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雙螺桿擠出機80年來都改變了什么？
????????整整80年前，塑界發(fā)生了一件大事——真正能夠制造出聚合物加工用的雙螺桿擠出機，誕生了!
????????80年過去了，雙螺桿擠出機已經(jīng)得到了廣泛應用，許多行業(yè)都能看見它的身影。例如：高分子合金共混、PVC管材、食品行業(yè)、制藥行業(yè)等。接下來，我們談談雙螺桿擠出機的發(fā)展歷程。
????????從單到雙，應用范圍大大提升
????????早在19世紀中葉，擠出機就已經(jīng)在工業(yè)生產(chǎn)中普遍應用了。但那時候的擠出機都屬于單螺桿擠出機，主要應用在瓷器黏土、橡膠、食品工業(yè)三大領域。
????????人們發(fā)現(xiàn)，單螺桿擠出機輸送物料的效率受介質本身的流變性能影響很大，并且，螺槽根部的物料滯留嚴重，所以發(fā)明家們一直在尋找可以解決上述問題的方案。
?????????土爆了對不對?然而，他就是世界上第一個提出真正意義上的雙螺桿擠出機的人。雙螺桿擠出機的發(fā)明，將擠出機在工業(yè)生產(chǎn)中的應用大大提升了。當然，改進仍在繼續(xù)。
????????歷史轉折，雙螺桿擠出機取代液壓機
????????80年前，也就是1938年，意大利LMP公司創(chuàng)始人Roberto Colombo首次真正制造出聚合物加工用的雙螺桿擠出機，并且用來制造PVC管材。
????????這是一個歷史性時刻!因為此前，PVC管材都由液壓機壓制成型的。從那一刻開始，液壓機開始被雙螺桿擠出機取代。而這，還只是雙螺桿擠出機的初嘗試。
?Colombo Roberto在美國申請的一系列專利中的一篇——screw press for mixing and extruding plastic materials(1951)
????????由上圖可見，Colombo的螺桿全部由輸送元件組成，這是因為他的設計初衷是擠出成型，所以并沒有考慮混合效率的問題。
????????1939年，Colombo對雙螺桿擠出機進行改進，最大直徑做到109mm。同年，他獲得了第一個客戶——德國IG法本公司。雙螺桿擠出機開始得到市場認可。
????????不過，此時雙螺桿擠出機的制造與應用還沒有達到科學性的高度，可以說應用遠遠領先于理論。
????????繼續(xù)改進，克服又一個難題
????????直到1940年代，一支由數(shù)學家、物理學家、工程師和一批機械專家組成的隊伍，在德國薩克森-安哈爾特州的IG工廠，開始了系統(tǒng)性研究這類嚙合同向雙螺桿擠出機。其中就有大名鼎鼎的W. Meskat，A. Geberg和Rudolf Erdmenger。(不會念這些名字?沒關系，看個意思就行)
????????他們的任務是，開發(fā)出一臺可以用來處理高粘度體系混合問題的化工設備。
????????大家知道，單螺桿擠出機最大的缺陷在于其輸送能力與輸送介質流變特性非常相關，為了克服這一難題，他們再次把注意力放在了同向嚙合雙螺桿擠出機。
????????技術突破，聚合物共混擠出機首次量產(chǎn)
????????1950年代，有了數(shù)年的研究積累，W. Meskat和R. Erdmenger等人把雙螺桿擠出機的一些關鍵性參數(shù)進行定義并整理，使擠出機的理論研究走向規(guī)范化。下為數(shù)篇專利中的一篇，可以看出，當時的擠出機已經(jīng)以單頭元件為主，專利中還公開了嚙合元件的應用。
?????????1957年，獲得生產(chǎn)許可的WP公司推出了第一臺共混用的雙螺桿擠出機ZSK系列。ZSK即為德語Zweiwellige Knetscheiben-Schneckenpresse的縮寫，意為“雙軸嚙合盤型擠出機”，同時也推出了可以進行自由模塊組合的擠出機。該擠出機很快進行了量產(chǎn)。
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?第一臺用于聚合物共混的雙螺桿擠出機(1950年代)
????????超越限制，不斷提高產(chǎn)量
????????WP公司推出的ZSK機型相比于同時期的單螺桿擠出機在產(chǎn)量并沒有很大優(yōu)勢，這主要是受制于齒輪箱設計加工技術，更準確地說，是軸向止推軸承的限制。
????????因為雙螺桿一旦確定中心距以后，需要軸承在有限的尺寸下提供足夠大的推力。同時需要把電機的扭矩均勻地分配給兩根螺桿。這在結構設計、材料選擇與熱處理、加工制造上都很困難。
?歷代ZSK機型比扭矩發(fā)展-科倍隆
????????另一個限制產(chǎn)量的主要因素是比扭矩。比扭矩意味著在單位空間體積上，擠出機可以提供的扭矩極限，該參數(shù)的大小往往決定著擠出機的產(chǎn)量性能：比扭矩越高，代表相同螺桿直徑下的產(chǎn)量越高。
????????其實，比扭矩并非越高越好，因為擠出機工藝是個復雜的系統(tǒng)，高比扭矩意味著更高的產(chǎn)能，代表著更低的單位機械能，而產(chǎn)品最終的熔溫相較于低比扭設備會有所降低，但是這對于混合質量、脫揮效率等也帶來了不利因素。因此，如何平衡這些參數(shù)是使用者必須考慮的。
????????從1960年代起，在聚合物加工領域逐漸普及后，伴隨著市場需求，擠出機的各項參數(shù)指標也在不斷進步。人們意識到，想要做出更好的產(chǎn)品，需要在一定的混合質量的要求下，盡量縮短停留時間，降低熔體溫度，提高產(chǎn)量。
?65mm機型產(chǎn)量的更新
????????由圖可以看到，以65mm機型為例，從1980s到2000s，將近20年時間里產(chǎn)量提升了近10倍。比扭矩從ZSK第一代的4Nm/d3已發(fā)展到18+ Nm/d3，大小徑比從1.22提高到1.80，物料的平均停留時間也由數(shù)十分鐘降低到了僅僅數(shù)十秒。
????????從1938年首次加工PVC，至今已過了80年，目前，在高分子共混改性行業(yè)，雙螺桿擠出機已成為最具代表性的加工設備。通過雙螺桿擠出機的發(fā)展歷史，我們可以看出，只要使用者不斷提出需求，雙螺桿擠出機的發(fā)展就不會止步。
