,

Requirements for Twin-Screw Extruders in the Production of Calcium Carbonate Filled Masterbatches


Основа производства наполненных карбонатом кальция мастербатчей — достижение однородного диспергирования, достаточной пластификации и стабильного формования порошка карбоната кальция и смолы-носителя. Как ключевое основное оборудование, конструкция двухшнекового экструдера, его рабочие параметры и вспомогательная конфигурация должны точно соответствовать характеристикам материала (карбонат кальция: высокая абразивность, склонность к агломерации, плохая сыпучесть порошка) и требованиям технологического процесса. Ниже приведены конкретные требования с учетом как универсальности, так и специфики различных вариантов наполнения.

I. Требования к основным конструктивным узлам

(I) Требования к шнековой системе

Шнек является основным исполнительным механизмом экструдера, который должен одновременно обеспечивать интенсивное диспергирующее сдвиговое воздействие, стабильную транспортировку, износостойкость и адаптацию к различным уровням наполнения. Он определяет однородность дисперсии мастербатча и качество продукции.

  1. Тип зацепления и направление вращения: Предпочтительны соосные полностью взаимозацепляющиеся шнеки с зазором в зоне зацепления, контролируемым на уровне 0,1 мм. Их «эффект затягивания материала» создает мощную и равномерную силу сдвига, эффективно решая проблему агломерации порошка карбоната кальция и обеспечивая стабильность транспортировки материала. Модели с противотоком (контрвращением) из-за недостаточной интенсивности сдвига и плохой дисперсии подходят только для простых производственных сценариев с низким уровнем наполнения (≤50%) и, как правило, не рекомендуются.
  2. Отношение длины к диаметру (L/D): Необходимо корректировать в зависимости от уровня наполнения карбонатом кальция. Для обычного наполнения (50%-70%) рекомендуемое отношение L/D составляет 48-52; для высокого наполнения (70%-85%) его необходимо увеличить до 52-56, чтобы продлить время пребывания материала в цилиндре (8-15 с), обеспечивая полное смачивание и однородную пластификацию порошка карбоната кальция и смолы-носителя, а также предотвращая появление белых пятен и агломератов в мастербатче из-за недостаточного смешения. Чрезмерно большое отношение L/D может привести к чрезмерной деградации материала, тогда как слишком малое значение ухудшает эффект диспергирования.
  3. Материал шнека и износостойкая обработка: Порошок карбоната кальция обладает высокой твердостью и сильным абразивным воздействием на шнек, поэтому необходимо выбирать высокоизносостойкие материалы и процессы упрочнения. Рекомендуется изготавливать корпус шнека из быстрорежущей инструментальной стали W6Mo5Cr4V2 с азотированием поверхности (глубина слоя 0,4-0,6 мм, твердость ≥900HV) или нанесением износостойкого покрытия WC-Co. В зоне интенсивного смешения можно использовать цельную конструкцию из сплава, что обеспечит срок службы в 2-3 раза больше, чем у обычных биметаллических шнеков, при условии наполнения карбонатом кальция до 80%. Следует избегать использования обычной углеродистой стали или неупрочненной легированной стали, чтобы предотвратить быстрый износ шнека и деформацию его кромок, что негативно скажется на транспортировке и диспергировании.
  4. Конфигурация и комбинация секций шнека: Применяется модульная конструкция секций шнека, позволяющая гибко менять их комбинацию в зависимости от рецептуры и уровня наполнения, следуя основной логике «транспортировка – смешение – диспергирование – гомогенизация». В зоне загрузки используются секции с большим шагом для повышения эффективности подачи порошка и предотвращения закупорки; зона смешения оснащена месильными блоками под углом 45°/60° и элементами с обратной нарезкой для усиления диспергирующего сдвигового воздействия и полного разрушения агломератов карбоната кальция; зона гомогенизации использует секции с мелкими канавками для обеспечения однородной пластификации и стабильного давления материала перед экструзией. Для сценариев высокого наполнения количество месильных блоков необходимо увеличить для усиления эффекта сдвига; при производстве мастербатчей для пленок комбинацию секций шнека нужно оптимизировать, снизив интенсивность сдвига во избежание чрезмерного разрушения молекулярных цепей смолы-носителя.
  5. Диапазон скорости: Скорость вращения шнека должна быть регулируемой и стабильной, в обычном диапазоне 150-300 об/мин для адаптации к различным требованиям по производительности. При низком уровне наполнения скорость можно увеличить (250-300 об/мин) для повышения эффективности производства; при высоком уровне наполнения (≥80%) скорость необходимо снизить (150-200 об/мин), чтобы продлить время пластификации и диспергирования, балансируя производительность и качество продукции. Колебания скорости должны находиться в пределах ±1 об/мин, чтобы избежать колебаний давления экструзии из-за нестабильной скорости, что влияет на однородность гранул мастербатча.

(II) Требования к системе цилиндров

Цилиндр должен соответствовать шнеку, отвечать требованиям износостойкости, равномерного терморегулирования и хорошей герметичности, обеспечивая стабильную полость для пластификации и диспергирования материала.

  1. Материал и износостойкая обработка: Корпус цилиндра изготавливается из азотированной стали 38CrMoAlA, а в зонах интенсивного смешения и плавления устанавливаются цельные легированные гильзы Cr26MoV (толщина >10 мм, твердость HRC60+). Их износостойкость значительно выше, чем у обычных биметаллических цилиндров (с слоем сплава всего 1-2 мм), что позволяет эффективно противостоять абразивному износу от порошка карбоната кальция и предотвращать застой материала и его деградацию из-за износа внутренней стенки цилиндра. Внутренняя стенка цилиндра должна быть гладкой с шероховатостью поверхности Ra≤0,8 мкм для снижения адгезии материала и сопротивления потоку.
  2. Конструкция: Применяется сегментированная модульная конструкция с длиной каждого сегмента ≤1,5 м, что удобно для разборки, обслуживания и замены изношенных сегментов, а длина цилиндра может регулироваться в зависимости от производственных потребностей (для адаптации к разным отношениям L/D). Радиальный зазор между цилиндром и шнеком контролируется на уровне 0,1-0,3 мм; для низкого уровня наполнения используется малый зазор (для улучшения способности создания давления), а для высокого — большой (для снижения тепловыделения от сдвига и износа). Загрузочное отверстие имеет конструкцию перевернутого конуса (угол конуса 60°-90°) и оснащено устройством против сводообразования, чтобы решить проблему плохой сыпучести, склонности к агломерации и закупорки загрузочного отверстия порошком карбоната кальция.
  3. Герметичность: На фланцах цилиндра применяется уплотнение из металлических сильфонов, обеспечивающее отсутствие утечек расплава при высоких температурах и давлениях и компенсирующее деформацию от теплового расширения и сжатия. Соединение между загрузочным отверстием и цилиндром должно быть герметичным для предотвращения утечки пыли, снижения пылевого загрязнения производственной среды и попадания воздуха в цилиндр, что влияет на пластификацию материала.

II. Требования к системе подачи

Однородность подачи напрямую влияет на постоянство состава и эффект диспергирования мастербатчей. Специальная система подачи должна быть настроена с учетом характеристик порошка карбоната кальция и масштабов производства для решения проблем возврата воздуха при подаче, сводообразования и неточного дозирования.

  1. Способ подачи: Применяется комбинированный метод «основная подача + боковая подача» для адаптации к поэтапной подаче различных компонентов. Основное загрузочное отверстие подает смолу-носитель (PE/PP и т.д.), а боковое загрузочное отверстие специально подает предварительно обработанный порошок карбоната кальция, что эффективно предотвращает снижение сыпучести и неравномерную подачу из-за преждевременного смешения порошка и смолы. Для сценариев высокого наполнения (≥80%) необходимо использовать боковой шнековый дозатор CWS для удаления воздуха из порошка за счет принудительной подачи и реверсивных排气ных канавок, устраняя явление «возврата воздуха при подаче».
  2. Тип дозатора: Выбирается в зависимости от требований к точности производства. Для мелкосерийного производства с частой сменой рецептур можно выбрать объемный дозатор с точностью подачи ±3%; для крупносерийного непрерывного производства, высокого наполнения или высоких требований к точности (например, мастербатчи для пленок) необходимо использовать гравиметрический дозатор с точностью подачи ±0,5%, оснащенный системами автоматической дозагрузки и замкнутого контура управления для корректировки объема подачи в реальном времени, обеспечивая точное и стабильное соотношение карбоната кальция и смолы-носителя.
  3. Вспомогательная конструкция: Бункер дозатора должен быть оснащен мешалкой и вибрационным устройством для предотвращения агломерации и сводообразования порошка карбоната кальция; подающий шнек использует специальную втулку с undercut-канавками для улучшения захвата материала и предотвращения проскальзывания шнека и снижения производительности из-за добавления смазочных материалов. Система подачи синхронизирована со скоростью основного шнека, чтобы объем подачи соответствовал объему экструзии, предотвращая перегрузку или холостой ход в цилиндре.

III. Требования к системе терморегулирования

Точность и равномерность терморегулирования напрямую влияют на пластификацию смолы-носителя, диспергирование карбоната кальция и качество внешнего вида мастербатчей. Необходимо реализовать зонное точное регулирование температуры во избежание локального перегрева или недостаточной пластификации.

  1. Зоны терморегулирования: Цилиндр делится минимум на 4 зоны регулирования (зона загрузки, зона пластификации, зона смешения, зона головки), а сердечник шнека может иметь независимое регулирование температуры для реализации режима двойного терморегулирования «цилиндр + шнек». Температуры в разных зонах устанавливаются градиентно в зависимости от типа смолы-носителя. Диапазон температур для обычных носителей PE/PP: зона загрузки 120-140°C (предотвращение сводообразования и преждевременного плавления), зона пластификации 140-160°C (первоначальное плавление смолы-носителя для смачивания порошка карбоната кальция), зона смешения 160-180°C (достаточная пластификация и смешение для разрушения агломератов), зона головки 170-190°C (стабильное формование во избежание деградации расплава).
  2. Точность терморегулирования: Общая точность регулирования температуры должна достигать ±1°C, а колебания температуры ≤2°C, чтобы избежать деградации смолы-носителя и пожелтения мастербатча из-за локального перегрева или недостаточной пластификации и наличия неплавленых частиц в мастербатче из-за локальной низкой температуры. Нагревательные элементы представляют собой литые алюминиевые или керамические нагреватели с удельной мощностью ≤4 Вт/см² для предотвращения локального перегрева. Система охлаждения сочетает водяное охлаждение (давление воды 0,3-0,5 МПа) и воздушное охлаждение; зона загрузки усиленно охлаждается (температура воды ≤25°C), а зоны смешения и головки охлаждаются по необходимости для обеспечения стабильной температуры.
  3. Энергосбережение и защита: Устанавливается система рекуперации тепла, использующая тепло от охлаждения цилиндра для предварительного нагрева зоны загрузки, что снижает энергопотребление на 15%-20%. Предусмотрена блокировка по температуре; если температура цилиндра превышает заданное значение на 10°C, автоматически включается устройство охлаждения и подается сигнал тревоги, а при необходимости машина останавливается для предотвращения повреждения оборудования и брака продукции.

IV. Требования к системе вакуумирования (отсоса газов)

После предварительной обработки порошок карбоната кальция может содержать следовые количества влаги и летучих вспомогательных веществ, а воздух легко попадает при подаче. Эти примеси вызывают образование пузырей внутри мастербатча и шероховатость поверхности, ухудшая его качество. Поэтому система вакуумирования должна отвечать требованиям эффективного отсоса газов.

  1. Конструкция вакуумирования: Применяется конструкция «одноступенчатое или многоступенчатое вакуумное отсасывание». Для обычного производства устанавливается минимум 1 вакуумный порт (расположенный в задней части зоны смешения). Для высокого наполнения и высоких требований к точности (например, мастербатчи для пленок) требуется 2-3 вакуумных порта для раздельного удаления летучих веществ и воздуха, выделяющихся на разных этапах. Вакуумный порт должен иметь плавное соединение с внутренней полостью цилиндра во избежание закупорки порта материалом.
  2. Требование к разрежению: Разрежение должно быть регулируемым в диапазоне от -0,06 до -0,09 МПа, чтобы обеспечить полное удаление следовой влаги, летучих вспомогательных веществ и воздуха из материала. Устанавливается камера высокого вакуума, особенно подходящая для производства мастербатчей для пленок, что значительно повышает глянцевитость мастербатча и устраняет кристаллиты и пузыри при формовании пленки.
  3. Вспомогательная конструкция: Вакуумный порт оснащен пылеуловителем для предотвращения выброса пыли карбоната кальция с отработанными газами, что загрязняет окружающую среду и приводит к потере сырья. Устанавливается мониторинг давления вакуумирования; при аномальном давлении из-за закупорки порта автоматически подается сигнал тревоги и предлагается очистка для обеспечения непрерывной и стабильной работы.

V. Требования к вспомогательным системам

(I) Требования к фильтрующему устройству (сменщику сеток)

Используется для фильтрации примесей в материале, недиспергированных агломератов карбоната кальция и деградировавшей смолы, обеспечивая чистоту экструзионного расплава и однородность качества мастербатча. Необходимо использовать гидравлический автоматический сменщик сеток для замены фильтров без остановки машины, избегая потерь производительности и материала из-за простоев на замену сетки. Размер ячеек сетки составляет 80-120 mesh, что может регулироваться в зависимости от требований к точности мастербатча. Также предусмотрена функция сигнализации о засорении сетки для мониторинга давления на сетке в реальном времени и своевременного напоминания о замене.

(II) Требования к системе гранулирования и охлаждения

Эффект гранулирования и охлаждения напрямую влияет на внешний вид, однородность размера гранул и сыпучесть мастербатчей, что должно соответствовать производительности экструдера и назначению мастербатча.

  1. Способ гранулирования: Для обычного производства рекомендуется процесс горячего резания на торце матрицы с воздушным охлаждением (производительность ≤300 кг/ч). Нож для гранулирования устанавливается на головке машины со скоростью 300-800 об/мин, точно синхронизированной со скоростью экструзии. Подается холодный воздух температурой 2-8°C для быстрого охлаждения гранул, формируя дисковые мастербатчи диаметром 3-5 мм и толщиной около 1 мм, удобные для последующего смешения с матричной смолой. Для высокопроизводительного производства (>300 кг/ч) можно использовать процесс охлаждения на конвейерной ленте с длинным участком воздушного охлаждения (≥15 м) + естественное охлаждение во избежание слипания гранул. Для высоких требований к точности можно применять гранулирование водяным кольцом или подводное гранулирование, обеспечивающее круглые гранулы без пыли, подходящие для полностью автоматизированных линий производительностью свыше 2 тонн в час.
  2. Требования к охлаждению: Температура охлаждающей среды (холодный воздух, охлаждающая вода) должна быть стабильной во избежание деформации и слипания мастербатча из-за неравномерного охлаждения. Влажность охлажденного мастербатча должна быть ≤0,2%; если влажность превышает норму, необходимо установить вторичное устройство низкотемпературной сушки для предотвращения образования пузырей при последующем использовании.

(III) Требования к системе управления

Необходимо оснастить высокоточную автоматическую систему управления для обеспечения точной регулировки и стабильной работы производственного процесса и снижения ошибок ручного управления.

  1. Функции управления: Система позволяет в реальном времени контролировать и корректировать ключевые параметры, такие как скорость шнека, температура каждой секции цилиндра, объем подачи, разрежение и давление экструзии. Все параметры могут отображаться в цифровом виде и точно регулироваться, поддерживается сохранение и вызов параметров, что удобно для быстрого переключения между различными рецептурами и спецификациями мастербатчей.
  2. Синхронизация и защита: Системы подачи, экструзии, гранулирования и охлаждения реализуют синхронное управление для обеспечения согласованной работы всех звеньев. Предусмотрены функции сигнализации и защиты от перегрузки, перегрева, избыточного давления, отсутствия материала и засорения сетки; при возникновении нештатной ситуации машина автоматически останавливается для предотвращения повреждения оборудования и брака продукции. Для крупносерийного производства можно установить модуль Интернета вещей (IoT) для мониторинга состояния оборудования в реальном времени и предиктивного обслуживания, что снижает время простоя более чем на 30%.

VI. Требования адаптации к различным производственным сценариям

В зависимости от различных уровней наполнения карбонатом кальция и назначения мастербатчей конфигурация двухшнекового экструдера должна целенаправленно корректироваться, чтобы оборудование соответствовало производственным потребностям и балансировало эффективность и качество.

  1. Обычное наполнение (50%-70%): Подходит для универсальных мастербатчей, таких как для литья под давлением и труб. Выбирается соосный двухшнековый экструдер диаметром Φ45-Φ65 мм с отношением L/D 48-52, оснащенный объемным дозатором и одноступенчатым вакуумным отсосом газов, мощностью двигателя 110-160 кВт и производительностью 250-600 кг/ч. Нет необходимости чрезмерно усиливать износостойкую конфигурацию, учитывая соотношение цены и качества и производственную эффективность.
  2. Высокое наполнение (70%-85%): Подходит для недорогих мастербатчей, таких как для литья под давлением и плоской нити. Выбирается соосный двухшнековый экструдер диаметром Φ65-Φ95 мм с отношением L/D 52-56, оснащенный гравиметрическим дозатором, многоступенчатым вакуумным отсосом газов и цельными легированными цилиндрами/шнеками Cr26MoV, который может быть сопряжен со смесителем внутреннего типа для предварительного смешения, мощностью двигателя 160-600 кВт и производительностью 450-1600 кг/ч. Усилены диспергирующее сдвиговое воздействие и износостойкость для обеспечения однородности при высоком наполнении.
  3. Мастербатчи для пленок: Подходят для упаковочных пленок, мульчирующих пленок и т.д., требуя отсутствия кристаллитов и высокой прозрачности мастербатча. Выбирается соосный двухшнековый экструдер диаметром Φ52-Φ75 мм с отношением L/D 52, оснащенный высокоточным гравиметрическим дозатором и системой высокого вакуума (разрежение ≥-0,08 МПа). Комбинация секций шнека оптимизирована для снижения интенсивности сдвига, предотвращения деградации смолы и обеспечения того, что дисперсия мастербатча соответствует стандартам без явных агломератов.
  4. Мастербатчи для плоской нити и тканых мешков: Требуются мастербатчи с высокой прочностью на разрыв. Выбирается двухшнековый экструдер с конструкцией мягкого сдвига для снижения разрушения молекулярных цепей смолы-носителя и сохранения ее механических свойств. Устанавливается стабильная система гранулирования и охлаждения для обеспечения однородного размера гранул мастербатча и предотвращения обрыва нити при производстве плоской нити.

VII. Другие ключевые требования

  1. Износостойкое обслуживание: Оборудование должно иметь удобные доступы для замены изношенных деталей (секции шнека, легированные гильзы цилиндра, подающие шнеки) для облегчения ежедневного обслуживания и замены и снижения затрат на простой. Рекомендуется использовать специальные инструменты для измерения износа для регулярной проверки состояния шнеков и цилиндров и своевременной замены изношенных частей.
  2. Контроль энергопотребления: Двигатель представляет собой синхронный двигатель с постоянными магнитами (КПД ≥95%) для обеспечения энергосберегающей работы. Конфигурация шнека и система терморегулирования оптимизированы для снижения удельного энергопотребления. В сценариях высокого наполнения удельное энергопотребление должно контролироваться в разумных пределах, чтобы избежать роста производственных затрат из-за чрезмерного расхода энергии.
  3. Совместимость: Оборудование должно обладать определенной универсальностью, адаптируясь к различным типам карбоната кальция (например, тяжелый карбонат кальция 1250 mesh с максимальным размером частиц ≤10 мкм) и смолам-носителям (PE, PP и т.д.), что облегчает корректировку рецептур и производство разнообразной продукции. Модульная конструкция позволяет унифицировать компоненты, снижая затраты на обслуживание и модернизацию оборудования.

В заключение, суть двухшнекового экструдера для производства наполненных карбонатом кальция мастербатчей заключается в фокусе на четырех ключевых требованиях: «износостойкость, диспергирование, точность и стабильность», оптимизации износостойкого дизайна и конфигурации шнеков и цилиндров, согласовании с системами точной подачи, терморегулирования и вакуумирования, учете уровня наполнения и назначения продукции для достижения однородного смешения и достаточной пластификации порошка карбоната кальция и смолы-носителя, что в итоге позволяет производить высококачественные и стабильные наполненные мастербатчи, отвечающие требованиям применения.

Video of Kerke’s Twin Screw Extruder and Other Machines

Watch more of our videos through our YouTube.

Main machines

Добро пожаловать на наш завод!
Get A Quote
Get A Quote