供需大厅

登录/注册

公众号

更多资讯,关注微信公众号

小秘书

更多资讯,关注荣格小秘书

邮箱

您可以联系我们 info@ringiertrade.com

电话

您可以拨打热线

+86-21 6289-5533 x 269

建议或意见

+86-20 2885 5256

顶部

荣格工业资源APP

了解工业圈,从荣格工业资源APP开始。

打开

实验室机器,成为开发开发新改性材料的重要一环

来源:荣格 发布时间:2022-01-21 778
化工改性塑料塑料加工设备其他自动化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
收藏
机械制造商正在设计改性配混机器及辅助设备,以满足实验室要求,同时展示扩大到生产的能力。

摘要:研发、测试、扩大生产,这套开发流程使实验室机器成为新改性材料开发的重要组成部分。


untit11led.png

进料灵活性是许多实验室改性机器的关键要求(图片来源:THERMO SCIENTIFIC)


回收塑料、生物基聚合物的使用增加以及对剪切和热敏感材料的加工需求使得开发新配方和加工参数成为一项更具挑战性的任务。在实验室中试用新材料之后再有把握地将之投入生产,如今这种能力是改性配方开发和工艺开发过程的重要组成部分。考虑到这一目标,机械制造商正在设计改性配混机器及辅助设备,以满足实验室要求,同时展示扩大到生产的能力。


根据Leistritz Extrusionstechnik的说法,回收和生物聚合物的发展,以及生产电池薄膜的需求,正在给实验室改性配混机器带来更高的要求和新的挑战。“当有新材料可以替代传统材料时,必须进行大量配方开发才能满足最终产品的规格。这首先是在实验室中进行,然后才到生产线上测试固定配方。”工艺部门负责人Christopher Helms说。

“实验室改性配混机器的主要要求是灵活性和易于适应新工艺,以及它的设置与生产线有可比性。由于实验室生产线需要为小批量生产测试新配方而设计,因此工艺方面的挑战也经常发生变化。因此,机器需要在螺杆几何形状的改变和辅助设备的适应方面具有高度的灵活性。”他说, “第二重要的方面是与生产线的可比性。这是指工艺设置、螺杆几何形状和挤出参数,以及挤出机的基本结构。只有当两条线之间存在几何相似性时,才能轻松地从实验室转移到生产线,反之亦然。当在整个机器系列中使用具有恒定外径/内径比和恒定比扭矩密度的 ZSE MAXX 系列时,这是可能的。”

该公司的最新开发成果是使用Leistritz拉伸流变仪的智能过程监控,它适用于所有挤出机,包括其实验室改性挤出机。“熔体质量是产品质量的决定性因素,挤出过程中出现错误会导致昂贵资源的浪费。同时,挑战在于提前识别这些错误以避免错误。这就是Leistritz在线拉伸流变仪的用武之地。它能实时识别熔体的参数,从而持续可靠地节省成本并提高产品质量。“Helms 说。

un22titled.png

将Leistritz 在线流变仪集成到实验室改性配混应用中可对熔体粘度进行持续的检查(图片来源:LEISTRITZ)


Farrel Pomini表示,向可持续材料发展的势头,包括生物基聚合物和回收材料,以及配方和潜在应用的快速变化。这些是当今所有改性配混设备发展的动力,包括实验室规模的机器。

“材料的温度敏感性,例如回收PVC、PHA、PLA和天然纤维改性材料,以及摄入原料的尺寸大小不一、材料的堆积密度通常较低,这些因素给实验室改性带来了许多挑战。此外,在进行可行性和开发工作时,实验室改性设备必须灵活并允许各种工艺条件的设置,这一点很重要。它还需要有一个强大的控制和数据采集系统,同时能提供与量产设备类似的功能,当开发成功时,材料最终将在这些量产设备上生产。”公司总裁兼业务部总监Paul Lloyd说。

实验室资产

“实验室改性配混机器也是学院和大学的一项资产,可以为学生提供聚合物加工课程,为学生提供宝贵的知识。Farrel Pomini CPeX实验室混炼机安装在UMASS Lowell塑料工程学院,供研究生使用并用于需要利用连续混炼技术的专业研究。”Lloyd说。

该公司的CPeX实验室紧凑型混炼机允许改性厂商进行实验室规模的产品开发试验、扩展产品应用、加快上市时间并降低开发成本。它为可行性研究和其他实验室工作而设计,目标产量为10-30 kg/h,非常适合加工各种改性材料和色母料。

CPeX允在Farrel Pomini的标准CP转子和XL转子之间进行互换。后一种转子具有更长的比率 (10:1),并提供更严格的温度控制和更长的停留时间。虽然大多数客户使用的都是标准转子,不过据说可以使用比较的功能来更好地确定何时使用XL转子更有益。

CPeX控制系统可配置大多数主要品牌的喂料器,最多可支持三个重力喂料器。进料器和混料器都预先配置了即插即用的集成布线和管道。基于PLC的控制系统和触摸屏HMI包括基于网络的监控和数据采集 (SCADA) 功能,可增强分析和配方构建。控制系统包括在任何时间间隔内抓取过程参数并生成报告的能力。


unti33tled.png

Farrel Pomini的CPeX实验室紧凑型混炼机提供与其大型机器相同的温度控制功能

(图片来源:FARREL POMINI)


CPeX提供与Farrel Pomini的生产规模机器相同的温度控制能力。它监测两个熔体温度,一个在混合器出料口处,另一种在挤出机口模处。混料室还包括公司生产规模机器的所有工艺特征,包括混合坝、液体注入段和排气口。混料器排放孔设计成将混料器与挤出机紧密连接,并允许在排放到挤出机进料区之前分流部分熔融材料去进行评估。紧密连接的设计还消除了熔体暴露在空气中的情况,最大限度地降低了氧化降解的风险,使其适合试加工由反应釜提供的粉末树脂和添加剂母料。

Farrel Pomini还可以为转子和腔室内衬提供各种硬化表面处理选项。“这些专有表面还增加了拖曳流,提高了材料的输送效率,从而提高了生产率,”Lloyd说,“在大多数情况下,混料室可以配备可更换的硬金属内衬。使用单入口进料口时,所有材料单独或作为预混料送入混料器,而液体可直接注入混料室。这种直接的进料方式消除了对侧喂料器的需求,从而减少了能源费用和聚合物受热。”他说。

敏感材料

据Entek称,生物聚合物和其他剪切敏感材料的使用越来越多,因此改性行业需要能够正确加工它们的实验室挤出机。该公司还报告称,越来越多的公司购买实验室改性配混机器以在内部开展研发工作。


un44titled.png

安装在美国Gala加工实验室的Entek挤出机(图片来源:ENTEK)


Entek工艺工程师Megan Dyer将实验室改性配混机器的一些主要要求确定为结构模块化、减少污染的能力以及快速转换功能。她说,这些功能让实验室机器更有效地测试许多不同的改性材料。此外,快速转换功能有助于解决实验室普遍面临的试验期间的清洁问题,尤其是在加工有颜色的材料时。

去年早些时候Entek在其产品系列中引入的真空进料技术 (VFT) 可以帮助将松散的材料吸到混炼机中。“Entek还发布了一种新的排气流量传感器,有助于尽早通知操作员排气流量异常情况,”Dyer 说,“我们已经在我们的实验室中体验到了这两种技术为客户试验增加的价值。在将松散材料送入挤出机的情况下,VFT可实现更高的特定产量。排气流量传感器监测物料何时进入排气塔,以便及早发现并更容易清洁。这在实验室中尤其有用,因为这些实验室由于条件不断变化而使排气更为常见。”

赛默飞世尔科技推出了其专门开发了Thermo Scientific Process 16双螺杆挤出机,以满足研发、工艺开发和小批量生产的易操作性和工作流程效率要求。外壳和分体式料筒设计便于清洁和检修,而可拆卸顶盖可确保客户特定应用的灵活性。该公司表示,16毫米直径的挤出机是各种改性生产流程的良好解决方案,而线材牵引绕线器、片材牵引系统和造粒机等配件进一步扩展了其应用潜力。此外,其卫生版可用于食品和卫生保健应用。

Process 16双螺杆挤出机包括用户友好的触摸屏操作、集成的喂料器控制和易于拆卸的物料接触部件。它紧凑的设计最大限度地减少了实验室空间并确保易于清洁。它支持0.4-20 kg/h的产量,具体取决于材料和应用。

机器的功能包括分段螺杆和可拆卸的上半部料筒。螺杆长度调节套件允许只有少量物料进行共混的情况,而全端口料筒提供了最大灵活性的喂料和脱气。物料接触部件有三种钢材可选。配件包括模具、喂料器、水浴、传送带、拉条或面切造粒机、牵引机和绕线器。造粒套件允许客户在熔融挤出和湿法/熔体造粒之间切换。

喂料灵活性

Process 16双螺杆挤出机的全端口料筒提供六个顶部进料口和四个侧面进料位置,用于对敏感或低堆积密度材料进行二次进料。该公司表示,顶部进料为广泛的材料提供了一种简单的处理解决方案,并且通常适用于工艺要求不太苛刻的情况。然而,当要喂入的材料量比较大或材料堆积密度低时,建议采用侧喂料,因为侧喂料有助于防止进料漏斗堵塞。机器上可同时使用两个侧喂料。

为了展示侧进料的优势,该公司使用低堆积密度木纤维填料进行了两次混炼试验。挤出条件保持不变,而进料方式在二次顶部进料和侧进料之间变换,对结果进行了比较。

试验使用单螺杆垂直落料器在进料口1中以0.8 kg/h的速度喂入聚丙烯粒料。在第一次试验中,木纤维的二次顶部进料是在进料口4使用双螺杆垂直落料器进行的,而在第二次试验中,木纤维的二次侧喂料是从口3和4之间的机筒背面进行的。在顶部喂料试验中,当木纤维的进料速度超过0.2 kg/h时,端口堵塞。在侧进料实验中,在挤出达到其扭矩和压力极限之前,木纤维的进料速度可提高至1.5 kg/h。


Thermo Scientific Process 16双螺杆挤出机专为研发、工艺开发和小批量生产而设计

(图片来源:THERMO SCIENTIFIC)


科倍隆看到了一些对实验室规模的改性配混技术的需求越来越大的特定市场的出现。“除了工程塑料等应用外,这些市场目前也在大量开展研发工作。”化学应用工艺技术团队负责人Markus Fiedler说。

这包括燃料电池制造工艺的进一步发展。作为GrabaT(基于石墨的双极板技术)研究项目的一部分,科倍隆目前正与斯图加特大学塑料技术研究所 (IKT)、Robert Bosch和Matthews International/Saueressig 合作,继续开发质子交换膜(PEM)燃料电池。双极板作为燃料电池堆的核心元件,特别是它们基于热塑性石墨改性材料的应用,是这项工作的重点。”他说。

“科倍隆给自己设定了一项任务,即要将其多年来在塑料改性制造中获得的有关解决进料受限问题的所有经验转移到由大量石墨和少量聚合物组成的混合物的制备中。科倍隆ZSK双螺杆挤出机用于改善向聚合物中填料的添加,并避免在改性过程中产生结块和聚合物降解。在实验室规模上获得的结果是未来扩大规模的基础。”Fiedler 说。

双极板是燃料电池堆的核心元件。它们由石墨聚合物改性材料制成,由于重量轻,因此适合移动应用。它们结合了诸如导电性和导热性以及气体不渗透性等特性,机械性能显著高出纯石墨板所能达到的水平。此外,在典型的工作温度下,它们比金属合金能耐受更长时间的潮湿和酸性介质影响,科倍隆说。然而,该公司补充说,所需的极高添加比例给工艺技术带来了巨大挑战。

“占比高、同时体积密度低的石墨需要特殊设备才能将混合物送入挤出机并增加可能的产出重量,”Fiedler 说,“在这个项目中,目标是重量填充比例大大超过85%的材料。我们希望将这种困难材料的输入以最佳方式整合到流程中。与此同时,我们也在优化将填料加入聚合物的过程,以避免在改性配混过程中产生结块和聚合物降解。”

改善进料

为了改善进料,科倍隆使用了其进料增强技术 (FET),据说该技术非常适合使用更细的非压实填料。它在侧进料器的进料区配备了一个多孔的透气壁,允许真空将混合物中包含的空气抽出。结果堆积密度增加了,侧进料器中的材料吸入能力也随之增加。科倍隆还开发了一种工艺优化的机器概念来均化混合物。

与此同时,该公司正在使用数字3D流动模拟 (CFD) 对聚合物和填料混合过程进行虚拟和真实优化。作为该项目的一部分,它还开发了一种在线质量工具来检测过程和产品波动。目的是实时调节改性材料质量。

实验室改性研究的另一个重要领域是塑料的化学回收。塑料垃圾,尤其是包装垃圾,一般都是高度污染的材料混合物。机械回收这种材料混合物通常很困难,因为在许多情况下分拣和清洁在经济上和技术上都不可行。化学回收是一项很有前途的技术,旨在将这些材料流回收成化学品、蜡或液体能量载体。
 
科倍隆为比利时根特大学提供了一套挤出系统,用于化学回收混合塑料垃圾的综合研发任务。这个实验室系统是围绕ZSK 18 MEGAlab双螺杆挤出机设计的,该挤出机经过专门配置,可在 1-10 kg/h 的吞吐量范围内对消费后塑料废物进行化学回收。除挤出机外,该系统还包括科倍隆楷创的进料器和真空装置。

科倍隆向根特大学提供了ZSK 18 MEGAlab改性系统,用于开发混合塑料废料化学回收技术

(图片来源:COPERION)


这家机械制造商表示,其双螺杆挤出机技术特别适用于塑料的化学回收,因为它可以在很短的时间内将高水平的机械能施加到材料上,这是由于沿着双螺杆的连续的表面转换、强烈的分散和高剪切。在大约30秒内,混合的粉碎废物在高达350°C的温度下转化为均匀、高度脱挥的熔体。然后可以根据需要添加和混合其他材料,例如催化剂。PVC中的残留水或氯可以通过挤出机成型部分的真空脱挥进行可靠地提取。

根特大学参与了回收领域的许多前瞻性开发。化学反应工程和化学反应动力学是其化学技术实验室 (LCT) 主要的研究领域。从事的活动包括现有工业流程的优化和开发,以及旨在最大限度减少废物流和能源消耗的新技术的加强和规模扩大。

可靠的扩产

CPM挤出集团开发出了CXE26和CXE32双螺杆改性挤出机,旨在支持配方开发和直接放大规模到生产机器。两种挤出机都提供相同的1.55直径比和高18 Nm/cm3的扭矩密度。“实验室挤出机需要有以非常低的进料速率运行的能力,例如5-10公斤/小时,以筛选原材料,但也要有以50-100公斤/小时的更高产能运行的能力以复制生产条件。”工艺技术总监Adam Dreiblatt说。

“通过CXE26和CXE32成型部分的拉杆设计,可以灵活地重新配置料筒,进而对不同的进料和/或排气位置进行评估以进行工艺开发,”他说,“实验室挤出机的螺杆和料筒的金属通常不如生产线重要,因为它们通常不是7天24小时全天候运行。但是,在某些特定应用(例如含氟聚合物)中,必须考虑使用结构材料。CPM挤出集团为CXE系列挤出机提供业内最广泛的金属。”

作为CXE型号经济高效的替代品,CPM挤出集团还提供实验室规模的RXT系列机器。RXT26和RXT32机器采用与CXE型号相同的1.55直径比设计,螺杆转速高达900rpm(CXE型号可提供最大1200rpm的转速)。


CPM现在提供实验室规模的RXT作为具有成本效益的CXE型号替代方案(图片来源:CPM挤出集团)


这些新的RXT型号采用 Allen-Bradley或西门子的控制平台,两者都可以通过集成的VPN路由器提供服务。对于磨损/腐蚀性材料的改性应用,有多种螺杆和料筒材料可供选择。Dreiblatt表示,新的RXT型号旨在为产品和工艺开发提供与CXE系列实验室挤出机相同的工艺灵活性和可扩产性,但更适合预算有限的小型/初创公司。

实验室改性

Buss将推出其Compeo 44实验室规模的混炼机。该公司表示,它正在响应其材料供应商和学术客户对用于概念验证研究的设备的需求以及需要研发能力为新兴市场和应用进行长期创新的制造公司日益增长的需求。

考虑到电动汽车电池材料的开发,Buss明年将推出Compeo 44实验室混炼机(图片来源:BUSS)


Buss表示,灵活性是实验室改性配混机器的主要要求。创新与数字化主管Krischan Jeltsch博士说:“关键需求包括在加工条件、材料使用、少量物料的计量以及在借助温度、产量及一般参数加大规模方面的灵活性。此外,方便的占地面积和尺寸,以及记录和显示所有工艺参数的能力,都是重要的要求。”

据Buss称,目前实验室改性配混机器的主要开发兴趣包括少量物料的计量,这需要通过选择正确的外围设备进行仔细调整。其它主要兴趣领域包括高温材料应用、纤维增强生物聚合物复合材料和高性能工程塑料。

Compeo 44实验室混炼机专为满足这些研发要求而开发。据Buss称,Compeo 44的设计将支持其传统市场(例如用于电线和电缆的 HFFR改性材料、PVC改性材料、 母粒和粉末涂料)中未来的创新应用,同时也将针对不断增长的电池复合材料领域。

Maris为实验室和小批量混炼应用开发了TM20 Hi-Tech同向旋转双螺杆挤出机,应用范围从一般改性材料、技术改性材料到聚合物合金、反应挤出以及颜色和添加剂母料。该公司表示,该挤出机通过使用可互换和模块化的机械组件提供快速的配置更改。据说该机器还很安静,使其适用于教育和研究组织等非工业环境。

该机器的特点包括闭环水冷回路和电加热,而机筒和螺杆元件材料可以从多种氮化、防腐和耐磨钢材中选择。螺杆几何结构是一种自清洁的双叶设计。

Maris开发了TM20 Hi-Tech同向旋转双螺杆挤出机,用于实验室改性(图片来源:MARIS)


电气柜位于机架内部,这使TM20 Hi-Tech挤出机占地面积小。它装有主电机调速器、PLC、辅助电机驱动器、变压器、用于控制加热元件的固态继电器和用于控制电磁阀的继电器。操作面板安装在固定于主机架顶部的摆臂上,便于访问挤出机控制参数。本机采用西门子PLC系列S7控制器。

* 本文由荣格独家翻译自AMI《配混世界》


原创声明:
本站所有原创内容未经允许,禁止任何网站、微信公众号等平台等机构转载、摘抄,否则荣格工业传媒保留追责权利。任何此前未经允许,已经转载本站原创文章的平台,请立即删除相关文章。

收藏
推荐新闻