同向旋轉(zhuǎn)嚙合雙螺桿擠出機(jī) (TSE) 特別適用于加工彩色顏料母料，具有在高吞吐率下分散、提高顏料負(fù)載水平、螺桿和機(jī)筒部件使用壽命長以及機(jī)器操作簡單等優(yōu)點。
但不可忽視的是，色母粒的加工有其自身的一系列挑戰(zhàn)，例如原材料的處理、顏料的分散以及顏色變化之間的清潔度。本文將探討可用于生產(chǎn)高質(zhì)量色母粒的雙螺桿擠出機(jī)工具，提高產(chǎn)量和產(chǎn)品質(zhì)量的同時克服加工挑戰(zhàn)的技術(shù)。
TSE 可以被視為一個“工具箱”，為操作員或工藝工程師提供高度靈活的各種部件，這些部件可以修改和/或移動以適應(yīng)特定的共混任務(wù)。生產(chǎn)高質(zhì)量的顏料分散體已在 TSE 上得到廣泛證明，但并非每種顏料的行為和加工方式都相同。顏料的處理方式以及它們在擠出機(jī)內(nèi)的加工方式對于產(chǎn)品的性能至關(guān)重要。
另外，TSE，即使被視為一個設(shè)備整體，也包括獨(dú)立單元操作的維度。要了解如何獲得性能優(yōu)良的產(chǎn)品，須仔細(xì)研究 TSE 的每個單元操作。
本文將主要關(guān)注母粒共混的分流法，而不是預(yù)混法，盡管這兩種方法都是生產(chǎn)彩色顏料母粒的可接受方法。
上游進(jìn)料
喂料機(jī)可以提供各種雙螺桿和單螺桿配置，具有各種螺桿設(shè)計以適應(yīng)各種材料。
將喂料器定位在擠出機(jī)上方，對于較大程度地減少原料的流化和困氣起著非常重要的作用。大量空氣與粉末一起被夾帶(與顆粒相比則不多)，需要一個可以逸出的地方。如果沒有過濾網(wǎng)或中央抽吸系統(tǒng)連接到進(jìn)料系統(tǒng)，則從擠壓機(jī)逸出的氣體將阻礙原料的進(jìn)料。
關(guān)于原料困氣，進(jìn)料器在擠出機(jī)上方的高度定位也很重要。一旦原料進(jìn)入進(jìn)料器，粉末就有機(jī)會壓實一點，增加其堆積密度。當(dāng)喂料器開始喂料時，根據(jù)擠壓機(jī)上方的高度，原料會充氣，這反過來會降低體積密度，導(dǎo)致進(jìn)料量出現(xiàn)問題。
根據(jù)經(jīng)驗，通常不應(yīng)超過15%的顏料粉末進(jìn)入擠出機(jī)的主喂料口，以防止投料出現(xiàn)問題。但是，如果已經(jīng)有彩色顏料的顆粒母粒形式可用，則不會遇到進(jìn)料問題。
對于高于20%甚至高達(dá)80%的彩色顏料粉末負(fù)載，強(qiáng)烈建議通過主進(jìn)料器和側(cè)進(jìn)料器分開進(jìn)料，其中多個側(cè)進(jìn)料器可以定位在下游以添加彩色顏料。
熔融
TSE內(nèi)的熔融聚合物受到許多因素的影響，包括外部加熱、內(nèi)部摩擦和/或聚合物熔體的熱傳遞。TSE 設(shè)置有不同的工藝段，包括內(nèi)部過程的加熱和冷卻，能量在這些區(qū)域被吸收到系統(tǒng)中或從系統(tǒng)中移除。當(dāng)然，隨著擠出機(jī)尺寸的增加，外部加熱的效果會因表面積與體積比的降低而降低。
另一個影響是擠出機(jī)內(nèi)部聚合物顆粒或粉末顆粒之間或材料與螺桿元件之間發(fā)生的內(nèi)部摩擦。例如，摩擦和剪切應(yīng)力發(fā)生在捏合塊的狹窄間隙中，這受安裝的螺桿型材類型以及吞吐量和擠出機(jī)螺桿速度的影響。聚合物熔體中的熱傳遞有助于封裝任何未熔化的聚合物，以幫助形成熔體。
分段式螺桿元件提供多種功能，可以在軸上組裝在一起以適應(yīng)單元操作。
捏合和混合區(qū)的設(shè)計取決于所加工聚合物的類型，但可以包括各種捏合元件。這些可以包括三頭和兩頭的45°(輸送)捏合元件、兩頭90°(中性)捏合元件和/或左旋(保持)捏合或輸送元件。
這些螺桿組合提供了必要的機(jī)械能和停留時間，以在聚合物向下游移動之前有效地熔化和均化聚合物。左旋(保持)元件對 TSE 內(nèi)的熔體加壓，將此部分設(shè)計為不會過度剪切和降解聚合物非常重要。同樣重要的是要注意，一旦材料離開熔化段，它應(yīng)該熔化，以便為下游引入的彩色顏料提供足夠的潤濕。
隨著TSE技術(shù)的進(jìn)步，螺桿元件設(shè)計已經(jīng)有空間偏離在行業(yè)中廣泛使用的經(jīng)典Erdmenger螺桿元件輪廓。這些所謂的“漸開線螺桿元件”的幾何形狀發(fā)生了變化，同時保持了同向旋轉(zhuǎn)TSE中的自擦拭輪廓。在熔化段和下游混合段中使用漸開線元件減少了標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計中觀察到的填料摻入限制。漸開線元件使用戶能夠?qū)⑻盍匣虿噬伭纤腿隩SE的主進(jìn)料中，同時降低熔化不充分的風(fēng)險。
關(guān)于下游混合，漸開線元件的使用也可以減少填料摻入不足的限制。總的來說，漸開線元件是用戶可以用來克服在混合大量填料或顏料時遇到的限制的一種工具。
側(cè)喂料
前面提到，根據(jù)配方中彩色顏料的載量，可以將一些彩色顏料添加到TSE的主進(jìn)料中，可達(dá)15%左右，具體取決于其顆粒形狀和大小。
但是當(dāng)考慮到彩色顏料的高負(fù)載量(高達(dá) 80%)時，TSE的主進(jìn)料器和位于下游的側(cè)進(jìn)料器(有時是多個側(cè)進(jìn)料器)之間的材料可能會“分開進(jìn)料”。分次進(jìn)料的比例取決于物料的種類和裝載量；找到有效的方法是一種平衡行為。
混合/排氣
熔化部分是在TSE上生產(chǎn)彩色顏料分散體的一個非常重要的工具，下游混合部分也是如此。一旦有色顏料有效地引入TSE并且聚合物熔體對顆粒進(jìn)行適當(dāng)潤濕，下游混合部分的設(shè)計對于分布和分散有色顏料至關(guān)重要。前面提到，當(dāng)進(jìn)入下游側(cè)進(jìn)料器時，空氣確實會被顏料粉末夾帶，其中一些空氣通過側(cè)進(jìn)料器桶本身上的上游通風(fēng)口回流。
然而，大部分夾帶的空氣實際上進(jìn)入了下游混合部分，如果設(shè)計不正確，可能會導(dǎo)致夾帶的空氣向后移動并返回到側(cè)進(jìn)料器，從而阻礙材料流動。下游混合部分的目的是用熔體潤濕顏料，并將夾帶的空氣輸送到下游，在那里可以放置一個大氣通風(fēng)口讓空氣逸出。
脫揮發(fā)分
現(xiàn)在產(chǎn)品已經(jīng)完成大部分上游單元操作，材料即將離開擠出機(jī)并進(jìn)入下游設(shè)備。有時會被忽視的一個區(qū)域是機(jī)器的脫揮發(fā)分(或脫氣)部分。這是一個重要的單元操作，因為當(dāng)材料經(jīng)歷真空應(yīng)用時，氣泡和/或揮發(fā)物從聚合物熔體中剝離，提供無孔且致密的顆粒。
如果顆粒中存在孔隙率，它會影響成型部件的強(qiáng)度和耐用性。TSE 提供了一種相當(dāng)簡單的真空應(yīng)用方法，它由一個開放(或通風(fēng))桶和一個連接到分離罐(或冷凝器)和真空泵的真空圓頂組成。
在某些情況下，無論應(yīng)用何種真空度或使用何種擠出機(jī)螺桿速度，材料仍會從真空排氣口逸出，堵塞排氣口并阻止充分的脫揮發(fā)分。在這種情況下，有時稱為側(cè)脫氣裝置的設(shè)備將用于幫助將材料保留在擠出機(jī)內(nèi)，同時讓氣體逸出以進(jìn)行適當(dāng)?shù)拿摀]發(fā)分。
加壓和造粒
工程師通常不會花太多時間來考慮TSE的增壓部分的設(shè)計。該部分中的聚合物流是由于螺桿旋轉(zhuǎn)而朝向螺桿尖的阻力流和遠(yuǎn)離TSE排放口的上游壓力流的組合。請注意真空端口的位置，因為過多的壓力積累會導(dǎo)致脫揮發(fā)分問題。
通常，色母粒的造粒將涉及線料或水下造粒。接近 80% 的較高著色顏料負(fù)載量可能會導(dǎo)致線材非常脆，在這種情況下，水下造粒將是更好的選擇，但這需要根據(jù)所使用的顏料類型進(jìn)行判斷。
