行星挤出机简介及其研究进展

金恒义，薛 平，金志明，徐树勋

（1.北京化工大学塑料机械及塑料工程研究所，北京 100029； 2.北京华腾佳和科技有限公司，北京 102308）

行星挤出机简介及其研究进展

金恒义1，薛 平1，金志明1，徐树勋2

（1.北京化工大学塑料机械及塑料工程研究所，北京 100029； 2.北京华腾佳和科技有限公司，北京 102308）

简要地介绍了行星挤出机的发展历史、结构组成、工作原理及其特点；较为详细的总结了近年来行星挤出机理论及实验的最新研究进展；列举了行星挤出机的传统应用领域及最新的应用领域。最后，对其应用前景进行了展望。

行星挤出机；结构原理；研究进展；应用领域

挤出成型具有生产率高、能耗低、适应性强、用途广泛等优点，几乎适合于所有聚合物材料的加工。螺杆挤出机是聚合物加工最基本的装备之一[1]。然而，传统的螺杆挤出机有许多局限性。如常规的单螺杆挤出机混炼功能弱,加工粉料能力较差；再如双螺杆挤出机较难克服螺杆背压较低现象，无法加工密实性较高的透明型物料[2]。考虑到传统挤出机存在的局限性，人们提出了多螺杆挤出机概念，行星挤出机就是其中非常重要的一种。行星挤出机出现于上世纪 50年代，最早由德国的维特洛克发明并由Entex公司完善工艺。我国于上世纪80年代引进行星挤出机，九十年代后实现自主化生产，目前国内生产该机型的企业已有十余家。行星挤出机挤出的熔体具有塑化效果好、各组分混炼均匀的特点。行星挤出机可用于加工工艺要求较高的物料，诸如 PVC这类热敏性树脂以及其它难以加工的树脂。国外企业将行星挤出机用于加工回收物料也取得了不错的效果[3]。图1为行星挤出机的结构简图。

1 结构组成及工作原理

常规的行星挤出机由四部分构成，分别是加料系统、传动系统、熔融塑化系统和温度控制系统。与普通单、双螺杆挤出机相比，行星挤出机最主要的区别在于挤出机螺杆的螺旋中段（塑化段）或整个螺杆为行星式结构。行星段是行星挤出机最重要的部分,该段使物料熔融、混炼。行星段由一条主螺杆，若干条行星螺杆以及内壁开齿的机筒构成。行星段的机械强度要求较高，它们均由高拉伸强度与耐磨的合金钢（如SACM645、38CrMoAl等）制成。行星螺杆与机筒齿间间隙约为0.2～0.4 mm。行星螺杆数量与行星段的直径成正比，通常为7～18条。

图1 行星挤出机结构简图Fig.1 Structure diagram of planetary extruder

生产时,主螺杆驱动周边的行星螺杆象行星一样转动，使得行星螺杆“浮动”于主螺杆与机筒内齿之间。行星段螺旋齿具有45°的螺旋角，主螺杆转动时会产生轴向力,使行星螺杆轴向前移动[3]。因此，在行星段机筒的末端装有止推环，止推环镀有耐磨层或由硬质合金制成,可以提高耐磨性。

行星螺杆混炼塑化物料的方式：物料由加料段螺纹推到行星段，在其后部螺杆进料的连续强力推动下，向螺杆前方机头挤出处移动，从主螺杆和机筒间的内螺纹齿间和与其啮合的行星螺杆齿间通过。行星段中各螺杆不断转动，使物料在相互啮合转动的螺纹齿的间隙中受到强烈的挤压、辗伸和剪切等多种力作用。物料在此段不断地被翻动、混合，最后成熔融状态，被均匀塑化，逐渐被推向螺杆前段，从机头挤出。图2为行星挤出机上的多功能环。

图2 行星挤出机上的多功能环Fig.2 Multi ring for planetary screw extruder

2 行星挤出机的特点[4,5]

（1）流道无死角，自洁作用强。行星螺杆、主螺杆和机筒间的自扫作用，使其具有很好的自洁能力，物料不会停滞分解。易于更换物料，加工物料所需更换的颜色、配方较单螺杆要少。

（2）热交换面积大。行星段的主螺杆和内啮套筒均通过油加热，该部分与物料直接接触，故该机的热交换面积为主螺杆的表面积与内啮套筒的内表面积之和。行星挤出机的热交换效率非常高。

（3）物料以薄膜形式进行热交换。该方式可获得较高的热传导效率，通过调整热媒温度实现物料温度的精准控制。传统单、双螺杆挤出机控制塑化程度和温度时须改变电动机的转速和功率输出，较难实现稳定控制。

（4）啮合次数高。啮合作用通常与螺杆的转速成正比，啮合次数高则物料受到的剪切、挤压和搅拌次数高，进而提高了物料的混炼效果。该机型具有良好的分散混合和分布混合能力，可用于共混、填充改性。

（5）物料停留时间短。相同挤出量时，物料在常规单螺杆挤出机中的停留时间约为40～70 s，物料在双螺杆挤出机的停留时间约为30～60 s，而行星挤出机的物料停留时间仅为20～40 s。物料不会因停留时间过长分解。

（6）生产能耗低、经济效益好。相对于同规格的单、双螺杆挤出机，它们的传热面积分别是行星挤出机的 25%和 50%左右，故行星挤出机用于聚合物加工时，其能耗较低。

（7）良好的排气性能。行星挤出机通常在物料充满的状态下工作，物料的自由表面积大且更新频繁，利于气体的排出。对于双阶机，通过调节两阶挤出机的螺杆转数对两阶机的挤出量进行调配，实现稳定挤出，可减少因排气造成的冒料或缺料。

（8）产量高、适用性强。影响行星挤出机挤出过程的可调参数有：行星螺杆的根数、止推环截面积、螺杆转速、物料温度、物料特性以及强制加料器的螺杆转速。可以通过调节这些参数来适应不同的需求。

3 研究进展

自维特洛克发明出第一台行星挤出机至今已有半个多世纪，研究人员从未停止过对其熔融塑化机理研究和结构功能改进的工作。由于行星挤出机特殊的结构组成，研究人员对其了解还相对较少。近些年，科研人员对其机理和结构进行了一些探索。

Andreas Limper等[6]通过实验研究了行星挤出机的塑化效果。研究人员发现,物料的熔融塑化是通过剪切热和传导热实现的。物料在行星螺杆之间，行星螺杆与机筒之间反复辊压实现熔体的均化。物料的输送过程包括螺旋齿对物料的推进，压力-拖曳流动和空隙中的流动。行星段45°螺旋角的螺旋齿使得物料在螺旋槽里往前输送，同时也受到横向混合的作用。研究人员通过对比实验获得了行星挤出机不同工艺和物料参数下的的压力-产量关系，停留时间特性及熔融塑化能力。

徐能等[7-8]通过实验研究了 HT140行星挤出机的加工性能。他们研究了不同工艺参数和结构参数对行星挤出机的机头压力、熔体温度、物料最短停留时间和功耗等加工性能的影响及改变工艺参数后的不平衡状态中产量压力的变化。同时，他们也进行了有关产量的分析研究。可变的工艺参数包括喂料速度和主螺杆转速，结构参数包括口模内径和行星螺杆数量。他们分析了上述工艺参数和结构参数产生影响的具体方式和原因，为今后行星挤出机的实践工作提供了一些依据。

刘琦云等[9,10]对国产行星挤出机的几个重要技术参数进行了分析计算，解决了行星挤出机设计中的啮合次数、热交换面积、螺旋角β及行星螺杆系间隙等问题。通过理论计算，他们得出了行星螺杆系静态时啮合点数与工作时总的啮合次数。计算表明,与同规格单螺杆挤出机相比，行星挤出机的热交换面积为其热交换面积的6.5倍。通过对净流率影响、停留时间分布、界面增长以及熔体输送消耗功率的理论分析，研究得出行星挤出机螺旋角β取45 °为宜。通过模拟计算得出，行星螺杆系间隙在0.4～0.6mm时，生产率和混合质量达到最佳状态。行星螺杆间的间隙对生产率产生较大影响, 设计中应尽可能予以减少。此外，通过增加行星螺杆的数量，增加螺杆齿数及模数也可提高生产率。

刘晶等[11,12]通过POLYFLOW软件模拟了行星挤出机的混炼效果。运用POLYFLOW 软件，他们对行星螺杆模型中物料的剪切速率、分散准数和停留时间分布进行了数值模拟。分析了行星螺杆的数量、转速对物料的剪切速率、拉伸速率以及物料在轴向和径向截面混合效果的影响。同时，研究人员以HT140行星挤出机为实验平台进行了相关实验，并将理论模拟与实验机所制得的样品电镜扫描结果进行对比分析，揭示行星螺杆挤出机的塑化混炼效果。

徐百平等[13]对单螺杆螺槽内流体进行数值模拟及相关实验。他们提出了一种将混沌流动引入到单螺杆挤出中的方法，通过该方法他们研制出了一种所谓嵌入式行星螺杆挤出机。嵌入式行星螺杆是将小螺杆嵌入到主螺杆中，该方式与传统的行星挤出机大不相同。这种构型可以对物料进行持续性的扰动，引发混沌对流，提高物料分布和分散混合效果，还具有很好的自洁性。研究人员运用计算流体动力学技术，对嵌入式行星螺杆挤出机进行了相关数值模拟， 研究了该挤出机熔体输送段流场的运动。通过使用流线示踪技术和停留时间分布函数，他们表征了流场内的混沌效应，同时研究了混沌流对物料的混合作用。

MRS高脱挥挤出机[14]。德国Gneuss公司参照行星挤出机，发明了MRS高脱挥挤出机。MRS挤出机的结构原理与普通行星挤出机较为相似，不同之处在于其每个行星齿轮的前端都延伸出20D以上长度的单头螺杆，行星齿轮仅起传动作用，依靠延伸的小螺杆混炼。其主要特点是具有更大的自由膨胀空间，便于脱挥。国外企业将 MRS高脱挥挤出机应用于PET 产业，能在熔融相将水分排出，使PET达到化学平衡，并保持所需的聚合物链长，且无需进行物料的预干燥[15]。图3为MRS挤出机的塑化混炼单元。

图3 MRS挤出机的塑化混炼单元Fig.3 Plasticating and mixing unit of MRS extruder

邹昌凤[16]申报的专利中介绍了一种行星螺杆流涎挤出机。该机型组成包括喂料部分、预热部分、行星塑化段、单螺杆挤出、过滤装置、增压计量、模具等部分。该项发明可用于生产加工结晶体材料，且不需要使用结晶干燥除湿机，节约了大量的能源。该设备还能 100%回收材料二次加工，有利于保护环境。行星螺杆流涎挤出机结构简图如图4。

图4 行星螺杆流涎挤出机结构简图Fig.4 Planetary screw salivated extruder structure diagram

胡建明等[17]实现了行星挤出机温度的精确控制。研究人员使用温度传感器PT系列进行温度采集，并将采集到的模拟信号通过单片机 SPCE061A集成的A/D转化为数字信号，采用16次平滑滤波进行数据处理,同时采用了数字PID控制，设计出了精密油温控制系统。研究人员将其应用于行星挤出机的温度控制系统，达到了对行星挤出机温度精密控制的要求。

4 行星挤出机的应用

4.1 行星挤出机的传统应用领域

（1）作为压延生产线的喂料装置。行星挤出机最典型的应用是用于 PVC压延法生产的喂料装置。对于诸如不同类型的PVC、ABS、氯乙烯共聚物、PP以及橡胶等物料的加工，其要求挤出机能够挤出塑化质量高、混炼均匀的熔体，并且使熔体的停留时间尽可能较短。行星挤出机能满足以上要求。将行星挤出机用作压延生产线的喂料装置时，应设置过滤网。

（2）利用行星挤出机粉料造粒。将行星挤出机与单螺杆挤出机进行组合，组成双阶挤出机。双阶挤出机能以较低温度生产高质量的粒料，并且不需要设置过滤网。

（3）行星挤出机用于挤出薄膜。经行星挤出机塑化混炼的熔体，在窄缝机头处形成了厚度约为1～2 mm的熔体层。通常，在机头处加装3辊或者5～6辊就可以利用混炼的熔体实现薄膜的生产[3]。

（4）行星挤出机应用于塑料的改性。张剑等[18]将行星挤出机应用于聚烯烃等热塑性塑料的改性，制得了高性能的塑料。

（5）行星挤出机用于木塑复合材料。德国Battenfeld公司开发了塑木材料加工用的新设备组合方法[19]，扩大了其服务和应用范围。北京化工大学研究人员将行星挤出机应用于木塑复合材料的加工，制的了性能良好的复合材料制品。

（6）行星挤出机在管材、吹塑等生产中的应用。行星挤出机的结构比较独特，其加料段等同于普通的单螺杆挤出机的加料段。加料段只能建立很低的压力，行星段的螺槽中仅部分充满物料。进料端采用双螺棱结构，该结构可以提高行星段供料的均匀性。一般带有强制加料装置。加料段部分的机筒有水冷系统，在与行星段连接处有隔热层。加料速度与螺杆传送速度应协调好，保证行星段物料的部分充满。

4.2 行星挤出机的最新应用领域

行星挤出机应用于新型高聚物复合材料轨枕的成型技术[20]。传统的木质轨枕和水泥轨枕有很多缺点，诸如木质轨枕容易老化、使用寿命较短、更替频繁；水泥轨枕的密度很大，并且价格是木质轨枕的两倍以上维修费用也相对较高。相比而言，新型高聚物复合材料轨枕的密度与木质轨枕相当，耐腐蚀性强、使用寿命长、维修费用相对较低且其力学性能十分优越，可以用来替代木质轨枕和水泥轨枕[21]。北京化工大学研究人员将行星挤出机用于新型高聚物复合材料轨枕的成型技术，制得了高性能的高聚物复合材料轨枕。由于该机型具有分散、分布效果好，塑化效能高产量大等优点，故该领域有望进一步发展。

行星挤出机应用于太阳能光伏 EVA板材的生产[22]。EVA电池板有较高的电绝缘，强度，透明和抵抗紫外线的要求。EVA板材的生产，要求塑料原料颗粒必须在不超过 150 ℃下与几种添加剂（助剂）一起柔和塑化。巴顿菲尔辛辛那提行星挤出机能在低温加工生产中达到高效分散和均化性能，这一优点能够很好的满足 EVA板材生产的要求。巴顿菲尔辛辛那提的PWE250行星挤出机每小时可生产EVA板材2 t。该机型的应用极大的提高了EVA板材的生产效率。

行星挤出机应用于制药工业[23]。现代医药热熔制粒技术借助于机械工程、计算机工程等相关科学技术的发展成果，促进了自身设备的不断更新与完善；医药用高分子材料学的进步，也为该技术提供更多的热熔性辅料。热熔制粒设备的发展同样重要。行星挤出机具有捏合质量好，工作效率高，节能省时的优点，可挤出温度较低且分布较均匀的颗粒。将行星挤出机应用于医药热熔制粒技术中，能极大的提高产品的产量和质量。目前，国外一些大型医药公司已经开始从事该方面的研究工作。图 5为组合式行星挤出机。

图5 组合式行星挤出机Fig.5 Combined type planetary extruder

5 结束语

随着人们对制品和生产效率要求的提高，行星挤出机以其优异的性能日益受到人们的重视。目前，行星挤出机的理论研究主要集中在参数计算和塑化效果方面；结构研究包括增加行星段的长度，行星挤出机与不同的挤出设备组合等。行星挤出机广泛地应用于各种领域，除了典型的塑料工业，在食品加工工业、化学工业、颜料（涂料）工业等领域也得到了应用。此外，行星挤出机建压能力较弱，对于如何利用单机实现复杂制品的生产还有待研究人员的进一步努力。

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Introduction and Research Progress of Planetary Extruders

JIN Heng-yi1, XUE Ping1, JIN Zhi-ming1, XU Shu-xun2
(1.Institute of Plastic Machinery and Engineering, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029, China; 2. Beijing Huatengjiahe Technology Co., Ltd., Beijing 102308, China)

The development, structure, working principle and characteristics of planetary extruders were briefly introduced; the theory and research progress of planetary extruders were summarized in detail; Traditional applications and the latest applications of planetary extruders were also listed. Simultaneously, application prospect of planetary extruders was discussed.

Planetary extruder; Structure and perinciple; Research progress; Application field

TQ 171.77

A

1671-0460（2014）11-2331-05

2014-04-14

金恒义（1987-），男，江苏泰州人，研究生在读，研究方向：组合式行星挤出机的研究。E-mail：jhy178673046@126.com。

金志明（1968-），男，浙江平湖人，副教授，研究方向：聚合物注射成型和特种工程塑料加工研究。E-mail： jinzm@mail.buct.edu.cn。电话：010-64436016