行星擠出機簡介及其研究進展

金恒義，薛 平，金志明，徐樹勛

（1.北京化工大學塑料機械及塑料工程研究所，北京 100029； 2.北京華騰佳和科技有限公司，北京 102308）

行星擠出機簡介及其研究進展

金恒義1，薛 平1，金志明1，徐樹勛2

（1.北京化工大學塑料機械及塑料工程研究所，北京 100029； 2.北京華騰佳和科技有限公司，北京 102308）

簡要地介紹了行星擠出機的發展歷史、結構組成、工作原理及其特點；較為詳細的總結了近年來行星擠出機理論及實驗的最新研究進展；列舉了行星擠出機的傳統應用領域及最新的應用領域。最后，對其應用前景進行了展望。

行星擠出機；結構原理；研究進展；應用領域

擠出成型具有生產率高、能耗低、適應性強、用途廣泛等優點，幾乎適合于所有聚合物材料的加工。螺桿擠出機是聚合物加工最基本的裝備之一[1]。然而，傳統的螺桿擠出機有許多局限性。如常規的單螺桿擠出機混煉功能弱,加工粉料能力較差；再如雙螺桿擠出機較難克服螺桿背壓較低現象，無法加工密實性較高的透明型物料[2]。考慮到傳統擠出機存在的局限性，人們提出了多螺桿擠出機概念，行星擠出機就是其中非常重要的一種。行星擠出機出現于上世紀 50年代，最早由德國的維特洛克發明并由Entex公司完善工藝。我國于上世紀80年代引進行星擠出機，九十年代后實現自主化生產，目前國內生產該機型的企業已有十余家。行星擠出機擠出的熔體具有塑化效果好、各組分混煉均勻的特點。行星擠出機可用于加工工藝要求較高的物料，諸如 PVC這類熱敏性樹脂以及其它難以加工的樹脂。國外企業將行星擠出機用于加工回收物料也取得了不錯的效果[3]。圖1為行星擠出機的結構簡圖。

1 結構組成及工作原理

常規的行星擠出機由四部分構成，分別是加料系統、傳動系統、熔融塑化系統和溫度控制系統。與普通單、雙螺桿擠出機相比，行星擠出機最主要的區別在于擠出機螺桿的螺旋中段（塑化段）或整個螺桿為行星式結構。行星段是行星擠出機最重要的部分,該段使物料熔融、混煉。行星段由一條主螺桿，若干條行星螺桿以及內壁開齒的機筒構成。行星段的機械強度要求較高，它們均由高拉伸強度與耐磨的合金鋼（如SACM645、38CrMoAl等）制成。行星螺桿與機筒齒間間隙約為0.2～0.4 mm。行星螺桿數量與行星段的直徑成正比，通常為7～18條。

圖1 行星擠出機結構簡圖Fig.1 Structure diagram of planetary extruder

生產時,主螺桿驅動周邊的行星螺桿象行星一樣轉動，使得行星螺桿“浮動”于主螺桿與機筒內齒之間。行星段螺旋齒具有45°的螺旋角，主螺桿轉動時會產生軸向力,使行星螺桿軸向前移動[3]。因此，在行星段機筒的末端裝有止推環，止推環鍍有耐磨層或由硬質合金制成,可以提高耐磨性。

行星螺桿混煉塑化物料的方式：物料由加料段螺紋推到行星段，在其后部螺桿進料的連續強力推動下，向螺桿前方機頭擠出處移動，從主螺桿和機筒間的內螺紋齒間和與其嚙合的行星螺桿齒間通過。行星段中各螺桿不斷轉動，使物料在相互嚙合轉動的螺紋齒的間隙中受到強烈的擠壓、輾伸和剪切等多種力作用。物料在此段不斷地被翻動、混合，最后成熔融狀態，被均勻塑化，逐漸被推向螺桿前段，從機頭擠出。圖2為行星擠出機上的多功能環。

圖2 行星擠出機上的多功能環Fig.2 Multi ring for planetary screw extruder

2 行星擠出機的特點[4,5]

（1）流道無死角，自潔作用強。行星螺桿、主螺桿和機筒間的自掃作用，使其具有很好的自潔能力，物料不會停滯分解。易于更換物料，加工物料所需更換的顏色、配方較單螺桿要少。

（2）熱交換面積大。行星段的主螺桿和內嚙套筒均通過油加熱，該部分與物料直接接觸，故該機的熱交換面積為主螺桿的表面積與內嚙套筒的內表面積之和。行星擠出機的熱交換效率非常高。

（3）物料以薄膜形式進行熱交換。該方式可獲得較高的熱傳導效率，通過調整熱媒溫度實現物料溫度的精準控制。傳統單、雙螺桿擠出機控制塑化程度和溫度時須改變電動機的轉速和功率輸出，較難實現穩定控制。

（4）嚙合次數高。嚙合作用通常與螺桿的轉速成正比，嚙合次數高則物料受到的剪切、擠壓和攪拌次數高，進而提高了物料的混煉效果。該機型具有良好的分散混合和分布混合能力，可用于共混、填充改性。

（5）物料停留時間短。相同擠出量時，物料在常規單螺桿擠出機中的停留時間約為40～70 s，物料在雙螺桿擠出機的停留時間約為30～60 s，而行星擠出機的物料停留時間僅為20～40 s。物料不會因停留時間過長分解。

（6）生產能耗低、經濟效益好。相對于同規格的單、雙螺桿擠出機，它們的傳熱面積分別是行星擠出機的 25%和 50%左右，故行星擠出機用于聚合物加工時，其能耗較低。

（7）良好的排氣性能。行星擠出機通常在物料充滿的狀態下工作，物料的自由表面積大且更新頻繁，利于氣體的排出。對于雙階機，通過調節兩階擠出機的螺桿轉數對兩階機的擠出量進行調配，實現穩定擠出，可減少因排氣造成的冒料或缺料。

（8）產量高、適用性強。影響行星擠出機擠出過程的可調參數有：行星螺桿的根數、止推環截面積、螺桿轉速、物料溫度、物料特性以及強制加料器的螺桿轉速。可以通過調節這些參數來適應不同的需求。

3 研究進展

自維特洛克發明出第一臺行星擠出機至今已有半個多世紀，研究人員從未停止過對其熔融塑化機理研究和結構功能改進的工作。由于行星擠出機特殊的結構組成，研究人員對其了解還相對較少。近些年，科研人員對其機理和結構進行了一些探索。

Andreas Limper等[6]通過實驗研究了行星擠出機的塑化效果。研究人員發現,物料的熔融塑化是通過剪切熱和傳導熱實現的。物料在行星螺桿之間，行星螺桿與機筒之間反復輥壓實現熔體的均化。物料的輸送過程包括螺旋齒對物料的推進，壓力-拖曳流動和空隙中的流動。行星段45°螺旋角的螺旋齒使得物料在螺旋槽里往前輸送，同時也受到橫向混合的作用。研究人員通過對比實驗獲得了行星擠出機不同工藝和物料參數下的的壓力-產量關系，停留時間特性及熔融塑化能力。

徐能等[7-8]通過實驗研究了 HT140行星擠出機的加工性能。他們研究了不同工藝參數和結構參數對行星擠出機的機頭壓力、熔體溫度、物料最短停留時間和功耗等加工性能的影響及改變工藝參數后的不平衡狀態中產量壓力的變化。同時，他們也進行了有關產量的分析研究。可變的工藝參數包括喂料速度和主螺桿轉速，結構參數包括口模內徑和行星螺桿數量。他們分析了上述工藝參數和結構參數產生影響的具體方式和原因，為今后行星擠出機的實踐工作提供了一些依據。

劉琦云等[9,10]對國產行星擠出機的幾個重要技術參數進行了分析計算，解決了行星擠出機設計中的嚙合次數、熱交換面積、螺旋角β及行星螺桿系間隙等問題。通過理論計算，他們得出了行星螺桿系靜態時嚙合點數與工作時總的嚙合次數。計算表明,與同規格單螺桿擠出機相比，行星擠出機的熱交換面積為其熱交換面積的6.5倍。通過對凈流率影響、停留時間分布、界面增長以及熔體輸送消耗功率的理論分析，研究得出行星擠出機螺旋角β取45 °為宜。通過模擬計算得出，行星螺桿系間隙在0.4～0.6mm時，生產率和混合質量達到最佳狀態。行星螺桿間的間隙對生產率產生較大影響, 設計中應盡可能予以減少。此外，通過增加行星螺桿的數量，增加螺桿齒數及模數也可提高生產率。

劉晶等[11,12]通過POLYFLOW軟件模擬了行星擠出機的混煉效果。運用POLYFLOW 軟件，他們對行星螺桿模型中物料的剪切速率、分散準數和停留時間分布進行了數值模擬。分析了行星螺桿的數量、轉速對物料的剪切速率、拉伸速率以及物料在軸向和徑向截面混合效果的影響。同時，研究人員以HT140行星擠出機為實驗平臺進行了相關實驗，并將理論模擬與實驗機所制得的樣品電鏡掃描結果進行對比分析，揭示行星螺桿擠出機的塑化混煉效果。

徐百平等[13]對單螺桿螺槽內流體進行數值模擬及相關實驗。他們提出了一種將混沌流動引入到單螺桿擠出中的方法，通過該方法他們研制出了一種所謂嵌入式行星螺桿擠出機。嵌入式行星螺桿是將小螺桿嵌入到主螺桿中，該方式與傳統的行星擠出機大不相同。這種構型可以對物料進行持續性的擾動，引發混沌對流，提高物料分布和分散混合效果，還具有很好的自潔性。研究人員運用計算流體動力學技術，對嵌入式行星螺桿擠出機進行了相關數值模擬， 研究了該擠出機熔體輸送段流場的運動。通過使用流線示蹤技術和停留時間分布函數，他們表征了流場內的混沌效應，同時研究了混沌流對物料的混合作用。

MRS高脫揮擠出機[14]。德國Gneuss公司參照行星擠出機，發明了MRS高脫揮擠出機。MRS擠出機的結構原理與普通行星擠出機較為相似，不同之處在于其每個行星齒輪的前端都延伸出20D以上長度的單頭螺桿，行星齒輪僅起傳動作用，依靠延伸的小螺桿混煉。其主要特點是具有更大的自由膨脹空間，便于脫揮。國外企業將 MRS高脫揮擠出機應用于PET 產業，能在熔融相將水分排出，使PET達到化學平衡，并保持所需的聚合物鏈長，且無需進行物料的預干燥[15]。圖3為MRS擠出機的塑化混煉單元。

圖3 MRS擠出機的塑化混煉單元Fig.3 Plasticating and mixing unit of MRS extruder

鄒昌鳳[16]申報的專利中介紹了一種行星螺桿流涎擠出機。該機型組成包括喂料部分、預熱部分、行星塑化段、單螺桿擠出、過濾裝置、增壓計量、模具等部分。該項發明可用于生產加工結晶體材料，且不需要使用結晶干燥除濕機，節約了大量的能源。該設備還能 100%回收材料二次加工，有利于保護環境。行星螺桿流涎擠出機結構簡圖如圖4。

圖4 行星螺桿流涎擠出機結構簡圖Fig.4 Planetary screw salivated extruder structure diagram

胡建明等[17]實現了行星擠出機溫度的精確控制。研究人員使用溫度傳感器PT系列進行溫度采集，并將采集到的模擬信號通過單片機 SPCE061A集成的A/D轉化為數字信號，采用16次平滑濾波進行數據處理,同時采用了數字PID控制，設計出了精密油溫控制系統。研究人員將其應用于行星擠出機的溫度控制系統，達到了對行星擠出機溫度精密控制的要求。

4 行星擠出機的應用

4.1 行星擠出機的傳統應用領域

（1）作為壓延生產線的喂料裝置。行星擠出機最典型的應用是用于 PVC壓延法生產的喂料裝置。對于諸如不同類型的PVC、ABS、氯乙烯共聚物、PP以及橡膠等物料的加工，其要求擠出機能夠擠出塑化質量高、混煉均勻的熔體，并且使熔體的停留時間盡可能較短。行星擠出機能滿足以上要求。將行星擠出機用作壓延生產線的喂料裝置時，應設置過濾網。

（2）利用行星擠出機粉料造粒。將行星擠出機與單螺桿擠出機進行組合，組成雙階擠出機。雙階擠出機能以較低溫度生產高質量的粒料，并且不需要設置過濾網。

（3）行星擠出機用于擠出薄膜。經行星擠出機塑化混煉的熔體，在窄縫機頭處形成了厚度約為1～2 mm的熔體層。通常，在機頭處加裝3輥或者5～6輥就可以利用混煉的熔體實現薄膜的生產[3]。

（4）行星擠出機應用于塑料的改性。張劍等[18]將行星擠出機應用于聚烯烴等熱塑性塑料的改性，制得了高性能的塑料。

（5）行星擠出機用于木塑復合材料。德國Battenfeld公司開發了塑木材料加工用的新設備組合方法[19]，擴大了其服務和應用范圍。北京化工大學研究人員將行星擠出機應用于木塑復合材料的加工，制的了性能良好的復合材料制品。

（6）行星擠出機在管材、吹塑等生產中的應用。行星擠出機的結構比較獨特，其加料段等同于普通的單螺桿擠出機的加料段。加料段只能建立很低的壓力，行星段的螺槽中僅部分充滿物料。進料端采用雙螺棱結構，該結構可以提高行星段供料的均勻性。一般帶有強制加料裝置。加料段部分的機筒有水冷系統，在與行星段連接處有隔熱層。加料速度與螺桿傳送速度應協調好，保證行星段物料的部分充滿。

4.2 行星擠出機的最新應用領域

行星擠出機應用于新型高聚物復合材料軌枕的成型技術[20]。傳統的木質軌枕和水泥軌枕有很多缺點，諸如木質軌枕容易老化、使用壽命較短、更替頻繁；水泥軌枕的密度很大，并且價格是木質軌枕的兩倍以上維修費用也相對較高。相比而言，新型高聚物復合材料軌枕的密度與木質軌枕相當，耐腐蝕性強、使用壽命長、維修費用相對較低且其力學性能十分優越，可以用來替代木質軌枕和水泥軌枕[21]。北京化工大學研究人員將行星擠出機用于新型高聚物復合材料軌枕的成型技術，制得了高性能的高聚物復合材料軌枕。由于該機型具有分散、分布效果好，塑化效能高產量大等優點，故該領域有望進一步發展。

行星擠出機應用于太陽能光伏 EVA板材的生產[22]。EVA電池板有較高的電絕緣，強度，透明和抵抗紫外線的要求。EVA板材的生產，要求塑料原料顆粒必須在不超過 150 ℃下與幾種添加劑（助劑）一起柔和塑化。巴頓菲爾辛辛那提行星擠出機能在低溫加工生產中達到高效分散和均化性能，這一優點能夠很好的滿足 EVA板材生產的要求。巴頓菲爾辛辛那提的PWE250行星擠出機每小時可生產EVA板材2 t。該機型的應用極大的提高了EVA板材的生產效率。

行星擠出機應用于制藥工業[23]。現代醫藥熱熔制粒技術借助于機械工程、計算機工程等相關科學技術的發展成果，促進了自身設備的不斷更新與完善；醫藥用高分子材料學的進步，也為該技術提供更多的熱熔性輔料。熱熔制粒設備的發展同樣重要。行星擠出機具有捏合質量好，工作效率高，節能省時的優點，可擠出溫度較低且分布較均勻的顆粒。將行星擠出機應用于醫藥熱熔制粒技術中，能極大的提高產品的產量和質量。目前，國外一些大型醫藥公司已經開始從事該方面的研究工作。圖 5為組合式行星擠出機。

圖5 組合式行星擠出機Fig.5 Combined type planetary extruder

5 結束語

隨著人們對制品和生產效率要求的提高，行星擠出機以其優異的性能日益受到人們的重視。目前，行星擠出機的理論研究主要集中在參數計算和塑化效果方面；結構研究包括增加行星段的長度，行星擠出機與不同的擠出設備組合等。行星擠出機廣泛地應用于各種領域，除了典型的塑料工業，在食品加工工業、化學工業、顏料（涂料）工業等領域也得到了應用。此外，行星擠出機建壓能力較弱，對于如何利用單機實現復雜制品的生產還有待研究人員的進一步努力。

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Introduction and Research Progress of Planetary Extruders

JIN Heng-yi1, XUE Ping1, JIN Zhi-ming1, XU Shu-xun2
(1.Institute of Plastic Machinery and Engineering, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029, China; 2. Beijing Huatengjiahe Technology Co., Ltd., Beijing 102308, China)

The development, structure, working principle and characteristics of planetary extruders were briefly introduced; the theory and research progress of planetary extruders were summarized in detail; Traditional applications and the latest applications of planetary extruders were also listed. Simultaneously, application prospect of planetary extruders was discussed.

Planetary extruder; Structure and perinciple; Research progress; Application field

TQ 171.77

A

1671-0460（2014）11-2331-05

2014-04-14

金恒義（1987-），男，江蘇泰州人，研究生在讀，研究方向：組合式行星擠出機的研究。E-mail：jhy178673046@126.com。

金志明（1968-），男，浙江平湖人，副教授，研究方向：聚合物注射成型和特種工程塑料加工研究。E-mail： jinzm@mail.buct.edu.cn。電話：010-64436016