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除了双螺杆挤出机,改性还有其他选择吗?

来源:荣格 发布时间:2021-12-28 1381
化工塑料橡胶塑料加工设备模具及零件材料处理、计量与检测原料及混合物添加剂及母粒其他增强塑料改性塑料其他自动化设备
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Buss 最近的创新之一是开发了一种用于湿固化无卤阻燃 (HFFR) 电缆材料的一步硅烷接枝工艺。

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图:制造商 Buss表示,对混炼挤出机的需求持续稳定,通常用于接枝等热敏加工(图片来源:BUSS)


虽然双螺杆挤出机是大多数改性厂的中流砥柱,但也有替代品。密炼机、单螺杆挤出机、多螺杆挤出机、行星辊轮挤出机和连续密炼机都有它们的拥护者,机械制造商可以为多种改性应用提供它们。

 

然而,为改性选择最佳挤出机并确定一种具体类型的机器的理由并不是一个简单的过程。瑞士咨询公司 Kneading Experts的Hans-Ulrich Siegenthaler说:“作为独立专家,我们经常面临的正是这个问题或由此引申出来的问题。”

 

他说:“例如,有没有方法为特定应用找到合适的改性混炼系统?我们会说,在许多项目中已经并且已经能够非常成功地使用这些方法。我们开发了一个方法工具箱(改性混炼分析)。有了它,可以全面记录工艺技术和生产技术的考虑因素以及经济要求,并找到有针对性的解决方案。一些机器制造商也出于自己的目的使用类似的方法。”

 

Siegenthaler 表示,回收压力有助于推动企业对寻找混炼替代设备选项的兴趣。他说:“在许多应用中,在相同组件或相同材料中使用了不同类型的聚合物——例如,用于包装的多层薄膜——正在寻求替代品以回收产品。欧盟已经通过欧洲绿色协议启动了监管措施。在这方面,替代挤出机的特定特性可以提供特别有价值的服务。例子包括行星辊挤出机的出色散热可能性、环形挤出机精密的脱气解决方案以及连续密炼机(往复式密炼机)中聚合物和添加剂的温和处理。”

 

他说,在储能和电力传输领域可以看到另一个增长领域。“在电缆绝缘领域,替代挤出机一直发挥着重要作用。在电池和蓄电池物质的混炼中,连续工艺现在也已经建立或即将建立。在这些应用中,工程试验工厂提供了基础研究和产业化之间的重要联系。”

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图:Buss 与赢创和Martinswerk合作开发了一种具有成本效益的一步工艺,用于生产硅烷接枝 HFFR 电缆改性材料(资料来源:BUSS)

 

生物基细分市场

 

Siegenthaler说,在过去几年中,生物基聚合物与天然添加剂和增强纤维一起已成为一个重要的细分市场。 “这些原材料中的许多种对剪切和/或温度敏感。具有适中剪切力的替代混炼系统也可以在这里发挥重要作用。”

 

他说,Kneading Experts正在寻求解决的未来发展领域包括将其一些从摇篮到摇篮项目的现有经验推广到其他应用领域,例如包装、纺织品和汽车。该公司还寻求在改性研发中应用敏捷方法,如设计思维或Effectuation,以及为改性行业开发适应更深入考虑共享经济的商业模式。

 

据设备开发商 Buss 称,对连续混炼机的需求持续稳定,这包括小型和大型机器。该公司工艺主管 François Loviat 博士说:“与 PVC 一样,Buss 混炼机的主要应用继续包括基于高填充量的 HFFR 电缆改性材料、增强改性和炭黑母粒生产。”

 

他说:“在相对温和的条件下,用最佳的温度控制进行的非常有益的分散混合,对剪切和温度敏感的较高粘度材料可实现出色的均质性,从而具有最佳性能。此外,生物高分子材料(例如 PLA)和具有增强二氧化硅分散(目的是在连续过程中降低滚动阻力)的橡胶为Buss混炼机提供了巨大的潜力。”

 

Loviat 说:“热固性和热塑性系统中的复合纤维也为混炼机提供了一个有前途的领域。对于基于敏感材料(例如生物聚合物和回收材料)的日益复杂的配方,Buss 混炼机将非常有吸引力,以满足可持续发展和运输发展大趋势的未来需求。”

 

Buss 最近的创新之一是开发了一种用于湿固化无卤阻燃 (HFFR) 电缆材料的一步硅烷接枝工艺。Buss 创新和数字化主管Krischan Jeltsch博士表示,许多应用需要使用交联材料,例如需要出色的温度、耐磨性或耐油性的场合。在汽车和光伏行业以及风力涡轮机、石油平台、发电厂或工业环境等重型应用中,这是典型的情况。

 

他说,大多数交联聚烯烃基电缆材料的主要缺点是它们在燃烧时“掉落”熔融聚合物,这会导致火情扩散并限制了其在可燃性测试中的表现。传统的HFFR改性材料在可燃性测试中表现更好,但通常他们的耐油性、耐磨性和机械性能都较低。这些限制可以通过用可交联的阻燃替代品代替传统的可交联电缆材料或传统的 HFFR 改性材料来克服。

 

Loviat说,光伏技术的稳步扩张以及电动汽车市场的增长,正在促进对可交联HFFR电缆材料的需求增加。建筑产品法规 (CPR) 和最新的汽车和轨道车辆电缆规范要求使用性能更好的材料,进而推动更高性能材料和更高效改性混炼的进一步发展。

 

硅烷交联阻燃电缆材料的生产通常分两步进行。首先是用硅烷和过氧化物接枝基础聚烯烃聚合物。第二步是将接枝好的材料与阻燃添加剂/填料混合。

 

尽管这种成熟的工艺有效,但它相对低效且成本高昂,因为材料必须熔化和造粒两次,并且需要两台混炼机,或在一台混炼机上交替生产。

 

通过与赢创和 Martinswerk 的合作,Buss 开发了一种高效的一步式工艺。该公司已经在一些 XL-HFFR 的主要生产商处量产,声称在生产效率和产品质量以及能源消耗方面具有显着的竞争优势。
 

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图:来自 Farrel Pomini(左后)的 CP550 生产紧凑型混炼机及其 CPeX 实验室模型

(来源:FARREL POMINI)


一步生产过程需要非常快速地混合接枝组分和非常严密的温度控制。“从这个角度来看,Buss 混炼机是为这种应用量身定制的,”Loviat 说。“事实上,机器的第一段必须达到190-200℃的最低温度才能成功进行接枝。之后,加入阻燃剂材料,通常是氢氧化铝或氢氧化镁,并与接枝化合物混合。在此操作过程中,阻燃剂的良好分散和准确的温度控制对于获得良好的机械性能至关重要,同时温度不超过阻燃剂的降解温度,即 200 ℃左右。”

 

在另一项开发中,Buss 正在寻求将其Compeo 44实验室大小的混炼机作为集成上下游设备的即用型系统推出。该机器将作为套件装运,包括一组安装在框架上的计量装置、一个排料装置和一个用于冷却下游料条的水浴。该公司表示,这种实验室大小的系统将于2022年春季在Chinaplas展会上首次亮相。

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图:Buss 将于明年推出其 Compeo 44 实验室机器的即用型“打包”版本

 

该开发是在最近开始交付第一条 Compeo 176 生产线之后进行的,该公司表示,该生产线满足了市场对具有更高产量的更大混炼机不断增长的需求。

 

能源优势

 

Farrel Pomini 表示,连续混炼设备市场仍然非常乐观。“我们的传统市场领域不断增长,我们高效的技术,特别是在节能方面,提供了显着的优势,”总裁兼业务部门总监 Paul Lloyd 说:“包括生物聚合物和回收材料在内的生物友好材料的巨大发展势头改变了我们工作的环境并开辟了许多机会。”

 

Lloyd说Farrel Pomini的连续混炼机在处理高填充和温度敏感材料方面表现特别好。他说:“产品的主要应用包括高填充、白色和黑色母料、阻燃剂、PVC 和地板。尽管我们处理生物聚合物和回收材料(包括 PLA、PHA 和 WPC)的水平已经显着增加。”

该公司的连续混炼技术基于在一个大型自由容积混合室内工作的两个反向旋转、非啮合转子。大混合室允许自由的材料循环和良好的分布混合,而特殊的转子几何形状有利于高效的剪切和良好的分散混合。其他特点包括单个大型进料口,允许高填充量和不规则尺寸的材料。混合强度可以通过调整转子速度、工作容量、热参数和孔口位置来调整。

 

生物塑料加工

 

随着环境问题被列为重要议程,再生材料和生物聚合物的加工成为一个热门话题。根据Farrel Pomini的说法,连续混炼技术是绝热的,不会将额外的热量或能量传递到化合物中。这有助于保持聚合物的完整性,包括分子量,这在加工热敏生物塑料时尤为重要。

 

该公司表示,其连续混炼机还为回收材料的改性商提供了一些优势。回收物本质上是被污染的、部分降解的,并且含有不同的颜料和颗粒大小,这使得回收物的处理变得非常有挑战性。据称,该公司机器的大型单入口进料口能够接受不规则尺寸的原料以及大量添加剂和填料,而转子尖端与壁之间的大间隙和混炼室容积支持高效加工和高材料流动。

 

所有要混合的材料单独或作为预混料通过单一入口进入混炼室,而液体可以直接注入混炼室。这种喂料方法消除了对侧喂料器的需要。Farrel Pomini表示,随着越来越多的材料被加工,它正在开发用于更多种材料的喂料选项。连续混炼技术还利用常压排气,无需额外的真空系统。

 

Farrel Pomini 最近发表了在其CP550生产型连续混炼机上加工聚乳酸 (PLA) 的后续研究结果。该研究评估了在加工具有一系列滑石矿物填料添加水平的PLA时分子重量损失的影响。后续研究是与NatureWorks合作进行的,研究结果与在该公司 CPeX 实验室用混炼机生产时得到的早期结果进行了比较。

根据Farrel Pomini的说法,该研究发现CP550成功复制了早期的非常好的分子量保留结果。在60%填料添加水平下,使用少量加工助剂时分子量保留率为98%。达到了450 kg/h 的产量并且该产量在该型号的标称产量范围内,但是Farrel Pomini表示相信可以实现更高的生产率。它表示,结果表明其连续混炼机可以在商业环境中以可行的生产速度生产 PLA 填充母料。

 

三重好处

 

中国公司Cowin Extrusion(南京科锐)推出了一种三螺杆挤出机,它声称除了保留了传统双螺杆挤出机的许多好处外,还增加了一些额外的优点,例如更好的塑化和混合。据称三螺杆的分布方式也确保了良好的自清洁效果。

 

据Cowin介绍,与传统的双螺杆挤出机相比,其三螺杆设计的螺杆啮合面积增加了一倍,这大大改善了混合质量。螺杆的长径比更短,而物料的停留和混合时间更长。由于三螺杆挤出机的容量比双螺杆挤出机高 50%,因此产量也更高。Cowin还声称该三螺杆挤出机能节能20-40%,应用包括高度填充的化合物、颜色和功能母料以及反应挤出。

 

行星辊轮挤出机制造商Entex Rust and Mitschke声称,其机器设计的主要优势之一是通过将液体冷却技术和更薄的壁厚相结合改进了热控制。这在处理诸如PVC之类的热敏材料时尤其有利。

 

该公司最近进行了一项研究,将其在燃气变体中的基于液体的热调节系统与传统的电加热进行了比较。它表示,它表明液体系统的初始投资较高,但运营成本可以在不到一年后摊销,整个挤出系统的成本在三年半后摊销。这归功于更有效地将热量传递到产品,该公司声称可以将加热需求减少多达50%。

 

除了节能之外,Entex 表示“稳定”过程比使用电温度控制系统快约五倍,并且可以实现更快地有效冷却。

 

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图:Entex 表示其行星辊轮挤出技术的良好热调节性能使其非常适合敏感材料的加工

(来源:ENTEX RUST AND MITSCHKE)

 

据称, Davis-Standard的Ram-Stuffer单螺杆挤出机能够处理从低堆积密度的绒毛到切碎的薄片的任何东西,包括具有不同堆积密度的材料。该公司称,这使其非常适合薄膜废料的再加工,但该系统也被用于混合塑料的化学回收和木塑复合材料 (WPC) 材料的直接加工等应用。

 

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图:Ram-Stuffer 单螺杆挤出机用于直接WPC加工装置(来源:DAVIS-STANDARD)

 

Ram-Stuffer 使用气动柱塞将材料压入挤出机,机筒的进料部分使用凹槽技术来增强材料的输送。Davis Standard表示,与双螺杆挤出机等替代品相比,它降低了前期成本和运营成本。


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