螺杆挤出机生产线研究
罗京科，李志杰
（上海英科实业有限公司，上海201417)
摘要：针对废旧聚苯乙烯泡沫（简称EPS）塑料来源广泛、物料性能不稳定、含有金属和非金属杂质、含有阻燃剂和发泡剂、含水量高的特性，从设备配置、生产工艺和维护使用的角度提出有效的改进方法和完善措施，设计了适应性广、产量高、能耗低、较低剪切速率、较高塑化能力、经济效益显著的双螺杆挤出机生产线。
关键词：废旧EPS塑料；双螺杆挤出机；生产工艺
中图分类号：TQ320.663 文章编号：1009-797X（2019)04-0039-06
文献标识码：BDOI:10.13520/j.cnki.rpte.2019.04.007
1 废旧EPS塑料再生造粒的瓶颈
自人类发明塑料以来，全球已经生产了83亿t塑料制品，这些制品中有63亿t使用后被废弃成为了废旧塑料，其中只有5.7亿t废旧塑料被回收再利用，剩余50多亿t废旧塑料被抛弃在全球的各个角落[1]。目前全球每年产生废旧聚苯乙烯泡沫（EPS）塑料约580万t，其中中国每年产生约180万t，除少数发达国家以外，大多数国家的废旧EPS泡沫塑料并没有得到有效的回收和利用，造成了严重的资源浪费和环境污染[2]。
将废旧EPS泡沫塑料收集后，进行优质再生和改性，开发清洁高效的梯级利用技术和高附加值产品是国内外废旧塑料资源化技术的研究热点。双螺杆挤出机具有良好的剪切、塑化、共混、排气和脱挥性能，物料在螺杆中的停留时间短，适用于众多废旧塑料的再生和改性加工，和常规的单螺杆挤出相比不仅可以提高物料加工的效率和生产率、改善再生粒子的品质，而且可以起到降低能耗，节约成本的目的。
但是废旧EPS塑料来源广泛，具有以下特性：
（1）料性不稳定，含有非EPS树脂杂质；
（2）含有各种金属和非金属杂质；
（3）含有发泡剂或阻燃剂等各种残余助剂；
（4）含水量高；
（5）形状不规则，密度波动大；
（6）经历多次热历程后易降解。
从而导致了双螺杆挤出机再生造粒时的挤出波动大、粒子杂质高、水分超标，而且使得生产效率低、耗能高、原料损耗大、设备故障率高[3]。本文针对废旧EPS塑料的上述特性，对双螺杆挤出机的设备配置、生产工艺和维护使用，提出有效的改进方法和完善措施。
2 双螺杆挤出机生产线的工艺及配置
使用双螺杆挤出机生产线对废旧EPS塑料进行再生造粒，具有工艺简单、PS再生粒子性能得到较好的保持的特点。一条完整的双螺杆挤出机生产线依次包括粉碎、输送、均化、除金属、喂料、双螺杆挤出、过滤、切粒、干燥等工艺流程。
2.1 粉碎
适用于废旧塑料粉碎的设备通常有重型粉碎机和单轴撕碎机，重型粉碎机的出料尺寸为8~16mm，而单轴撕碎机的出料尺寸为40~100mm。因双螺杆挤出机受喂料段螺杆深度的限制，故进料尺寸必须小于12mm，因此选择重型粉碎机来粉碎废旧EPS塑料。粉碎机运行时，出料尺寸越小粉碎的效率就越低，选择粉碎机的出料筛网的孔径为10~12mm，以保证后续双螺杆挤出机进料的稳定和顺畅。
如图1重型粉碎机的腔体内转轴呈开放式，转轴装有带角度的转刀，转刀与定刀之间具有一定的角度呈“X”交叉，具有剪切力大，低能耗且剪切颗粒均匀等优点。
粉碎腔体内有未装偏转楔和安装偏转楔二种方式，未装偏转楔时，进料强劲有力，物料在粉碎机内的第一次切割通常在4点钟方向的位置，物料粉碎完以后迅速从筛网孔掉下，出料快、粉碎效率高。安装偏转楔时，偏转楔与第三把定刀一起安装在腔体顶部，可降低粉碎机所承受的冲击力，起到保护粉碎机的作用，物料在粉碎机内的第一次切割通常在2点钟方向的位置，但是安装偏转楔和第三把定刀以后增加了切割次数，也增加了物料在腔体内的摩擦。废旧EPS塑料熔点低，在70℃时开始软化，故重型粉碎机不能安装有偏转楔，否则容易引起EPS物料因摩擦生热而导致结块。
图1 重型粉碎机的腔体内示意图
2.2 输送
塑料粉碎后常见的输送方式有密闭式管道输送、螺杆输送和皮带输送。密闭式管道输送有风送和管链输送二种，一般适用于熔点高、含粉尘量少、尺寸小且粒径均匀的物料；螺杆输送适应的物料广泛，但是输送螺杆的长度不宜大于5m，否则在当物料充满螺杆的情况下，导致电机负载加大，容易出现卡料的情况或损毁电机；皮带输送，和螺杆输送一样适应的物料广泛，且送料平稳，不容易出现卡料的情况，故障率低。实际使用证明采用皮带输送是废旧EPS塑料粉碎后较合理的输送方式。
2.3 均化
废旧EPS塑料来自于全球几十个国家和地区，有的来源于电脑、电视机等电器类的包装盒；有的来源于盛放水果、蔬菜或海鲜的泡沫盒，有的来源于建筑行业的保温板；有的含有阻燃剂，有的含有残留发泡剂，有的含有抗老化剂等；原料性能的不稳定，进一步加大了双螺杆的挤出波动。采用立式均化料仓，不仅起到粉碎料缓存的作用，而且可以将粉碎后的EPS物料进行混合均化，减少同一批次EPS物料性能的差异。
首先，主轴提升螺杆和螺筒是立式均化料仓的核心，依靠提升螺杆将EPS物料从料仓底部提升至顶部落下，反复循环，从而实现物料的混合均化。提升螺杆和螺筒之间的间隙8~12mm，过小的间隙会导致螺杆和螺筒之间卡料，加大提升螺杆的阻力；过大的间隙会导致回流的物料加大，从而降低混合均化的效率。
其次，主轴提升螺筒在距离料仓顶部200~300mm处开口，并在螺杆上设置一段反螺纹，让提升至料仓顶部的物料及时分散开，避免物料提升过快在螺筒顶部堆积并结块，从而导致异常停机。
再者，粉碎后废旧EPS塑料的流动性差，在均化料仓的下料口应设置强制排料螺杆，避免物料架桥而导致双螺杆挤出机缺料。
2.4 除金属
废旧EPS塑料中往往含有大量的铁、锰钢、钴镍合金、不锈钢、铜、铝等各种金属，一旦金属进入到双螺杆挤出机内，很容易损伤双螺杆的螺纹元件，甚至导致双螺杆的芯轴断裂和传动箱损坏。第一步，通过在粉碎料输送过程中安装磁力架、磁辊筒、除铁皮带的方式将含有的铁、锰钢、钴镍合金等磁性金属剔除掉；第二步，在均化料仓的下料口安装金属分离器，利用电磁感应的原理将含有的不锈钢、铜、铝等其余非磁性金属剔除掉。
2.5 喂料
为了加大粉碎料与双螺杆进料段的接触面积，以利于快速下料，提高挤出量，采用大导程的单螺杆强制喂料装置。喂料电机采用变频调速，单螺杆的转速配合双螺杆主机可调，从而达到喂料量与挤出量之间的平衡和稳定。这种强制喂料装置有防止架桥的作用。
2.6 双螺杆挤出
2.6.1 螺杆直径
双螺杆挤出机的螺杆直径是一个基本的重要参数。螺杆直径的大小，从根本上决定了挤出机规格的大小、生产能力的大小，因为挤出机的挤出量与螺杆直径的平方成正比。也决定了螺槽中物料的剪切速率以及螺杆外径和筒体内壁之间物料的剪切，从而影响到物料的混炼和塑化性能[4]。废旧EPS塑料造粒常采用的双螺杆挤出机有75或95二种型号。
2.6.2 挤出量
当无机头压力的时候，双螺杆挤出机的最大理论挤出量等于单位时间内螺杆转速与一个C形空间体积的2倍的乘积再乘上螺纹头数，即：
Qmax=2m×n×V
式中：m—螺纹头数；
n—螺杆转数；
V—一个C形空间的体积。
双螺杆挤出机的实际挤出量还与螺杆组合、加料口形状、物料特性、加工温度等因素有关。
2.6.3 扭矩等级
同向双螺杆挤出机的传动能力用比扭矩等级T=Md/a³来表示，其中Md为单根螺杆驱动轴的扭矩（N.m），a为双螺杆挤出机的中心距（cm）。比扭矩等级T越高，表明双螺杆挤出机的产量更高、比能耗更低、挤出性能更稳定。
Coperion集团制造的双螺杆挤出机的比扭矩等级按照型号分为三大类，如Coperion南京制造的CTEPLUS系列的比扭矩等级为7.2，STSMC11系列的比扭矩等级为11.3；Coperion德国制造的ZSK系列的比扭矩等级为13.5、15和18。
2.6.4 功率
双螺杆挤出机的功率等于比功耗乘以挤出量，即：
P=Sec×Qmax
式中：P—挤出机的功率；
Sec—比功率；
Qmax—挤出量。
对于大多数再生塑料，比功耗要小于0.17kW/kg[4]。如果实际的比功耗高于此值，相当于一部分能量被冷却介质带走，需要将筒体的冷却水调小；如果冷却能力不够，口模处料温将升高并且很难降低，此时针对EPS物料需要注意物料是否已产生分解。
2.7 过滤
因废旧EPS塑料中含有大量的纸屑、木屑、铝箔、沙石等细小杂质，以致在双螺杆挤出生产线在使用过程中过滤换网间隔时间短、操作频繁、过滤效果不理想，从而进一步导致其再生造粒的生产效率低、PS再生粒子的含杂质量多、应用范围局限等不利局面。针对以上情况，国内外开发研制了众多类型的过滤器，如板式过滤器、柱塞式过滤器、反冲洗过滤器、旋转圆盘式过滤器。但以上过滤器用于含杂质量高的废旧塑料领域时，往往出现过滤换网间隔时间短、操作频繁、过滤效果不理想或者反冲洗去除杂质不彻底、反冲洗效率低等缺陷[2]。
在2018年CHIANPLAS2018国际橡塑展上，奥地利EREMA公司、德国ETTLINGER公司、NORDSON公司和意大利FIMIC推出的高效新型过滤器，在再生塑料的杂质含量5%~10%的情况下，不仅可实现不停机连续过滤，减少了停机时间，确保了双螺杆主机的稳定运行；而且使双螺杆挤出机出料模头处的压力降低至3~5MPa，减少了出料口压力的波动，使得挤出更加平稳；还大幅度减少了物料的损耗，因杂质过滤而损耗的物料从3%降低到了0.5%。表1列出了目前行业中适用于废旧塑料领域的高效新型过滤器的主要生产厂商及其相应产品。
表1 高效新型过滤器的主要生产厂商及其相应产品
2.8 切粒
常见的切粒方式有干式拉条切粒、水下拉条切粒、水环切粒、水下切粒和风冷切粒。因配套新型过滤器后双螺杆挤出机出料模头处的压力仅3~5MPa，而水环切粒、水下切粒和风冷切粒需要出料模头处的压力不低于6MPa，故适用于双螺杆挤出机生产线的切粒方式只有干式拉条切粒和水下拉条切粒二种。
水下拉条切粒机与干式拉条切粒机相比，具有产量高、省人工、断条自动接上不产生废料、切粒规则、不易斜切、水槽短节约空间的优势，其性能对比见表2。
表2 水下拉条切粒机与干式拉条切粒机的性能对比
3 双螺杆挤出机的螺杆组合设计
螺纹头数、螺杆直径、螺槽深度互不相同的螺纹元件和捏合块元件在挤出过程中的建压能力、共混性能和功耗特性方面存在很大的差异[5]。多头螺纹虽然有较高的比扭矩等级参数百分比，但是其自由体积百分比受到局限，从而导致其可能的输送量受到限制；单头螺纹的自由体积百分比较大，但是其螺杆的比扭矩等级百分比较小，从而导致共混性能较弱[6]。另一方面再生塑料在螺杆内受剪切作用时间越长，混合效果越好，但同时也会进一步造成物料的降解。
正向密炼转子的几何结构类似于密炼机转子，在相同的工艺条件下，其流道中物料所受的剪切速率差异较大，很不均匀，增加了跨螺棱的流动，增加了螺槽之间的物料交换，有利于物料之间的分布性混合；跨过螺棱的物料沿螺旋区向体积缩小的空间运动，从而在螺旋区产生拉伸流动，有利于物料之间的分散混合。
在通用螺纹套的螺棱上加工成斜槽形的沟槽即可形成斜槽形螺纹套，斜槽形沟槽区域有利于物料进行分流、增加界面，同时有利于料流形成垂直于流动方向的剪切，由于螺棱开槽导致了物料在螺杆中的高度填充，既增加了物料的停留时间，又进一步加强了对物料的分布混合。
顾名思义，反向螺纹套输送物料的方向必然与螺杆输送物料的方向相反，从而迫使物料向回运动，加大了物料在挤出过程中的周向流动，延长了物料在熔融段的停留时间，从而使物料在密炼转子、斜槽形螺纹套区域内进行反复地分布性混合和分散性混合。物料欲通过反向螺纹套，必须在正向螺纹套入口前建立起一定的压力，以压力流的形式通过反向螺纹套。该高压由前段的正向螺纹套来建立，因此通过在喂料段设置单螺棱深槽螺纹套来增大自由体积比，使得物料充满螺槽，从而建立起足够的压力，使得物料顺畅输送。
本文设计的双螺杆如图2，其长径比为40，根据功能依次分为喂料、压缩、初级塑化、自然排气、输送、二级塑化、真空排气和挤出段。由正向密炼转子、斜槽形螺纹套和反向螺纹套组成塑化段，减少捏合块的强剪切作用，缓解了废旧EPS塑料在挤出过程中的降解，又增强了对物料的混合，对其进行充分的脱挥和排气。通过在喂料段和输送段设置单螺棱深槽螺纹套，加大螺杆的自由体积百分比，从而增强螺杆的喂料能力和输送能力，加大了挤出量[7]。
图2 双螺杆结构图
4 双螺杆挤出机的生产情况
上海英科实业有限公司开发的96型双螺杆挤出机生产线用于废旧EPS塑料热压饼块的再生造粒，进行了工业化生产应用，其生产线技术参数见表3。
表3 生产线技术参数
连续6个月生产过程中挤出稳定，设备全自动化运行，生产出来的PS再生粒子质量稳定、性能良好。样品PS-228经过通标标准技术服务（上海）有限公司检测，完全达到或超过上海市企业标准《聚苯乙烯（PS）再生粒子》Q/VAND4-2011所规定的8项指标，并且与国内某品牌的PS新料PG-22和韩国某品牌的PS再生料PG-HB进行性能对比，具体数据见表4。
事实证明：双螺杆挤出机生产的PS再生粒子PS-228的性能优于再生粒子PS-HB，并且与新料PG-22的性能非常接近，在很多领域完全可以替代全新料PS的使用，具有一定的性能和价格优势。
5 双螺杆挤出机生产线的特点
5.1 较广泛的适用性
它不仅适应于废旧EPS塑料，也适应于HIPS、ABS、PP、PE、PC等废旧塑料的再生造粒，又能在增加侧喂料的情况下改性，进行优质再生和高效应用，进一步提高再生粒子的性能和附加值。在当前塑料产品复合化、多样化的情况下，双螺杆挤出机生产线可为废旧塑料循环再利用提供一条解决合理的经济规模与灵活的设备配置之间矛盾的途径。
表4 产品测试结果
5.2 较高的生产能力及较低的能耗
双螺杆挤出机的挤出量大，而能耗较低。实测表明：用于废旧EPS塑料的再生造粒时,本文设计的96型双螺杆挤出机的挤出量可达到1800kg/h（400kW、MC11.3、双螺杆转速600r/min)，是同直径普通96型双螺杆挤出机（315kW、MC7.2、双螺杆转速500r/min）的1.8~2.3倍，而能耗仅是它的130%。
5.3 较低的剪切速率及较高的塑化能力
从表4产品测试结果中的数据表明：PS再生粒子PS-228的熔体流动速率小于PS-HB的熔体流动速率，而PS-228悬臂梁冲击强度和拉伸强度均大于PS-HB的悬臂梁冲击强度和拉伸强度。出现的这种差异是因为废旧聚苯乙烯塑料经历多次热历程后容易降解。本文设计的螺杆组合塑化能力很高，但剪切速率较低，避免了EPS塑料在挤出过程中出现降解；而加
工PS-HB所使用的双螺杆挤出机的螺杆组合，具有较高的剪切速率，挤出过程中破坏了聚苯乙烯的分子链，加速了物料的降解。
5.4 较高的经济效益
与普通96型双螺杆挤出机相比，本文选择了奥地利、德国制造的新型过滤器和水下拉条切粒，进一步确保了双螺杆挤出机的出料稳定，减少了过滤和切粒时产生的废料，长期的生产数据统计表明EPS物料损耗率从原有的5%降低到了现在的1%，一台本文设计的新型双螺杆挤出机全年可以降低500t的物料损耗，具有显著的经济效益。
6 结语
针对废旧塑料的特性，研制出适应性广、产量高、能耗低、较低剪切速率、较高塑化能力、经济效益显著的双螺杆挤出机，这种双螺杆挤出机不仅能一步成功地加工废旧EPS塑料，而且生产的PS再生粒子含杂质量少、力学性能保持良好、质量稳定，该生产线可以广泛地应用于HIPS、ABS、PP、PE、PC等各种废旧塑料加工领域。
本文的研究将解决废旧塑料再生所急需的关键技术和共性技术，对废旧塑料传统的粗放、简单再生方式进行全面改造，为废旧塑料回收再生行业的科技进步起到积极的带头作用，对建设循环经济具有重要的意义。
参考文献：
[1]Source:Sci.Adv.2017;319July2017.
[2]李志杰，张文杰，罗京科.聚苯乙烯泡沫资源化关键技术研究，再生资源与循环经济，总第54期，2012.6.
[3]李志杰，罗京科.用于废旧塑料再生利用的双柱塞反冲洗过滤器[P].中国发明专利，201010251246.8.
[4]耿孝正.双螺杆挤出机及其应用[M]，北京：中国轻工业出版社，2003.1,96~100.
[5]龙云正，陈志强.同向双螺杆挤出机变头变径深螺杆组合及其应用[J]，中国塑料，2000,14（2):73~80.
[6]金月富，耿孝正.新型同向双螺杆元件几何造型初探[J]，塑料，2001,1（30）：34~38、56.
[7]罗京科，李志杰，刘方毅，等.一种用于聚苯乙烯再生造粒的双螺杆[P].中国实用新型专利，201721452508.0.
聚砜医疗干粉吸入...
塑料包装材料的减...
汽车功能键触摸盖I...
高性能注塑聚丙烯...
