常規(guī)單螺桿擠出機(jī)用于混合時(shí)存在的問題

來源：塑膠五金網(wǎng)發(fā)布時(shí)間：2013-08-13 10:14:31點(diǎn)擊率：

　　【塑膠五金網(wǎng)】常規(guī)單螺桿擠出機(jī)主要用于擠出成型制品。如果將其用于混合，則其混合能力有限，不能很好地完成聚合物改性中的混合任務(wù)。這是因?yàn)槠鋽D出過程的機(jī)理和螺桿構(gòu)型等原因造成的。

　　(1) 強(qiáng)制熔體移走下的傳導(dǎo)熔融機(jī)理限制了其混合能力

　　研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)混合而言，混合在物料塑化熔融時(shí)就開始。對(duì)于分散混合，其關(guān)鍵變量是剪切 (拉伸) 應(yīng)力，它等于黏度乘以剪切 (拉伸) 速率。要想得到良好的分散混合，除了要有高的剪切 (拉伸) 速率外，需要物料有較高的黏度。而在常規(guī)單螺桿擠出過程中，固體床中物料不能混合，在熔膜和液相中，物料的黏度很低，不能產(chǎn)生高的剪切 (拉伸) 應(yīng)力，因而不能實(shí)現(xiàn)良好的分散混合。對(duì)于分布混合，在物料變成熔體后，可以獲得一定的應(yīng)變，而應(yīng)變是實(shí)現(xiàn)分布混合的關(guān)鍵變量。應(yīng)變等于剪切速率乘時(shí) 間，如果為獲得高的剪切速率而提高螺桿轉(zhuǎn)速，這對(duì)分散混合不會(huì)有大的改進(jìn)，而對(duì)分布混合有利，但轉(zhuǎn)速的提高，有可能使相變點(diǎn)移向口模，而影響塑化質(zhì)量。這是相互矛盾的。

　　總之，常規(guī)單螺桿擠出過程固液相界限分明地共存于一個(gè)螺槽中，強(qiáng)制熔體移走下的傳導(dǎo)熔融機(jī)理限制了其混合能力，也不是一種有效的熔融機(jī)理。

　　(2) 常規(guī)單螺桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)限制了混合能力

　　根據(jù)混合理論，獲得良好分散混合，需要獲得高的剪切 (拉伸) 速率。除了提高螺桿轉(zhuǎn)速外，應(yīng)在混合器內(nèi)設(shè)置窄間歇區(qū)。這種窄間歇應(yīng)設(shè)計(jì)成錐形或楔形入口，這樣就能產(chǎn)生液體動(dòng)壓，阻止壁面滑移，產(chǎn)生高剪切，并有可能產(chǎn)生拉伸流動(dòng)，從而有利于把緊密連接在一起的粒子分開，使弱連接的粒子分成更小的粒子，把少組分的液滴拉伸成絲再斷裂?；旌掀鞯脑O(shè)計(jì)還應(yīng)使所有流體微元有相等機(jī)會(huì)重復(fù)地通過這些窄間隙的高應(yīng)力區(qū)，通過的次數(shù)越多，越有利于分散混合。

　　圖3-7 擠出工藝關(guān)系圖

　　對(duì)于分布混合而言，混合器除了應(yīng)能提供高的剪切 (拉伸) 速率，以獲得大的 (剪切、拉伸) 應(yīng)變外，還應(yīng)能不斷地調(diào)整流體微元的界面取向，以利于界面增長，利于分布混合。這就要混合器的幾何構(gòu)型能不斷地使熔體的流動(dòng)方向改變，如分流、合并、置換、折疊等。

　　如果用上述原則來分析常規(guī)單螺桿擠出過程，可以看出，由常規(guī)螺紋構(gòu)成的常規(guī)三段螺桿構(gòu)型中，沒有窄間隙的高剪切區(qū)。常規(guī)單螺桿的計(jì)量段螺槽深度一般為0.02～ 0.06/0.08D，如D=45mm的螺桿，其槽深為3～4mm，對(duì)混合而言，這不是窄間隙的高剪切區(qū)。有人會(huì)問，螺桿與機(jī)筒之間的間隙很小，一般等于零點(diǎn)幾毫米，應(yīng)是窄間隙的高剪切區(qū)?誠然，是高剪切區(qū)，但是通過次數(shù)分布函數(shù)分析發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)物料并沒有通過該間隙，即通過該間隙的物料只是其總量的很少一部分，因而對(duì)整個(gè)混合貢獻(xiàn)不大。另外，物料變成熔體后，其在螺槽中的流動(dòng)近似螺旋流，對(duì)于混合需要的不斷改變流體微元的界面取向來說，顯然作用是較小的。另外，對(duì)于良好的混合而言，不但要在垂直于流動(dòng)方向的截面內(nèi)有均勻的橫向混合，而且在垂直于流動(dòng)方向不同截面上有均勻的縱向混合。但常規(guī)單螺桿在螺桿末端的徑向溫差高達(dá)10～20℃，說明其橫向混合性能較差，其停留時(shí)間分布函數(shù)較窄，說明縱向混合能力也較差。

　　綜上所述，可見常規(guī)單螺桿擠出機(jī)的混合性能較差，不宜作為混合設(shè)備應(yīng)用。

　　(3) 加料量對(duì)充滿度及剪切強(qiáng)度的影響

　　常規(guī)單螺桿擠出機(jī)一般都是采用溢流 (或重力) 加料，加料量不是一個(gè)獨(dú)立的操作變量，加料量隨螺桿轉(zhuǎn)速而變化，螺桿轉(zhuǎn)的快，加料量多，螺桿轉(zhuǎn)的慢，加料量少。這就導(dǎo)致在正常擠出過程中 (排氣螺桿排氣區(qū)除外)，沿螺桿各功能段，物料的充滿度皆為1，即每段螺槽皆充滿。由于物料在螺槽中承受的剪切強(qiáng)度除與螺桿轉(zhuǎn) 速有關(guān)外，也與充滿度有關(guān)，故在充滿度皆為1的情況下，很難對(duì)不同功能段應(yīng)承受的剪切強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)控。另外，在各處螺槽皆充滿的情況下，在擠出過程下游再加入其他物料就比較困難，因?yàn)樵诩尤胩?，螺槽的充滿度應(yīng)小于1，即不能充滿，留出空間，才能將要加入的物料加入。還有，螺桿構(gòu)型設(shè)計(jì)必須考慮下游加料口前后流量的平衡，否則會(huì)引起冒料。而在塑料改性 (共混、填充、增強(qiáng)) 中，不同組分的物料在螺槽中呈半饑餓狀才能互相發(fā)生位移，有較好的混合作用，有時(shí)一部分物料必須在擠出過程下游指定位置加入才是。這就是常規(guī)單螺桿擠出機(jī)不適于進(jìn)行塑料改性、混合的另一個(gè)原因。

　　(4) 螺桿 (機(jī)筒) 的整體式限制了常規(guī)單螺桿擠出機(jī)的適應(yīng)性

　　用于擠出成型制品的常規(guī)單螺桿擠出機(jī)的螺桿和機(jī)筒一般都是整體式。整體式的螺桿構(gòu)型一般都是根據(jù)一種類型或相近類型的物料的加工特性設(shè)計(jì)的，按習(xí)慣分為： ①漸變型螺桿，它適于加工聚氯乙烯等對(duì)剪切和熱敏感的物料; ②突變型螺桿，它適于加工結(jié)晶型物料，如聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺等; ③通用型螺桿，它以加工聚烯烴物料為主，兼顧其他塑料。對(duì)于擠出成型制品來說，這三種螺桿基本還能滿足需要。但對(duì)聚合物改性來說，只有兩三種類型的螺桿是滿足不了要求的。因?yàn)?，?duì)于每一種特定的改性物料和工藝配上一種專用螺桿，才能獲得混合效果。如果把螺桿做成整體式來適應(yīng)這些要求，既不經(jīng)濟(jì)，也不可能。故只配備整體螺桿是滿足不了塑料改性中千變?nèi)f 化的混合要求的。

　　綜上所述，單螺桿擠出機(jī)是不宜作為共混改性設(shè)備的，即使是通過配備改進(jìn)后的新型螺桿，在擠出質(zhì)量、生產(chǎn)量、塑化效果等方面也不盡人意。而將單螺桿擠出機(jī)與密煉機(jī)、雙螺桿擠出機(jī)等配套，作為成型造粒設(shè)備，還是可以的。

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