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高速能量輸入擠出機已經(jīng)在各種應用場(chǎng)合使用了幾十年。包括食品、藥品，反應性擠出和塑料復合，它們組成了最大的應用領(lǐng)域。最近的一個(gè)趨勢是，使用HSEI擠出機來(lái)生產(chǎn)源自或利用生物基可再生材料來(lái)制備的產(chǎn)品。雖然該工藝與傳統的聚合物的制備大體相同，但在處理熱敏型和剪切敏感型生物基聚合物的時(shí)候存在微妙的差別。

雙螺桿擠出機在對材料進(jìn)行加工時(shí)，是在筒內使用螺桿來(lái)完成傳送、混合和泵送的。筒的模塊化，便于沿著(zhù)筒長(cháng)對個(gè)別單體操作進(jìn)行分段運輸。料筒采用電子加熱及液體冷卻方式，并充當獨立的溫度控制區。各分段原件被組合在大扭矩軸上，以根據工藝要求對螺桿進(jìn)行優(yōu)化配置。典型的可用于反應性擠出和/或多段脫除揮發(fā)溶劑作用的長(cháng)度直徑比（L/D），范圍為32到48:1，最高為60 L/D（或更長(cháng)）。電能通過(guò)傳動(dòng)系統（電機-變速箱）轉換為機械能，然后通過(guò)旋轉的螺桿對材料進(jìn)行剪切。

模塊化筒和分段的螺桿，具備可控的擦拭及泵送特性，使人們可以調節螺桿和料筒的幾何構型以匹配工藝任務(wù)的要求。固體輸送和塑化通常發(fā)生在這一制備過(guò)程中第一部分?；炫?、下游供料、液體注入和通風(fēng)都通常用到，它們的原理是由工藝來(lái)決定的。螺桿的結構配置范圍從剪切敏感型到剪切被動(dòng)型都有。

螺桿擠出機是一種缺料-補料的設備；其補料速率是由計量設備來(lái)決定的?？梢允枪腆w進(jìn)料器也可以是液體進(jìn)料器。螺桿輸出轉速的獨立性，使得可以通過(guò)調整雙螺桿擠出機的剪切強度，來(lái)優(yōu)化混合效率。此外，由于擠出機中壓力梯度的控制，并且工藝過(guò)程中部分為零，材料可以引入到料筒的下游區段。這是有益的，例如，在高裝填的淀粉混合中，所有的供料不可能只在一個(gè)地方，或者在同樣的供料溫度和/或剪切敏感添加劑（比如天然纖維）的情況下，如果在整個(gè)料筒長(cháng)度范圍中加工的話(huà)，它們是會(huì )降低的。

自由容積，是個(gè)普通的擠出術(shù)語(yǔ)，它是用于加工材料的構型里的可用空間，其直接關(guān)系到OD/ID比。OD/ID比通過(guò)區分每個(gè)螺桿的外徑(OD)和內徑(ID)來(lái)定義。HSEI雙螺桿擠出機外徑/內徑比的行業(yè)標準約為1.55（在Leistritz命名法中，它屬于HP系列）。在2004年推出的新 MaXX系列，采用的是1.66的外徑/內徑比。這種設計在HP系列相同螺桿中心線(xiàn)及相同（或更高）的扭矩的情況下，具有更深的螺桿螺紋和更大的筒直徑。通常情況下，由于自由容積變大，每RPM可以加工更多的物料。

討論到HSEI雙螺桿擠出機時(shí)，扭矩是另一個(gè)關(guān)鍵的工藝參數，它直接關(guān)系到螺桿軸的直徑。螺桿軸直徑越大，具備越高的扭矩能力。而更深的螺絲螺槽則提供了更多的自由容積，但卻是以犧牲螺桿軸的扭矩能力為代價(jià)的，因為小直徑軸是必要的。一般認為，使用對稱(chēng)的，鍛造的花鍵軸，其外徑/內徑比為1.55 時(shí)，可以達到扭矩和容積的最佳平衡。隨著(zhù)軸的軸截面積的減小，增加自由容積變得可能，但是在加工過(guò)程扭矩的傳遞減小。為了彌補轉矩能力的減弱，MaXX系列采用不對稱(chēng)的花鍵軸（正在申請專(zhuān)利），它能達到與HSEI雙螺桿擠出機一樣（或更高）的扭矩，單軸的直徑更小。該構型可以把能量更高效地傳到各螺桿元件上，同時(shí)螺紋深度更大，容積也更大。

實(shí)驗

實(shí)驗數據主要是使用ZSE-27擠出機來(lái)比較HP系列與MaXX系列的雙螺桿擠出機。由于HP和Maxx系列的螺桿中心線(xiàn)是一樣的，則可以互相交換加工部件。L/D值為40的加工長(cháng)度以及相似的螺桿設計，被復制以確定缺陷并對比性能。使用高密度聚乙烯（HDPE），低密度聚乙烯（LDPE）和 PLA作測試材料，來(lái)比較兩個(gè)不同加工構型的生產(chǎn)能力差異。工藝條件保持不變，使盡可能實(shí)現對照。用作分析的工藝數據有速率，熔體溫度，扭矩和具體的能源輸入。

在ZSE-27擠出機中，HP和MaXX模型的剪切速率描述如下：

剪切速率 =（π*D*n）/(h*60)

D = 螺桿直徑（HP系列為27，MaXX系列為28.3）
n = 螺桿轉速（rpm）
h = 多出的刮板間隙（對HP系列和MaXX系列都為1mm）

在600rpm條件下，剪切速率峰值比較如下：

HP = (π*27*600)/(.1*60) = 8,478s-1
MaXX = (π*28.3*600)/(.1*60) = 8,886s-1

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圖1、 MaXX與HP速率對比
結果與討論

到現在，對低密度聚乙烯（LDPE），高密度聚乙烯（HDPE）和PLA的評估已經(jīng)完成。

將低密度聚乙烯粉末與12MFI送入ZSE-27的HP和MaXX構型中進(jìn)行加工。對MaXX的設計來(lái)說(shuō)，在達到供料極限之前，可以有更大的自由容積來(lái)往螺桿供給更多的原料。在這種情況下，限制速率的主要因素是主供料口的原料供應能力。該工藝不受扭矩的限制。MaXX卸料時(shí)測量的熔體溫度同樣較低。

部分熔融的高密度聚乙烯在ZSE- 27的HP和MaXX系列上，采用近乎相同的速率加工，rpm為中低速。所有樣本都受到扭矩的限制，而不是供料限制。在轉速為1200 RPM的情況下，其生產(chǎn)率能夠達到MaXX的高度。HP系列中樣品的熔融溫度較高，是因為材料表現出對由于更高的平均剪切率導致的剪切加熱更加敏感，該更高的平均剪切率是由HP設計中更淺的一段所固有的。

相對于HP系列，PLA在ZSE-27 MaXX上采用稍微更高的剪切率，以及更低的熔融溫度來(lái)加工。所有樣本受到扭矩的限制，而不受供料的限制。PLA樣本所得到的結果如圖1和圖2所示。

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圖2、MaXX與HP熔融溫度對比
結論

MaXX系列的改進(jìn)設計，針對受供料限制的工藝具有顯著(zhù)改進(jìn)，同樣對對熔融溫度敏感的材料也適用。將高扭矩螺桿軸和更深的螺桿槽通道結合，由于改善了供料能力，及較低的比能輸入和較低的熔融溫度，生產(chǎn)能力得到了提高。最新的改進(jìn)同樣提升了扭矩達30%之多。這種聯(lián)合特性使得可加工的材料范圍更廣，其中一些可能在之前根本不能用HSEI擠出機來(lái)加工。最初針對的是生物基材料，其中許多是扭矩敏感型，熱敏型或者剪切敏感型，以及/或低容重給料。