行星擠出機應用于木塑復合材料的實驗研究

摘 要：本文首先概述了木塑復合材料的主要成分、優良特性和使用原因。接著系統地介紹了木塑復合材料的應用領域及行星擠出機在木塑復合材料生產的發展，其中成型裝備中主要介紹了專用單螺桿和雙螺桿加工設備及行星擠出機在該領域的優勢，并對行星擠出機在木塑復合材料的發展領域進行了展望，試驗部分是對行星擠出機外套的傳熱關系進行了分析。

關 鍵 詞：木塑復合材料 行星擠出機

1.引言

目前世界各國塑料回收產業正廣泛興起，英國廢舊塑料回收率80%，美國廢舊HDPE的回收率為30%，日本的廢舊塑料回收率為49%，而我國的廢舊塑料回收率較低，僅為15%左右。隨著我國國民經濟持續高速發展，關于治理“白色污染”，提高廢舊塑料再生利用，保護環境的呼聲日漸強烈，廢舊塑料的回收利用日益引起廣泛重視。因此，開拓廢舊塑料應用領域、開發研究廢舊塑料加工技術和設備也就顯的更為迫切。

木塑復合成型擠出是聚合物成型加工中的一種，兼有木材和塑料的雙重特性，并且它是一種環保材料，可回收再利用，且原料廉價，起到減少環境污、保護森林資源、促進經濟發展，當今社會，環保的概念及意識已成為技術研發過程中一個必不可少的考慮因素。

行星擠出機在上世紀年代出現，最早由歐洲研制。上世紀八十年代引進我國，九十年代后開始自主生產，目前國內已有多家廠家生產行星擠出機，其應用也很廣泛。行星擠出機能擠出塑化、混煉均勻的高質量熔體，適于加工多種物料，尤其適于加工像PVC這類熱敏性樹脂或其它難以加工的樹脂，還能加工回收料。

從工業實際應用角度分析，通常對于木粉無法進行較為復雜的處理。因為木粉的來源主要是周邊農村，而且出于經濟的考慮，有些木粉原料是經過磨碎處理的粗纖維，實際應用中，要想在經濟上和時間上都能滿足的處理方法都比較難實現，因此需要所選的擠出機必須具有很好的混煉功能。

2. 木塑復合材料的成型方法

木塑復合材料的成型方法有擠出成型、注射成型和熱壓成型，其中擠出成型具有加工周期短、效率高、成型工藝簡單的優勢，在工業生產中具有廣泛的應用。用于木塑復合材料擠出機成型的設備主要是單螺桿擠出機、錐形雙螺桿擠出機、同向和異向旋轉平行雙螺桿擠出機，以及由北京化工大學研制的串聯式圓盤擠出機等機型加工。

傳統的單螺桿擠出機有很多局限性，比如單螺桿擠出機混煉功能弱，難以用于加工粉料，產品的品質不易控制，產量相對降低。作為混煉使用的同向雙螺桿擠出機同樣無法克服螺桿的背壓較低現象，因而在原料的選擇上多用來加工密實性較低的塑料原料，而無法加工密實性較高的透明型物料。由于塑料不良的熱傳導性，大直徑的單螺桿或雙螺桿擠出機（<130 mm 以上） 中由于每個螺槽料腔中物料受熱不均，從而引起不均勻塑化。這個問題不可能通過增加螺桿轉速來加以解決，因為這易引起局部過熱，導致流痕變粗。雖然也可以通過適當加大螺桿長徑比來解決，但這也有局限性，并且進一步加大了螺桿懸臂引起的諸多負面影響[1]。于是人們開發出一些多螺桿擠出來克服這些局限性，行星擠出機就是其中非常重要的一種。

行星擠出機是多螺桿擠出機的一種，其塑化和熔融混煉效果好、停留時間短、產量高、能耗低、添加的助劑分散效果好，最早由德國Chemische Werke Huels公司在20世紀50年代發明，并應用于PVC生產的壓延線上。行星擠出機有如下優點：1、塑化質量好；2、流道無死角，自潔性能好；3、使用壽命長；4、運行費用低；5、助劑成本低；6、節約電能。由于加入的木材填料大部分為粉料，塑料基體和木粉之間并不能形成理想的混煉體，也不能均勻一致的加入到擠出機中，這就不可避免地出現“架橋”和“抱桿”現象。特別是木粉中含有較多水分時，現象更為明顯。加料的不穩定性直接可以導致產量低等問題，然而，行星擠出機最大優勢正是塑化混煉效果好，它的塑化效果絕對優于單螺桿擠出機和雙螺桿擠出機，因為行星擠出機全部嚙合螺桿的總嚙合次數非常高，所以物料在擠壓、剪切和攪拌的次數非常多，達到很好的塑化混煉效果，通過降低設備成本，從而獲得更好的經濟效益。

在擠出成型的木塑復合材料制造過程中， 擠出機是實現木塑復合材料制造的關鍵設備。其性能不但對材料的物理力學性能也對單位時間內的產量產生很大的影響， 由此影響到單位能耗和生產成本等。通常用于木塑復合材料生產的擠出機型主要為單螺桿擠出機和錐形雙螺桿擠出機。擠出機的主要作用為： 完成物料的進一步塑化， 提供溫度均勻與組分均勻的熔體， 進行穩定、可控制的輸送， 從而實現生產的進行。

為了研究如何提高行星擠出機的塑化效果也是同樣值得研究的問題，主要是塑化段外套傳熱效率如何提高，相關參數的計算與傳熱學相聯系。

3. 行星螺桿擠出機的研制實驗研究

圖1為我們研制的行星螺桿擠出機的試驗機。

行星擠出機最重要的部分為行星段，其主要起使物料熔融、混煉的作用。該段由一條主螺桿，若干條行星螺桿以及壁內開齒的機筒構成，這三個部件是行星擠出機關鍵的三大件。它們都由高拉伸強度與耐磨的臺金鋼制成。螺桿與機筒的齒之間的間隙一般為0.2～0.4mm。行星螺桿的條數與行星段直徑成正比，一般為6～18條。產量與行星螺桿根數成線性關系。生產過程中，旋轉的主螺桿驅動行星螺桿象行星一樣轉動，使行星螺桿“浮動”在主螺桿與機筒內齒之間。由于行星段螺旋齒有45℃的螺旋角，所以，主螺桿轉動對會產生軸向力，使行星螺桿軸向往前移動，因此，在行星段機筒末端設置一止推環， 其內徑應小于行星螺桿圓心所成之圓的直徑。止推環鍍有耐磨層或由硬質臺金制成， 以提高耐磨性能，一般通過單獨的面環來加熱止推環。行星段螺桿的總直徑等于主螺桿直徑與兩倍行星螺桿直徑之和。進料段與行星段之間設置隔熱層，以使該兩段機筒的溫度不互相影響。

本文研究內容為塑化段外套壁厚改進前后的比較計算。行星擠出機外套改進后的傳熱效率估算時的基本參數為：

材料：35CrMo；傳熱系數：36.7 W/m.K；PVC熔化溫度：185～2050C； PVC模具溫度：20～50C 。

在一維圓管穩定導熱（傳熱率）計算公式可表示為：

Q=-KA（dT / dr），

式中：K是傳熱系數， A=2πrL 是垂直于傳熱方向的面積，dT是溫差， dr是半徑差。經過兩次積分，可獲得以下表達傳熱率的公式：

Q=2πLK（T1-T2）/ln（r2/r1）

其中： T1是圓管外表面溫度，T2是圓管內表面溫度，r2是圓管外半徑，r1是圓管內半徑。

從這個結果很明顯，在空心圓柱體向傳導的熱阻是：

傳熱效率估算

行星擠出機外殼改進前：r2=0.13米，r1=0.110905米；

ln（r2/r1）=0.158860471

行星擠出機外殼改進后：r2=0.125米，r1=0.110905米；ln（r2/r1）=0.119639758

I.假定圓管外表面溫度等于油溫，T1=260+273=533度（K），

內表面溫度等于模具溫度T2=50+273=323度（K）.

圓管長度L=1米 （單位長度）

行星擠出機外套改進前傳熱率

Q（改進前）=2x3.14x1x36.7x210/0.158860471=304669.6瓦

行星擠出機外套改進后傳熱率

Q（改進后）=2x3.14x1x36.7x210/0.119639758=404547.5瓦

行星擠出機外殼改進后傳熱效率的增加

Q（改進后）/ Q（改進前）=1.3278

4.結論：

4.1.行星擠出機外套改進后傳熱效率增加了 32.8%；

4.2.結果表明行星擠出機外套傳熱效率的增加只和壁厚有關。

參考文獻：

[1] 劉琦云，馬維新，劉聯盟，行星螺桿塑料擠出機的內齒筒加工[J]，紡織器材，1999，1， 42～45。

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[3] 張平亮，新型橡膠螺桿擠出機及其應用[J]，橡膠工業，2006，4， 241～243。

[4] 王進文，用行星式螺桿擠出機連續混煉白炭黑填充膠料[J]，世界橡膠工業，2006，9， 32～36。

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