挤出滚圆法造粒过程中载物量影响探讨
包家汉¹ 潘家祯²
(1.安徽工业大学机械工程学院,安徽马鞍山243002;2.华东理工大学化工机械研究所,上海200237)
     

     摘要：分析了挤出滚圆法造粒过程中载物量对颗粒质量的影响，结果显示在其它参数保持不变情况下，随滚圆机载物量增加，颗粒粒径逐渐增大，最后出现结块。通过降低物料湿度可减少由于载物量增加造成的不良影响，提高造粒产量。
     关键词：挤出滚圆；球形颗粒；载物量；圆度

     影响挤出滚圆法造粒的因素很多，其中关键因素是物料特性和造粒过程中物料的湿度。适合挤出滚圆法造粒的物料挤出物必须能甩断成短圆柱形，并具有足够的塑性滚成球形。为使挤出物具有适当的塑性，一般加入粘合剂来调节，通常为水，也有用水和乙醇的混合物的。物料特性不同，适合造粒的湿度也不同，湿度过大，会造成颗粒变大、结块、粘壁等现象；湿度太低，则挤出物甩不断，出现短圆柱、哑铃等形状的颗粒。在一定湿度范围内，随着水分增加，颗粒直径也随之增大。以上所讨论的均为滚圆机载物量(spheroniser load)相同时湿度对造粒的影响。在造粒过程中，即使物料湿度相同，随滚圆机载物量增加，也会出现颗粒变大、结块等现象。本文分析了造粒过程中载物量对颗粒质量的影响，并提出通过降低物料湿度来减小由于载物量增加而造成的不良影响，以提高造粒产量。
1 实验材料与仪器
     微晶纤维素(1，江苏常熟药用辅料厂)。EXT50型挤出机、SPH330型滚圆机(华东理工大学化机所)。
2 实验方法
2．1 物料湿度相同时载物量的影响
     分别将50、100、150、200、300、350g和水按1：1．1(w／w)混合，搅拌均匀，进行试验。在挤出滚圆过程中，挤出孔直径1.0mm，挤出转速为52r／min，滚圆转速为1100r／min，滚圆时间3min。制得的颗粒烘干，筛分，分别测定平均粒径d。(40目以下按60～40目计算，18目以上按18～14目计算)。并在投影仪上测量30～24目、24～20目间颗粒的长短径(二轴径)，每批颗粒测量100组数据，将各颗粒的长短径比值的平均值作为此载物量下颗粒的圆度。
2．2 不同载物量对适当湿度物料的影响
     分别取50、100、150、200、300g，调整加入的水量，混合，搅拌均匀后，进行挤出滚圆，直至得到外观质量满意(即外观圆整且粒径分布均匀)的颗粒。将质量较好的批次的颗粒烘干后过筛，按“2．1”项下方法计算d 和圆度。记录颗粒质量较好批次的水分含量，计算物料湿度。
3 结果
3．1 不同载物量对相同物料湿度颗粒质量的影响

     表1是湿度相同的各批物料在不同载物量下所得颗粒的质量情况，从中可看出：随着载物量的增加，颗粒的d 逐渐增大，直至结块；3O～24目颗粒所占的质量百分比逐渐降低，同时24～18目的质量百分比增加。1从50g增加至300g时，20～18目颗粒和18目以上的颗粒的质量百分比分别从0增加到6.42％和2.8％ ，表明滚圆过程中颗粒粒径存在着随载物量的增加而增长的现象，这也和颗粒外观描述中的情况相一致。试验表明，绝大部分颗粒的粒径在30～20目范围内(除1为350g的批次外，各批该范围内颗粒的质量百分比均在90％以上。其中50g时30～24目颗粒的质量百分比为85.3 ，粒径分布情况较好，但此时的颗粒基本为短圆柱和哑铃形，外观质量较差，所以筛分法必须和其它方法结合起来，才能有效的评价颗粒质量。
     当1的用量逐渐增大至200g时，滚圆颗粒的圆度逐渐趋于1.0，表明随载物量的增加颗粒更圆。但当1增至300g时，出现较多大颗粒，且颗粒圆度有下降的趋势。
     对比颗粒在30～24目和24～20目问的圆度，发现各批次中后者的值均较前者大。说明同批次制得的颗粒，其主要区间颗粒的圆度随直径的增大而降低。另外圆度数据也和颗粒的外观描述相一致。表明仅凭筛分法得出颗粒质量好、某区间得率较高及粒径分布带窄的结论会有一定的误导。
     
     表2为不同载物量对适当湿度物料制得的颗粒粒径的影响。对比表2中30~24目、24~20目间颗粒的圆度，同样可发现在同一批次中30~24目间颗粒的圆度值小于24~20目间的值，和前述的结论一致。
     将表2中1质量(z)和水分比(y)数据进行拟合，以双曲线函数和实验数据拟合最佳，相关系数达0.993(图1)，拟合方程为：
                                
     该式表明为使制备的颗粒具有较佳的外观及粒径分布，随1质量的增加，必须逐步降低物料中水分含量，二者成反比关系。
     由表2可见，1为200g时制得的颗粒圆度最佳，此时水分比为1.075，d 为0.764mm。1为50、100及150g时，可适当增大物料水分使颗粒粒径增至0.764mm(该粒径时颗粒的外观及圆度较佳)，其中100g和150g时的增幅可略大。
4 讨论
4．1 用挤出滚圆法制备球形颗粒，若制备过程中水分比保持不变，随着载物量的增加，会逐步出现双粒、哑铃状颗粒、颗粒质量良好、大颗粒、结块等现象，颗粒粒径也随载物量的增加而增大。
                           
     这是由于颗粒在滚圆盘上滚动时，受重力、圆盘支持力、筒壁支持力、圆盘和筒壁对颗粒的摩擦力及颗粒间的挤压力、摩擦力及粘合力等作用力的协同作用。若挤出物中水分比相同，则颗粒的塑性、强度和粘合力相同。颗粒在滚圆盘上一方面作螺旋起落运动，一方面作自转运动。当载物量增大时，靠近筒壁部位的颗粒所受挤压力较大；另外，颗粒间碰撞、挤压的机率也增大。当颗粒的塑性变形增加，从较圆的球形变成椭圆形或扁平状时，颗粒间的接触面积增大，摩擦力和粘合力变大，颗粒粘附在一起，形成较大颗粒；随着颗粒表面的干燥，颗粒间粘合力降低，颗粒形成更大颗
粒的可能性减小，最终造成颗粒分布带较宽，粒径普遍较大的现象。当载物量进一步增大时，结块就更严重，并且由于这些结块颗粒的质量较大，处于转盘底部时，所受挤压力更大；同时受转盘摩擦力变大及转盘表面形状的影响，颗粒在转盘上间歇性跳跃，而跳跃过程中颗粒自转较慢或不自转，摩擦接触面固定，形成了圆度较差的大颗粒，甚至不规则的粘结块，1为350g时就属于此情况。
4．2 在工业化生产中，为提高产量，滚圆机的载物量必须提高，这时可通过降低物料中水分来得到质量较好的颗粒。但是在实际生产中也并不能简单地依靠降低载物量增大时的水分比来控制颗粒的粒径。Li等对不同周向压力的试样作了研究，表明物料强度同周向压力有关。载物量增大，必然引起周向压力的增大，进而导致挤出强度的增加；挤出物破断长度增加，也会引起颗粒直径的增大。因此，对于载物量增加时颗粒粒径增大的原因，应作具体分析：是由于水分偏高引起小颗粒团聚造成的，还是由于水分偏低使挤出物破断长度增大造成的。这主要根据经验判断，观察制得颗粒的外观质量，如其中是有双粒或哑铃状颗粒还是有少量粒径较大的圆颗粒出现。