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雙螺桿擠出機(jī)的擠出過程詳解（二）

來源：塑膠五金網(wǎng)發(fā)布時間：2013-08-14 10:46:18點(diǎn)擊率：

　   【塑膠五金網(wǎng)】(3) 螺桿元件

　　根據(jù)實(shí)現(xiàn)功能的不同，可將螺桿元件分為輸送元件 (它由螺紋元件組成，可有不 同的螺紋頭數(shù)和導(dǎo)程)、剪切元件(主要是捏合盤及其組合)、混合元件 (主要是齒形 元件等)。有些雙螺桿擠出機(jī)制造廠家還能提供一些附加元件和其他新型元件。

　?、佥斔驮?輸送元件是螺紋形的，其功能是用來輸送物料，包括固態(tài)物料、已熔 物料和未熔物料，有的情況下，也輸送液態(tài)物料。螺槽形狀可以是矩形的，近似矩形 的，但目前流行的多是根據(jù)相對運(yùn)動原理生成的特殊形狀。

　　輸送元件就其輸送物料的方向來分，可分為正向螺紋元件和反向螺紋元件。

　　正向螺紋元件的輸送方向與擠出方向相同，它又分開放型的和封閉型的?？v橫向都 開放、且縱向開放較大的正向螺紋元件其特點(diǎn)是螺棱寬度比螺槽寬度窄得多，因而在一 根螺桿的螺棱和另一根螺桿的螺槽間有很大的空隙，通過這些空隙，物料可以交換，故 這種型式的螺紋元件的混合作用，尤其是軸向混合作用非常好。但因漏流大，輸送作用 減弱，物料停留時間也加長。封閉型螺紋元件的特點(diǎn)是螺槽寬度和螺棱寬度接近相等， 螺棱寬度要小于螺槽寬度。它主要用于輸送物料及需要在較短的軸向距離內(nèi)克服由于剪 切元件和混合元件所產(chǎn)生的阻力?？v向開放、橫向封閉的螺旋狀輸送元件是根據(jù)相對運(yùn) 動原理生成的，它屬于自掃型，是目前 的。它具有較強(qiáng)的輸送作用，物料在其中 的停留時間短，自潔性好，若充滿熔體，可在短距離內(nèi)建立壓力，但若未充滿熔體，則 不會建立壓力，其混合性能較差。

　　反向螺紋元件的幾何形狀和參數(shù)可和正向螺紋元件相同，只是螺紋旋向不同，因而 物料在其中的輸送方向與正向螺紋元件及擠出方向相反。當(dāng)它和正向螺紋元件聯(lián)合使用 時，正向螺紋元件向擠出方向輸送物料，反向螺紋元件則形成阻擋，故必須在反向螺紋 元件入口前建立高壓以克服反向螺紋元件的阻擋。這時其上游正向螺紋元件某一段軸向 長度內(nèi)的物料充滿度達(dá)100%?？梢?，用它可以建立反壓，即若將其設(shè)置于螺桿某一軸 向位置，可以形成對熔體的密封。例如，在排氣區(qū)上游設(shè)置反向螺紋元件，可以作為隔 離屏障。增設(shè)反向螺紋元件，除了建立壓力，還可促進(jìn)熔融，增強(qiáng)混合效果，增加物料 的停留時間和剪切能的輸入。

　　同向雙螺桿擠出機(jī)是在計量加料下工作的，因而可以在螺桿轉(zhuǎn)速不變的情況下，用 導(dǎo)程的變化來控制物料在不同軸向位置螺槽中的充滿度。例如，在排氣區(qū)和加料區(qū)，可 以采用大導(dǎo)程來創(chuàng)造低的充滿度，以利于排氣和物料的加入。而小導(dǎo)程的螺紋元件用于 壓實(shí)物料和形成100%的充滿度。例如，可將小導(dǎo)程螺紋元件用于捏合塊上游，或為了 創(chuàng)造熔體密封而采用小導(dǎo)程螺紋元件。

　?、诩羟性?此處所謂剪切元件，主要是指嚙合同向雙螺桿擠出機(jī)中常用的捏合盤 元件。因為它能提供高的剪切，因而能提供良好的分布混合和分散混合，故稱之為剪切 元件。如圖3-17所示。

　　(a)

　　(b)

　　(c)

　　(d)

　　(e)

　　圖3-17 剪切元件

　　(a) 螺紋元件 (b) 捏合盤 (c) 齒形盤 (d) 環(huán)壩 (e) 反螺紋元件

　　描寫單個捏合盤的幾何參數(shù)有頭數(shù)、厚度，描寫由幾個捏合盤串聯(lián)組合而成的所謂 捏合塊的參數(shù)有捏合盤個數(shù)、捏合塊的軸向長度、相鄰盤之間的錯列角。

　　捏合盤不能單個使用，而是成對使用 (即在兩根螺桿上裝上相應(yīng)的捏合盤成對使 用) 和成串使用 (即每一根螺桿上都裝上相應(yīng)的捏合塊使用)。在單個捏合盤中，與不 同頭數(shù)的螺紋元件相應(yīng)，捏合盤頭數(shù)分為一個頭的、二個頭的和三個頭的。就其近似形 狀而言，可以依次稱之為類偏心盤、菱形盤和曲邊三角形盤。

　　一頭 (類偏心) 捏合盤應(yīng)與單頭螺紋元件相接使用，一般用來混合難以混合的物 料，如環(huán)氧樹脂、聚酯、聚丙烯酸涂敷粉料等。由于其頂部與機(jī)筒內(nèi)壁接觸面積大，故 消耗功率大，其頂部和機(jī)筒內(nèi)壁易產(chǎn)生磨損，較少應(yīng)用，圖3-18 (a) 示出了它的幾 何形狀和結(jié)構(gòu)。

　　(a)

　　(b)

　　(c)

　　圖3-18 成對使用的捏合盤

　　(a) 一頭捏合盤 (b) 二頭捏合盤(c) 三頭捏合盤

　　二頭 (菱形) 捏合盤應(yīng)與二頭螺紋元件相接使用。因其裝到機(jī)筒后，與機(jī)筒內(nèi)壁 形成的月牙形空間大，輸送能力強(qiáng)，產(chǎn)生的剪切不十分強(qiáng)烈，故適用于對剪切敏感的物 料以及玻璃纖維增強(qiáng)塑料。正像雙頭螺紋元件一樣，它在嚙合同向雙螺桿擠出機(jī)中得到 廣泛應(yīng)用，圖3-18 (b) 為其外形和結(jié)構(gòu)圖。

　　三頭 (曲邊三角形) 捏合盤應(yīng)與三頭螺紋元件相接使用。由于它裝到機(jī)筒后與機(jī) 筒內(nèi)壁形成的月牙形空間小，故對物料的剪切強(qiáng)烈，輸送能力比二頭捏合盤低。可用于 需要高剪切才能混合好的物料。圖3-18 (c) 為其外形和結(jié)構(gòu)圖。

　　在垂直于捏合盤所在平面方向上盤的厚度稱為捏合盤的厚度。它也是一個重要參 量，與捏合塊的錯列角和組成捏合塊的捏合盤個數(shù)一起會對剪切混合起重要作用。捏合 盤不能單獨(dú)使用，必須成對、成串使用，成串即形成捏合塊。

　　捏合塊的性能與其各捏合盤之間的錯列角的大小和方向、捏合盤的個數(shù)、捏合塊的 軸向長度 (它等于單個捏合盤的軸向厚度乘上捏合盤的個數(shù)) 等有關(guān)。

　　錯列角，即在一根軸上相鄰安裝的捏合盤的中心線在圓周方向錯開的角度，它對捏 合塊的工作性能有重要影響。有錯列角，相鄰捏合盤之間才有物料交換; 有錯列角，成 串的捏合盤才能形成 (像螺紋元件那樣的) 螺旋角，沿捏合塊的軸線方向 (包括正向 和反向——即與擠出方向相同或相反) 才能有物料輸送。有的雙螺桿擠出機(jī)生產(chǎn)廠家 生產(chǎn)的捏合塊各盤連在一起，其錯列角是固定的，不能改變，但可以有不同值; 而有的 雙螺桿擠出機(jī)生產(chǎn)廠家提供的是單個捏合盤，由用戶自己組合而成捏合塊，因而各盤之 間的錯列角可根據(jù)需要設(shè)定。前一種情況應(yīng)用較多，多用于生產(chǎn)用雙螺桿擠出機(jī); 后一 種情況多用于實(shí)驗室用雙螺桿擠出機(jī)。

　　正向捏合塊是指錯列安裝的捏合盤形成的螺旋角與正向螺紋元件的螺旋方向一致， 其輸送方向與擠出方向一致。但也有物料流經(jīng)各盤錯列而形成的空隙的回流作用，其上 游螺紋元件的螺槽內(nèi)有回流物料。

　　反向捏合塊是指錯列安裝的捏合盤形成的螺旋角與反向螺紋元件的螺旋方向一致， 其物料輸送方向與擠出方向相反。它能產(chǎn)生反壓，通過它的總流動變成漏流。其上游螺 紋輸送元件內(nèi)物料的充滿度增加。但其產(chǎn)生的壓力降比反向螺紋元件小，這是由于錯列 角而形成的空隙造成的，錯列角越大，其分散混合越差。

　　中性捏合塊是指對二頭捏合盤，錯列角為90°，對三頭捏合盤，錯列角為60°而形 成的捏合塊。它對物料無軸向輸送能力，物料是依賴其上游正向螺紋元件建立的壓力而 通過它的。

　　錯列角對軸向通道 (漏流) 開口有很大的影響。錯列角越大，兩相鄰盤之間的角 度開口越大，在這些開口中發(fā)生漏流就越容易。在錯列角形成正向輸送的捏合塊中，開 口越大，會使輸送能力減小，充滿度和停留時間增加。在錯列角形成反向輸送的捏合塊 中，錯列角越大，意味著對聚合物輸送的阻礙越小。中性捏合盤有 大的漏流開口，當(dāng) 捏合塊旋轉(zhuǎn)時，會推動相等量的物料向正向和反向輸送。對二頭捏合塊，當(dāng)錯列角超過 45°，捏合塊的拖曳能力會猛烈地下降。

　　在介紹單個捏合盤時，已提到過捏合盤的厚度是個重要參數(shù)。在介紹了捏合塊的錯 列角后，再來討論捏合盤厚度的作用會更清楚些。

　　捏合盤能提供分散混合和分布混合。這兩種混合的相對強(qiáng)度，除了與相鄰捏合盤間 的錯列角有關(guān)外，還取決于每個捏合盤的厚度。捏合盤的厚度會引起軸向 (向上游或 向下游) 流動，這取決于錯列角的大小和方向。對于恒定的錯列角，增加盤厚會增加 物料沿下游螺槽的有效軸向取向表面，可用來支持在高剪切區(qū)內(nèi)通過應(yīng)力傳遞的能量輸 入。反之，會使黏性耗散增加。若忽略可能的溫升和剪切對黏度的影響，盤厚增加，導(dǎo) 致單位混合長度上分散混合成分增加，分布混合成分減少。當(dāng)捏合塊轉(zhuǎn)動時，每個盤的 頂部會在圓周方向推動一少部分物料。聚合物自身會在垂直于圓周方向流動，向下游和 向上游散布開來。每個盤越厚，會有更多的物料在軸線方向散布開。

　?、刍旌显?嚙合同向雙螺桿擠出機(jī)中的混合元件主要有齒形元件 (包括直齒和 斜齒) 和螺棱上開槽的螺紋元件。

　　齒形元件亦叫TME (Turbine Mixing Element，渦輪混合元件)。單個齒形元件像盤， 其圓周上分布若干齒，狀如齒輪。齒是直的，也可以是斜的，這又分為兩種情況，一種 是齒盤與軸線垂直安裝; 但齒加工成斜的 (與軸線成一角度)，還有一種是齒盤做成斜 的，而齒的方向可以與盤的軸線平行，也可以成一角度。這種元件對機(jī)筒內(nèi)壁有掃過作 用。齒形元件可以做成盤狀，然后成組安裝 (中間用環(huán)隔開); 也可以做成整體，有幾 排齒。齒形元件一般成組使用。使用時不像傳動齒輪相互嚙合而是一根螺桿上齒盤的齒 插入另一根螺桿兩個齒盤之間。

　　齒形元件是一種很好的混合元件。在兩根螺桿上的齒形盤非交錯區(qū)可以對物料進(jìn)行 分流，增加界面，提供 小的能量輸入，有利于分布混合，產(chǎn)生較低的溫度; 在交錯 區(qū)，兩根螺桿上的齒形盤可以對料流形成垂直于流動方向的剪切力，也有利于分布混 合。如果兩螺桿上的齒形盤元件間的間隙很小，因相互間的相對速度很大，會產(chǎn)生很高 的剪切速率，有利于分散混合。如果為直盤、直齒，則物料通過齒形元件主要靠壓力 差，故要在其上游形成一定的壓力; 如果為直盤、斜齒，且齒的傾斜方向與正向螺紋元 件的螺旋方向相同，則有一定的拖曳輸送能力，消耗的壓力能較小; 如果齒的傾斜方向 與此相反，物料通過它要消耗較大的壓力能。應(yīng)當(dāng)指出，對于直盤齒形元件，只有齒頂 與機(jī)筒內(nèi)表面相互掃過，而在非交錯區(qū)齒間的機(jī)筒內(nèi)表面未被齒掃過，因物料流動速度 低，有可能造成物料停滯和分解。

　　螺棱上開槽的螺紋元件是在螺紋輸送元件的螺棱上開了若干溝槽而形成的。溝槽能 使相鄰螺槽相通，有利于相鄰螺槽間物料交換，對熔體進(jìn)行均化，促進(jìn)縱向混合。但由 于螺棱開了槽，其輸送能力和建壓能力降低，但會使物料在螺槽中的充滿度增加，增加 了物料的停留時間。

　?、芷渌輻U元件 目前國內(nèi)雙螺桿制造廠家生產(chǎn)的螺桿元件大多為常規(guī)螺紋元件、 捏合塊，也有齒形元件。隨著雙螺桿擠出機(jī)向高速高效發(fā)展，應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，對其完 成的混合任務(wù)要求越來越高，為適應(yīng)這一要求，國外雙螺桿擠出機(jī)制造廠家相繼開發(fā)出 一些新型螺桿元件。

　　大螺距螺紋元件，是由Farrel Co. 研制的，叫做FAMME (Farrel Asymmetric Modular Mixing Elements)。但它與常規(guī)大螺距螺紋元件不同，它在垂直于軸線的截面內(nèi)具 有非對稱的形狀，在螺紋元件和機(jī)筒內(nèi)壁之間形成大的間隙，其螺棱頂部較窄，螺 紋導(dǎo)向邊和拖曳邊的輪廓也不相同。它的螺棱由兩段構(gòu)成，一段為左旋，另一段為 右旋 (可以是在一個元件上作出，也可以由兩個不同螺旋方向的元件組成)。兩根螺 桿上都裝上這種元件，相互嚙合部分的螺旋方向一致。每段螺紋對應(yīng)的螺槽，兩端 根徑大，中部根徑小。當(dāng)這種元件旋轉(zhuǎn)時，會引起物料在圓周方向較大的流動，物 料流經(jīng)螺棱頂部時，受到一種可控剪切。由于這種圓周方向的流動以及元件間存在 的嚙合區(qū)，使兩螺桿間發(fā)生物料交換; 這種元件能提供足夠的間隙而引起相對大的 局部回流。實(shí)驗表明，由于這種元件能使大部分物料經(jīng)受恒定的可控剪切和建立恒 定的壓力，故物料的溫升較低。

　　該元件由六方棱柱扭轉(zhuǎn)了一個角度而形成。這種元件要成對使用，一根螺桿上裝一 個，并有相位要求。它能提供恒速移動的嚙合區(qū)，產(chǎn)生擠壓，有周期性的流型，能連續(xù) 地將料流劈開，有利于物料的熔融和混合。與捏合塊能產(chǎn)生不平衡的剪切速率和 “熱 點(diǎn)” (thermal hot spots) 不同，這種元件能保持可控剪切、壓力和溫度，而又不會犧牲 混合質(zhì)量。

　　(4) 為了讓廣大讀者更簡明扼要地了解雙螺桿擠出機(jī)的工藝技術(shù)操作條件，現(xiàn)將 擠出過程操作條件與過程參量的關(guān)系繪制成圖，如圖3-19所示。

 

　　圖3-19 擠出過程操作條件與過程參量的關(guān)系

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