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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 螺杆局部构型设计 依据捏合同向双螺杆挤出过程一般由固体输送、熔融、熔体输送、混合、排 气等区段组成, 以及同向双螺杆是组合式, 即整根螺杆是由完成不同功能的螺杆 区段组合而成的特点, 因而整根螺杆的组合应包括两方面：一是完成不同局部功 能的各种螺杆区段（即局部构型）设计,二是针对整个挤出过程完成的任务,整根螺杆的组合设计；这里先争论螺杆的局部构型设计；1.加料段：此处所指的加料段,是指第一（或主）加料口下方对着的螺杆区段；对 这一段的主要要求是能顺当地、多适应性地加入物料,包括能适应各种外形 的粒料、低松密度的粉料、含有纤维状添加组分的物料的加
2、入；据此,大螺 距、正向螺纹输送元件用在此处可获得最大的加料才能；有资料举荐这一段也可采纳加大螺槽深度的螺纹元件,可使其容积输送才能超过一般标准螺纹元件,因而也可获得较大的加料才能；下图表示的为 Berstorff 公司的加料段螺杆槽深度的变化情形；对于 ZE-A 系列,在给定的中心距下,果敢外径 D于螺杆的根径 d 的比值由 ZE 系列的 D/d=1.24 加大到 1.43,其后来的 ZE-R系列其 D/d=1.74,这比 ZE 型的体积增加了 2.3 倍；2.用于压缩物料的螺杆局部结构：像单螺杆挤出过程一样,在固体输送段要将松散的粉状物料压实或提高粒状料在螺槽中的布满程度；以利于促进物料的
3、熔融、塑化,就要设置能实现这一要求的螺杆局部结构；分段转变螺距,使螺距由大到小,这是当前流名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 7 页精选学习资料 - - - - - - - - - 行的组合式双螺杆通常采纳的方法；应当指出,加工低松密度的粉状物料,在组合不同导程螺纹元件时一般不会显现什么问题；但如加入的是颗粒料,就相接螺纹元件导程的变化有时会导致挤出机过载,化的程度时要考虑到这点阶跃式导程变化对布满度的影响3.用于熔融塑化的螺杆局部构型：为此在设计相邻导程变熔融塑化给定聚合物的正确螺杆构型取决于物料的比热容、熔点、熔体粘度以及聚合物在固体状态时粒子的大小；标是在设定的温度下
4、将固体物料匀称、用于熔融、 塑化的局部螺杆构型设计的目 快速熔融； 使物料熔融的热源有两个, 一个是由机筒加热器供应的外热, 另一个是由螺杆导入的机械能转变的摩擦热、苏 醒形变热和剪切热, 而后者是主要的； 为导入剪切热, 在熔融塑化段应设置捏合 块、反向螺纹元件、反向密炼机转子式（或大导程）螺纹元件,并将这些元件在 预定的螺杆轴向位置与其上游的正向螺纹元件有效的组合起来,详细如下图所示a 反向螺纹元件； b正向捏合块 +反向螺纹元件；c正向捏合块； d反向非对称大导程螺纹元件；评判用于塑化熔融的局部螺杆构型好坏,应当是其将机械剪切能转变为热而 使物料熔融得最快、 最完全,又不使物料温度上升,
5、 即能量利用最好； 试验发觉,上图 b所示构型,在螺杆高速运转下,物料熔融的很快,且熔融区的长度很短；但是在该区段及其上游一段区域内物料的温升很高,大大超过原先的设定温度 （）和熔融物料所需要的能量, 而且熔体压力也很高； 这说明这种螺杆构型耗散了过名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 7 页精选学习资料 - - - - - - - - - 多的机械能,除使物料熔融外,仍使熔体温度大大上升,明显不是正确；争论发觉,某些聚合物,在二头螺杆元件系统中使用三天捏合块会更好地实现熔融,与相当的二头捏合块相比,这种三头捏合块能供应更有效的能量输入,这是由于其啮合区两螺杆的相互作用和最大
6、、最下剪切速率间较小的差别而使能量更匀称地输入的结果, 它对熔融结晶性工程树脂特殊有效；而采纳标准的二头正向和中性捏合块时, 捏合块中的漏流缩短了物料在高剪切区的环流,熔融会不完全；反向螺纹元件除了前述的缺点外,其所产生的压力梯度对物料粘度的敏锐性要大于三头捏合块；所以,三头捏合块可以塑化具有宽粘度范畴的聚合物；有资料报道,用于熔融的较好螺杆构型是上图d所示的组合有非对称大导程的新型螺杆元件的构型, 它可以使大部分物料经受可控恒定的剪切和压力,故物料温升不高；为了防止在熔融塑化区产生过高的温度梯度,可将剪切元件和正向螺纹输送元件相间组合,使总能量的输入以肯定得次序在肯定得轴向长度内分布开来,如
7、为 Berstorff 公司用于熔融的螺杆构型 c所示；4.用于排气的螺杆局部构型 啮合同向双螺杆挤出机都设有排气段,把物料中的湿气、夹带的空气和挥发 的组分除去；在排气口的上游,应将熔体密封,使之建立高压；而在排气区,即 与排气口对应的区,应使物料在螺槽中的布满度较低,并与大气或真空泵相通；使熔体密封并建立高压的方法可采纳反向螺纹元件、反向捏合块或调压阀； 在排气区就应当采纳大导程螺纹元件如下图（）,以形成低布满度和薄的熔体层；使物料有可暴露的大的自由表面,长的停留时间, 以利于排气； 有资料建议在排气区如采纳多个小螺距螺纹元件, 会有利于可暴露的自由表面的不断更新,加长停留时间,有利于排气
8、； （）另外,像单螺杆排气挤出机的排气螺杆设计那样,应名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 7 页精选学习资料 - - - - - - - - - 保证排气口上游螺杆段的输送才能小于或等于排气口下游螺杆段的输送才能,以建立流量的平稳,使排气口下游熔体布满的回溯长度（）不进入排气区,防止排气口溢料；5.用于熔体输送的螺杆构型在同向双螺杆挤出机的螺杆组合中,有时要采纳捏合块、反向螺纹元件；物料通过这些元件, 需要在其上游建立压力 （图）；物料通过机头也需要建立压力；而只有在完全布满物料的螺杆段才能建立压力；因而啮合同向双螺杆挤出机的压力建立才能来自螺槽连续布满的才能；100%的布
9、满度能使轴向有通道的螺杆构 型在短距离内建立起压力； 而熔体对螺杆的布满长度 （前称之为回溯长度） 取决 于物料的年度、螺杆导程、螺杆转速、加料量和口模阻力；前已述及,建压相伴 着温升,这是由于聚合物低的传热系数和螺杆冷却表面与熔体挤出量之比较低所 致；为使建压带了的温升最低,必需优化建压螺杆构型,以削减背压区（或回溯 区）的长度,使输入物料的能量最小；背压区变短,意味着在预定的压力下,对流率为某一值的熔体挤出段,压力梯度必需达到最大值；应当指出,如螺杆构型或操作条件挑选不当,有可能导致挤出不稳固,如波 动；排气口下游熔体输送区的熔体布满段的回溯长度下延长到排气段时会导致排 气口冒料；6.与多
10、个加料口相适应的螺杆构型 在某些情形下,某些组分要在沿螺杆轴线方向的不同位置加入；这样,除主加料口外, 挤出机上仍会有其它后续加料口；这时,螺杆构型就应当与全部不同加料口相适应； 明显,在后续加料口上游应设置密封螺纹元件,而在对着加料口 的螺杆上设置大螺距、 物料不能布满的螺纹元件, 以容纳加进的组分和使之简单加入；对于热和剪切过敏锐的添加剂, 应在基体聚合物已在高剪切区完全熔融后 再加入,即在该处设置添加剂加料口, 该加料口下游的螺杆构型要设计的能够提名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 7 页精选学习资料 - - - - - - - - - 供低剪切的混合； 当加入增强填
11、料时, 例如加入玻纤, 就应在聚合物已熔融后加入,以爱护玻纤不致被过分剪断,影响增强成效和过度磨损螺杆；玻纤加入口下游螺杆构型特别重要, 它打算了最终纤维长度及其分布；当加入低熔点的添加剂时,应在聚合物完全融熔后加入；假如加入的添加剂是液体, 就应当用高压泵打入,此时机筒上加入口最好是单向阀结构,以保证添加剂不返回, 螺杆该区段可以布满或不布满物料, 但其压力应小于高压泵的压力；当加入高浓度液体时, 应采纳几个下游加料口,逐步分布加入,使之渐渐与聚合物熔体混合,将之稀释,而对应每个加料口下游的螺杆元件的混合强度应逐步增强,的聚合物熔体和液体添加剂形成的混合物；7.混合段的螺杆构型以均化粘度逐步
12、减小啮合同向双螺杆挤出机主要是用来对物料进行改性,混合是最关键的一步；物料的混合除了与螺杆的构型有关外,仍与物料的性能、状态及操作条件有关；过去一般认为混合主要是在聚合物变成熔体后才真正的进行；但近来的争论发 现,在双螺杆的熔融段, 聚合物共混物分散相尺寸发生急剧下降,从初始的毫米级的宏观粒子很快减小到熔融终止后的几十微米；与熔融区对共混外形结构的影响相比,熔体输送区对混合的影响要小得多；换而言之, 分散相颗粒尺寸在软化（对无定型聚合物）阶段或熔融阶段（对半结晶聚合物）变化很大,而当聚合物完全熔融后期分散相颗粒尺寸变化不大；程的熔融阶段也就是混合开头的阶段,这就提示我们, 啮合同向双螺杆挤出过
13、 这与以往的概念是不同的； 为此,就应当把熔融段和混合段的螺杆构型统一起来考虑；下图（）表示 w.p 公司双螺杆组合设计中齿形元件和其它元件组成的增加分布混合强度的螺杆构型；图（）为增加混合强度的由捏合块及螺纹元件组成的混合段；名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 7 页精选学习资料 - - - - - - - - - 螺杆的整体构型设计：1.混合作业的目的,最终制品的配方和加入双螺杆挤出机进行混合时物料各 组分的外形、性能和配比；从整个工艺来看,对加料的方式、次序等有无特殊要 求必需弄清晰； 由于在不少情形下, 为了达到规定的混合目标, 并不总是把参混 的聚合物及其添加剂在
14、一起游第一个加料口加到挤出机中去,有时要依据物料加 料特性、输出、熔融和混合特性、混合物中各组分应达到的最终混合状态,在挤 出过程的不同阶段, 在螺杆轴线的不同位置, 将聚合物或添加剂按肯定比例份数加到几次系统中, 这就涉及及需要设置几个加料口,是否需要侧加料口和液体添加剂注入口的问题,而这对机筒元件的挑选和整根螺杆的构型设计会有很大影 响；2.假如挤出过程主要是实现分布混合,如混合理论所述, 其关键变量是应变,就螺杆构型应能供应足够的应变外, 仍应使物料在螺杆中流淌时能不断重新取向（或不断调整其流淌方向） ,使其与剪切方向成45 ；依据争论和实际体会,在进行螺杆构型设计时, 为了获得大的应变
15、, 并非剪切元件数量越多越好,而应在剪切元件之间引入混合元件, 以使由剪切元件流出的物料界面无规化,这样可以在增加很少或不增加剪切的情形下获得大的界面增长,从而实现良好的分布混名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 7 页精选学习资料 - - - - - - - - - 合；另外,用两个或更多个的输送元件将混合段隔开,这将给系统中粘弹物料一个机会,在其进入下一阶段之前放松一下,从而复原它因来自上一段的剪切变稀而减小的年度,使其粘度增大（为实现良好的混合,应保持较高的粘度）,这样混合会更有效,且能量输入最小（削减主机电流）；3.假如挤出过程主要是实现分散混合, 即使某些组分的粒径小到所期望的值,就螺杆构型的设计与前面就有所不同；分散混合的关键变量是应力, 只有能供应大的剪切力, 才能使结块和液滴破裂； 这就要在螺杆中设置高剪切区,而且要使物料多次通过这些高剪切区； 高剪切区最好设置在物料的熔融阶段；这是由于每通过一次高剪切区, 界面与剪切方向不同, 可能得到最大的剪切成效, 这和物料在开炼机中薄通次数越多, 分散混合越好一样, 由于在熔融段物料粘度大, 故在此时提高剪切,分散成效好；名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 7 页