMIX SOLUTIONS）

连续选项

总部位于美国的Readco Kurimoto公司总裁David Sieglitz表示，该公司连续处理机 (CP) 是一种非常适合不需要长时间停留的的改性混合设备。“Readco CP通常比挤出机便宜。与挤出机相比，CP内部的清洁和维护更容易、更快捷，”他说。“CP可以更有效和高效，具体取决于掺入混合物中的填料类型。”

CP还具有自擦拭设计，使其非常易于清洁。Sieglitz说：“这种设计结构使料筒易于接近和打开，这也简化了排放喷嘴内表面的清洁。”

图：轻松到达需要清洁的区域是 Readco Kurimoto CP连续处理机的一个关键特性

（图片来源：READCO KURIMOTO）

CP机器设置为自动化操作，可以远程管理和维护。“客户可以使用手机或笔记本电脑在他们工厂的任何地方远程访问系统。不同人员的访问或更改参数的权限可以由他们的IT部门进行管理和监控，确保他们的安全和安保协议得到维护，”Sieglitz说。故障排除也可以由异地或外部人员远程执行。

客户可以选择收集RPM、马力、温度和振动等数据，以进行跟踪和预测性维护。CP控制系统上新引入的一个选项是在线测量参数，包括用于反馈控制的温度、湿度和粘度。这样的话预编程产品配方的配方数据库就可以存储下来，之后可以调取这些数据进行同样的参数设置。此外，它会自动记录数据，以便实时查看、调用和分析所有过程变量。

有序混合

同样位于美国的Randcastle Extrusion Systems开发了单螺杆挤出技术（与大多数单螺杆不同），据说专为混料而设计。该公司创始人兼总裁Keith Luker表示，其最新研发成果——分子均质器，据说能提供更“有序”的混合，以确保材料在小分子级别上的混合。

“同向旋转双螺杆挤出机虽然以产生分散和分布混合而闻名，但这种混合是以不均匀或无序的方式进行的，其中并非物质的所有部分都参与混合，”他说。“静态混料器非常有序，但无法在分子水平上混合，尽管位于挤出机后面的静态混料器对于温度均匀性和局部颜色混合很有用。” 据Luker称，均质器技术因其设计而以独特的方式发挥作用。

图1显示了混料器的平面俯视图，它由七组通道（C1、C2、C3）和泵（P1、P2）组成。图2显示泵上方的间隙在混料器的整个长度上是相同的。因此，泵速是连续的，材料在没有压力的情况下处于剪切流中，Luker说这可以最大限度地减少温升。混合发生在通道中，其中材料处于延伸状态。


“在C1（图2）中，材料通过旋转被拉伸。然后，在P1的保持下，材料在C2通道上伸展成薄层，最后缠绕在 C3 中的旋转核上。流动材料的这种拉伸是有序的，所有材料的拉伸都是相同的，”Luker说。他说，每组产生的混合效果比典型的单螺杆计量段好1000倍，七组的累积效果创造了非常好的分布混合。

图1：该示意图显示了Randcastle 分子均质混料器的平面俯视图，显示了七组通道（C1、C2、C3）和泵（P1、P2）（图片来源：Randcastle Extrusion Systems）

图2：在分子均质器设计中，泵上方的间隙 (P1、P2) 在混料器的长度上是相同的，因此泵速是连续的，并且材料处于没有压力的剪切流中（图片来源：Randcastle Extrusion Systems）

Luker指出，实验证明混料器正在小分子水平上混合，例如水。他说：“当我们处理未干燥的PMMA（一种吸湿性材料，通常含有0.3% 的水蒸气）时，我们没有在挤出物中看到任何气泡。因为混合得如此之好以至于水蒸气无法凝聚成水滴，我们将水蒸气保留在材料内部。”他说，吸湿性更强的PET 也得到了类似的结果。Randcastle实验室继续进行实验以评估混料器对吸湿性聚合物的潜在好处，其中可能包括无需干燥树脂粒子。

Luker说，分子级混合对于碳纳米管、石墨烯、导电材料或其他改性材料也很重要，因为在这些改性材料中，在整个材料中均匀混合至关重要。在Randcastle进行的工作显示，碳纳米管可以很好地混合到1微米级。

Luker看到分子均质器被用作独立的混合设备。然而，他认为它也有可用于双螺杆挤出机的末端，以进一步均匀化熔体。

评估磨损

美国堪萨斯州立大学 (K-State) 散装固体创新中心的研究人员最近开展了一项测试，测量用于处理干散装材料的设备的磨损。 “改性材料通常具有磨蚀性，因此它们会很快磨损混料机零件，”管理该中心的Todd W Smith说。“改性材料的输送很麻烦，因为它们太容易磨损机器了，会导致昂贵的停机和维修。当然可以使用别的耐磨金属和涂层，但它们很昂贵，通常是零件价格的两倍或三倍。而且有很多耐磨选项，很难知道该使用哪一种。”

图：堪萨斯州立大学散装固体创新中心开发了一种新的磨损测试方法

（图片来源：堪萨斯州立大学）

Smith说，在听取了改性商和其他散装固体材料用户的投诉并发现现有的方法他们的特定需求无关后，研究人员开发了一种测试设备和方法。“新的磨损测试仪让我们能够评估各种改性材料具有的相对磨损性，以及各种金属、涂层、塑料和陶瓷的耐磨性。它适用于为改性和母料生产制造混料机器和输送设备的设备制造商。它与进行改性生产的公司相关。”

Smit说，在三体磨损测试的标准配置中，将测试样品试样（例如金属、涂层金属或塑料）放置在测试室中，不断供给新鲜粉末（或其他散装固体材料）进入磨损点，然后设备将散装固体与试样摩擦。磨损的速度和力是可调的，试样上的磨损通过在预定时间后测量磨损深度来确定。

Smith说，该测试可用于比较输送设备、箱子、滑槽和混料机等设备的结构材料。他说，除了比较材料外，测试仪还可以指示设备在磨损条件下的使用寿命。“在大多数情况下，这是在首次为已知应用建立基准前完成的。例如，如果已知混料器或输送部件会持续使用一段时间，那么K-State的磨损测试仪将设置为使用该应用中的测试试样和散装固体来进行磨损测试。之后可以将试样或散装固体的任何变化与基准进行比较，”他说道。


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