（材料加工工程专业论文）新型销钉螺杆挤出机的研究.pdf

摘要 摘要 本文从理论研究、可视化螺杆挤出的模拟实验以及实际实验几方面，研究新型销钉 螺杆挤出机螺杆及套筒上均加销钉的螺杆挤出机中熔体的流动混合情况，指出销钉 对流体的混合作用，分析流体在销钉问的运动状态及变形情况。 通过模拟实验，比较了在螺杆和套筒上都加销钉、只有螺杆上加销钉以及不加销钉 的常规螺杆几种情况下挤出机中流体的流动情况。通过m a t l a b 软件的c u r v ef i t t i n g 工具箱对实验数据进行拟合并且作图分析，分别得到了几种情况下的拟合曲线和拟合方 程，并由p d e t o o l 工具箱对流体的流动情况进行分析，得到了流体流线图。而实际的螺 杆及套筒均加销钉的销钉螺杆挤出机及常规螺杆挤出机的共混挤出实验，则进一步证实 和肯定了模拟实验的结果。 实验结果表明，在销钉的作用下，粘性流体既发生剪切变形，又发生拉伸变形，正 是这两种变形情况的同时存在，强化了混合效果。而螺杆上销钉和套筒上销钉共同作用 所产生的强烈的剪切力是取得良好的混合效果的最重要的因素。螺杆和套筒上都加销钉 时，混合效果远超过另两种结构的螺杆，混合长度大大减小，温度分布均匀。在其它条 件相同的情况下，螺杆转速越大，物料粘度越大，混合效果越好。 通过实际的新型销钉螺杆及常规螺杆挤出实验对比，发现在销钉螺杆中，碳黑在聚 丙烯熔体中分散得更均匀，混合效果较常规螺杆好得多。并且分别在新型螺杆及常规螺 杆上共混挤出p p p a 6 复合材料，通过实际实验的结果对比发现，此新型销钉螺杆挤出 机共混挤出材料，由于熔料混合效果的提高，共混挤出复合材料在力学性能等方面均优 于常规螺杆挤出机。 关键词：销钉，挤出机，流场，混合，拟合，m a t l a b a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , s t u d yo nn e w t y p es c r e we l e m e n t s - - p i n sw a sm a d eb ya c a d e m i cs t u d y 、 v i s u a ls i m u l a t i v ee x p e r i m e n ta n da c t u a le x p e r i m e n t 。i nt h en e wt y p es c r e we x t r u d e r , p i n s w e r en o to n l yf i x e do nt h es c r e wb u ta l s oo nt h eb a r r e l e x p e r i m e n t a ls t u d yo ft h em i x i n go f f l u i dd u et op i n si sp r e s e n t e db ya n a l y z i n gt h em o v e m e n ta n dd i s t r i b u t i o no ft h ef l u i da r o u n d t h ep i n s w i mt h ea p p l i c a t i o no fm a t l a bs o f t w a r e ，t h i sp a p e rh a sg o tt h ef l o wc u r v ef i g u r e a n de q u a t i o no ff l u i di ns c r e we x t r u d e r i nt h es i m u l a t i v ee x p e r i m e n t ，t h ed i f f e r e n tf l u i ds t a t e si nt h es c r e we x t r u d e rw e r e c o m p a r e db e t w e e nt h ee q u i p m e n tw i t hp i n sb o t ho nt h es c r e wa n db a r r e l 、p i n so n l yo nt h e s c r e wa n dn op i n s t h er e s u l to fa c t u a le x p e r i m e n to nt h es c r e we x t r u d e rw i t hp i n st h a tw e r e f i x e do nt h eb o t hs c r e wa n db a r r e la n dt h en o r m a ls c r e we x t r u d e rw i t hn op i n sc o n f i r m e dt h e c o n c l u s i o nt h r o u g ht h es i m u l a t i v ee x p e r i m e n t w i t ht h ea p p l i c a t i o no fm a t l a bs o f t w a r e ， t h i sp a p e rh a sg o tt h ec h i v ef i t t i n ga n df i t t i n ge q u a t i o nu n d e rt h ed i f f e r e n tc i r c u m s t a n c e s t h r o u g ht h ee x p e r i m e n td a t ab yc u r v ef i t t i n gt o o l ，a n dh a sg o tt h ef l o wc u r v ef i g u r e w i t ht h ea p p l i c a t i o no fp d e t o o l t h er e s u l ts h o w st h a tu n d e rt h ea c t i o n so f p i n sv i s c o u sf l u i dp r o d u c e db o t hs h e a r i n ga n d t e n s i l ed i s t r i b u t i o n i ti sf o rt h ee x i s t e n c eo ft h et w od i s t o r t i o n st h em i x i n gi si n t e n s i f i e d w h e nt h ep i n sa r ef i x e do nb o t hb a r r e la n ds c r e w , t h ee f f e c to fm i x i n gi sm u c hb e t t e rt h a nt h e o t h e rt w oc o n f i g u r a t i o n s ，a n dt h el e n g t ho fm i x i n gi sm u c hs h o r t e r , a n dt h ed i s t r i b u t eo f t e m p e r a t u r ei sm u c hu n i f o r m u n d e rt h es a m ee x p e r i m e n tc o n d i t i o n t h em o r et h es p e e do f s c r e wa n dt h eb i g g e rt h ev i s c o s i t yo fm a t e r i a l ，t h ee f f e c to f m i x i n gi sm u c hb e t t e r t h r o u g ht h ee x p e r i m e mo nt h es c r e ww i t hp i n sa n dt h en o r m a ls c r e ww i t hn op i n s ，t h e r e s u l ts h o w st h a ti nt h es c r e ww i t hp i n s ，t h ed i s t r i b u t i o no fc bi nt h ep pi sm o r eu n i f o r m a n d t h ee f f e c to fm i x i n gi sm u c hb e t t e r t h ee x p e r i m e n tt h a te x t r u d e sm i x e dp p p a 6c o m p o u n d m a t e r i a lb o t ho nt h en e wt y p es c r e we x t r u d e ra n dn o r m a ls c r e we x t r u d e rs h o w st h a t ，t h e c o m p o u n dm a t e r i a l e x t r u d e db yt h en e wt y p es c r e we x t r u d e rh a sb e t t e rm e c h a n i c s p e r f o r m a n c et h a nt h em a t e r i a le x t r u d e db yt h en o r m a ls c r e we x t r u d e r a n dt h eb e t t e rm e l t m i x i n ge f f e c tc o n t r i b u t e st h er e s u l t k e yw o r d s ：p i n s ，e x t r u d e r , f l o wf i e l d ，m i x i n g ，c u r v ef i t t i n g ，m a t l a b l l 关于硕士学位论文使用授权的说明 论文题目：塑塾鱼麴缒：堑盈盘焦垒鱼塑多 本学位论文作者完全了解大连轻工业学院有关保留、使用学位论 文的规定，大连轻工业学院有权保留并向国家有关部门或机构送交论 文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存、汇编学位论文，并且本人电子文档的内容和纸质论文 的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 是否保密( 善) ，保密期至2 旧2 9 l 年1 0 月1 日为止。 吣 学生签名：焦堕导师签名：兰鱼筐遁 2 0 0 5 年月1 1 日 第一章绪论 第一章绪论 随着高分子共混改性、填充、增强材料应用的日益普及，普通单螺杆挤出机已不能 适应材料的混炼要求，而双螺杆挤出机价格昂贵，从而在一定程度上限制了其使用，于 是出现了屏障型、销钉型等新型螺杆，这些新型螺杆能改善单螺杆挤出机的混合效果， 使单螺杆的熔融混合能力大大增加，甚至达到了双螺杆的混合效果。其中，销钉型螺杆 就是通过对熔体的分流、剪切作用，提高了单螺杆挤出机的混合能力。 混合是使流场均化的操作过程，包括了流线的拉伸、折叠及使其在几何空间中再分 布等操作，多组分情况下通常还意味着组分破裂，并伴随着能量的扩散。聚合物熔体是 介于纯弹性固体与高粘流体的粘弹性流体，流动过程排除了湍流、尾迹旋涡的存在，混 合应该是整体迁移过程。混合效果的好坏主要以分布混合、分散混合两个方面来衡量。 聚合物加工过程中混合、混炼效果直接影响制品的性能。螺杆混合效果的提高主要借助 于混合元件特殊的结构设计，实现对物料流速、流向的改变，实现对料流有效的挤压、 剥离、拉伸及剪切，不断在料层中构成新的界面，这是新型单螺杆元件结构改进的根本 出发点。界面的再取向、剪切、挤压、拉伸是主要的混合均化机理。 由于销钉螺杆挤出机具有优良的挤出性能，众多研究者对其挤出性能，如挤出量、 功耗、挤出温度等宏观性能进行过较深入的研究。但为了设计高质量的销钉螺杆挤出机， 需要进一步掌握挤出机内物料流动与混合均化的机理和规律，为此，姚维广等研究了在 螺杆上安装不同结构销钉时，物料在螺槽横截面内的流动和混合性能。k i m 等用数值计 算和实验方法研究了一种新型螺杆( c h a o ss c r e w ) 螺槽横截面内的流动与混合情况。 s a d h a n 等也研究了含销钉螺槽横截面上的流动与混合情况。挤出过程是一个十分复杂的 三维流动与混合过程，这些主要针对螺槽横截面二维状态的研究尚不足以深入了解挤出 机内的流动与混合情况。设计高质量的销钉螺杆挤出机需要掌握在不同结构及不同运转 条件下，销钉螺杆挤出机内物料混合均化的机理和规律。 本文以销钉螺杆挤出机的结构为背景，在定简化条件下，从数值分析、模拟实验 及实际实验几方面研究销钉螺杆挤出机螺杆沿圆周展开面内的物料流动与混合行为。模 拟实验分别在螺杆头部无销钉、有销钉及套筒和螺杆均加销钉的几种情况下进行，针对 不同结构实验模型，进行流动显示实验，并通过图像分析，对其流动和混合性能进行评 第帝绪论 价。并用t a t l a b 软件的p d e t o o l 工具箱分析模拟销钉螺杆挤出机中物料流动状态，验 证模拟实验及数值分析的结果，并利用c u r v ef i t t i n g 工具箱进行实验数据的曲线拟合， 旨在更充分地揭示销钉螺杆挤出机内物料流动与混合的机理与规律，为销钉螺杆挤出机 的结构设计提供一定的依据。 并且，通过在我们所研究的新型销钉螺杆挤出机螺杆及套筒上均加销钉的螺杆 挤出机及常规螺杆挤出机上的混合实验，结果证实此新型销钉螺杆挤出机在混合性能方 面与分析结论完全相吻合，其在混合、分散、温度均匀性等方面都达到了预期的效果。 2 第二章文献综述 第二章文献综述 挤出机作为塑料成型加工的主要设备，已得到十分广泛的应用。目前，不少于塑料 成型加工总量的三分之是在挤出机上完成的。挤出机的性能对挤出成型制品的质量有 重要影响。众所周知，挤出机的性能主要包括混合、混炼质量，熔融效果，挤出能力和 挤出稳定性等。其中，优良的混合、混炼质量几乎是所有挤出机的要求。 2 1 塑料的发展现状 塑料是高分子材料的重要组成部分，塑料具有重量轻、高的比强度( 单位重量的机 械强度) 、优异的电气性能、优越的化学稳定性、较小的摩擦系数和较好耐磨性能，并 且有好的弹性，易成型、易切削，能很好地与金属、玻璃、木材及其他材料相胶结，同 时塑料的原料来源丰富，它在人民生活、工农业生产、国防工业等方面都得到越来越广 泛的应用，塑料工业也不断得到迅速发展。 在机械制造工业中，塑料广泛地被用来制造机器零件、部件( 例如各种形式的轴承、 齿轮、凸轮、导轨、密封环、气轮机的各种叶片，各种泵的叶轮等) ；在电器工业中， 电机、电器、电讯工业等大量采用塑料。据统计，每年大约有2 5 的塑料用于机电工业 各个部门，且随着国民经济的发展，这种比例数还将继续增长。在机电工业中，一吨塑 料大约可代替4 - - - 5 吨有色金属。在化工设备方面，如反应釜、管道、容器、泵、阀门 等广泛用塑料作防腐材料，甚至直接用塑料来制造管道、泵、阀门，和各种静动密封环 等，解决了用金属无法解决的腐蚀问题n q 3 。在国防工业中，塑料已成了原子能工业、 高速飞机、火箭、导弹、人造卫星和宇宙飞船等不可缺少的材料。此外在仪表工业、纺 织工业、食品工业、医药工业以及农业等方面，对塑料的需求也同益增加。至于塑料在 人们r 常生活中的重要性更已为大家所熟知。 塑料工业起步较晚。2 0 世纪初，合成树脂问世。2 0 世纪3 0 年代，由于高分子结构 理论的建立和塑料成型加工技术的进步，使塑料工业获得迅速发展。从世界范围看，近 几十年来，塑料工业发展的速度是惊人的平均以每年1 5 左右的速度递增，大约每 隔五年，其产量即增加一倍。1 9 5 0 年世界合成树脂产量为1 5 0 万吨，1 9 7 0 年则达到3 0 0 0 3 第二牵交献综述 万吨，即为2 0 年前产量的2 0 倍。2 0 世纪5 0 年代，塑料工业进入了稳定发展的阶段， 1 9 9 1 年，世界塑料原料产量达1 0 2 0 2 5 万吨，其中美、日、德三国产量占5 0 9 6 ，人均年 占用塑料量高达l o o k g 以上h 吲。 中国自改革开放以来，国民经济平均增长达到9 8 ，而塑料工业的增长更超过整个 经济的增长速率，年均增长率达到两位数，从而使中国成为一个塑料工业的大国。合成 树脂产量居世界第5 位，塑料制品的产量为世界第2 位，塑料机械生产量达世赛第1 位。 近年，为增强竞争力，中国塑料工业在行业和地区两方面出现生产规模集中的现象， 并出现了一批具有一定规模的地方和专业的塑料集团，如佛山塑料集团股份有限公司、 大连盛道彩印包装集团、常州塑料集团、河北保硕集团、合肥安利集团、福建三明塑料 集团公司、吉林白山喜丰塑料股份有限公司、贵州润丰( 集团) 公司，还有1 9 9 6 年建 成投产的华亚塑胶有限公司等，这些集团以市场为导向，不仅产品技术档次高，而且生 产规模大，市场占有率高，如佛山塑料集团股份有限公司，其产品有塑料包装制品、人 造革、编织彩条布等。其中塑料包装制品有b o p p ，b o p e t ，c p p 流延膜，生产规模分别 达3 7 k t 、2 0 k t 、9 k t ，人造革4 6 0 0 0 k m 2 ，塑料编织彩条布3 0 k t 。这些产品的生产规模均 居行业首位，b o p p 和b o p e t 的市场占有率高达2 0 。大连盛道彩印包装集团的主导产品 复合薄膜规模全国第一。由台湾南亚塑胶公司部分投资的华亚塑胶有限公司在福建厦 门、安徽芜湖和山东东营的4 令管材管件厂，其管材管件总生产能力达l o o k t 订1 。另外， 近几年，一些资金雄厚的企业一开始就以相当规模迸军塑料工业市场，这些企业主要在 塑料建材领域，如大连实德集团、芜湖海螺塑料型材有限公司、柳州鱼峰p v c 型材门窗 厂、北新建材有限公司、通化东宝波菲丽斯有限公司，投资塑料异型材生产，规模大， 起点高。 随着人民生活水平的提高，中国城乡居民的消费需求进入了一个新时期，消费品转 向基础设施、深加工和高附加值的产业组群，如适应消费结构变动的电子、汽车、建筑 和一些服务业，并更多地倾向于交通、通信、电力、供水等基础设施和环境保护产业， 塑料机械设备及高附加值工业制成品比例逐步上升。 2 2 塑, 4 n i 设备的发展现状和趋势 塑料与橡胶相比，由于二者的加工有某些类似，所以塑料成型机械大部分是在橡胶 机械的基础上改进和发展的。但塑料的加工温度高、硬度大、制品精度要求高、加工工 4 第二章文献综述 艺严格，所以塑料成型机械与橡胶机械又存在很大差异。开炼机和压延机是最早出现的 塑料成型设备，1 9 世纪后期设计出螺杆挤出机，挤出机的现代化及在生产中的大量应用， 开始于本世纪5 0 年代，从此，塑料工业得到飞速发展。 在我国塑料加工业中，几乎1 3 l 2 的塑料制品是通过挤出成型制得的。作为塑 料机械的第二大类产品，挤出成型机组的产量和销售额占塑料机械的2 0 2 5 。据统计， 2 0 0 0 年我国挤出机组产量为7 7 8 4 台，其中，周向平行双螺杆挤出机8 4 4 台、异向平行 及锥形双螺杆挤出机1 2 5 5 台；出口1 6 2 5 台，创汇0 1 5 亿美元，产品的总体技术水平 相当于工业先进国家2 0 世纪8 0 年代的水平。当然也不乏一批具备9 0 年代乃至当今国 际领先水平的产品，但专用性强的高新技术装备如特种挤出机组绝大部分还需依赖进 口。 2 2 。1 挤出成型装备的发展现状与趋势 ( 1 ) 高速、高产化长期以来，作为挤出成型装备主要性能指标的“高速、高产” 一直是挤出成型机发展的主要方向，高的产出与价格比不仅是企业家最为关心的，而且 也是科技工作者梦寐以求的目标。以中9 0 m m 单螺杆挤出机为例，从1 9 6 1 年的产量6 0 k g h 发展到1 9 9 5 年的4 0 0 k g h ，3 4 年间产量提高了5 7 倍。w p 公司1 9 9 5 年生产的z s km c 型同向平行双螺杆挤出机到2 0 0 1 年发展为z s km v 型，6 年间螺杆转速从6 0 0 r m i n 提高 到1 8 0 0 r m i n ，产量相应提高了2 5 倍m 1 。 挤出机的“高速、高产”固然可使投资者以较低的投入获得较大的产出和高额的回 报，但从技术角度看，随着挤出机螺杆转速的高速化也带来一系列需要解决的难题，比 如：物料在螺杆内停留时间的减少导致物料混炼塑化不均；物料经受过度剪切造成物料 急骤升温和热分解；挤出稳定性难以控制造成挤出物几何尺寸波动，必须提高相关的辅 助装置和控制系统的精度；螺杆与机筒的磨损加剧，需要采用高耐磨及超高耐磨材质； 减速器与轴承在高速运转下如何提高其寿命等。 ( 2 ) 高效、多功能化挤出机的高效性能主要体现在高产出、低能耗、低制造成 本方面。在2 0 0 1 年1 0 月德国举办的1 5 届国际橡塑展览会上展出的z s k 系列同向平行 双螺杆挤出机单耗( 即名义比功率) 均小于0 1 k w h k g ，而国内的挤出机单耗为0 1 5 - - - 0 1 6 k w h k g 。在功能方面，螺杆挤出机已不仅仅用于高分子材料的挤出成型和混炼加 工，它的用途已拓宽到食品、饲料、电极、火炸药、建材、包装、纸浆、陶瓷等领域。 此外，将混炼造粒与挤出成型工序合二为一的一步法挤出工艺也值得引起重视，因为这 5 第二紊文献综述 种工艺在缩短工艺流程、节省能耗、减少设备投资和占地面积、减少操作人员等方面比 传统的两步法工艺具有明显的优势。 ( 3 ) 大型化和精密化在挤出成型装备中，一般中、小型的通用机器我国均能生 产。2 0 0 0 年我国挤出机的产量已达有7 7 8 4 台，其中同向平行双螺杆挤出机8 4 4 台，异 向平行双螺杆挤出机及锥型双螺杆挤出机1 2 5 5 台，在进口的1 8 1 7 台挤出成型机中绝大 部分是大型的、精密的机器旧1 。因为实现挤出成型设备的大型化可以降低生产成本，这 在大型双螺杆造粒机组、吹膜机组、管材挤出机组等方面优势更为明显。 重点发展为国家重点建设服务的重大技术装备，大型乙烯工程配套的三大关键设备 之一大型挤压造粒机组长期直依靠进口，因此必须加快国产化进程，满足石化工 业发展需要。而精密化可以提高产品的含金量，如多层共挤出复合薄膜等均需要精密挤 出，而作为实现精密挤出的重要手段，熔体齿轮泵必须加大力度进行开发研究。 ( 4 ) 模块化和专业化实行挤出成型装备生产的“模块化”、“专业化”已是大势所 趋。“模块化”生产可以适应不同用户的特殊要求，缩短新产品的研发周期，争取更大的 市场份额；而“专业化”生产可以将挤出成型装备的各个系统模块部件安排定点生产甚至 进行全球采购，这对保证整机质量、降低成本、加速资金周转是有利的。在我国，挤出 机的螺杆、机筒、减速器、加热冷却系统、润滑系统、加料系统、控制系统均有定点工 厂专业生产，这无疑是正确的。 ( 5 ) 智能化和网络化发达国家的挤出机已普遍采用现代电子和计算机控制技 术，操作台设有荧光屏监测，对整个挤出过程的工艺参数如熔体压力及温度，各段机身 温度，主螺杆和喂料螺杆转速，喂料量，各种原料的配比，电机的电流电压等参数进行 在线检测，并采用微机闭环控制。有的公司已采用网上远程演播、监测、诊断和控制， 对挤出成型生产线进行网络控制“0 3 。这对保证工艺条件的稳定，提高产品的精度是极为 有利的。 2 2 2 我国挤出成型装备现状及开发研究的方向 ( 1 ) 新型挤出混炼技术与装备的开发 目前国际上用于高分子材料共混改性的新型混炼装备机种主要有三大类，即同向平 行双螺杆挤出机、往复移动式螺杆混炼机和串联式磨盘挤出机。其中中小型同向平行双 螺杆挤出机国内己能生产，但万吨级大型混炼挤压造粒机组全部依靠进口，2 0 1 0 年前我 国用于该机种的引进外汇预计约需4 5 亿美元阳1 。往复移动式螺杆混炼机和串联式磨盘 6 第二二章文献综述 挤出机是制取高填充、高附加值高聚物合金的必要装置，在国内它们的研制刚刚处于样 机阶段，规格不多，品种不全，市场几乎全部为国外厂家垄断。 ( 2 ) 大口径管材挤出的异向平行双螺杆挤出机组、钢塑复合管材挤出机组和巾 5 0 0 r a m 以上大型双壁波纹管挤出成型机组，以及特种塑料管材专用挤出机组。 ( 3 ) 挤出成型技术和装备的开发研究 最近，多层共挤出的超宽土工膜、包装用拉伸拉幅平膜、建筑用复合瓦楞板、芯层 发泡板材和管材的市场需求量很大，与此相关的成型技术和装备的开发研究必须引起足 够的重视。 ( 4 ) 废弃塑料的回收和再生利用技术装备开发研究 塑料产品对自然环境造成的“白色污染”，已影响我国国民经济的可持续发展，因此 必须加强废弃塑料的回收和再生利用的研究工作，对那些回收困难或再生利用耗费过大 的塑料产品应制成具有降解功能。 ( 5 ) 常规塑料加工设备进行更新换代、提高产量、效率和自控水平的研究 目前国外塑料异型材的挤出速度为4 - - 一8 m m i n 、双向拉伸膜牵引速度为4 5 0 m m i n ， 而国内相应的速度则仅为1 5 2 5 m m i n 和1 2 0 m m i n n0 l 。对现有设备进行更新换代的改 造投资少，可以起到四两拨千斤的作用。 ( 6 ) 加强c a d c a e c a m 技术在塑料工业中的应用研究 该研究可使橡塑机械的设计从费时、费钱的经验设计直至试车修改的模式提高到准 确、快速、高精度的现代化水平，从而使我国的挤出成型装备制造业在激烈的国际竞争 中取胜。 ( 7 ) 在线检测及自动控制技术的研究 发达国家的数字、智能控制和激光测试及伺服系统技术已成熟，挤出机组可以实现 全线联机控制，并与在线检测装置相连，根据采集和储存的信号实现反馈控制，保证了 工艺条件的稳定，提高了产品的精度。此外电器元件的可靠性研究也不容忽视，国产设 备故障率高的一个重要原因就是电控系统的可靠性太差。 ( 8 ) 积极发展高效、节能、环保型挤出成型装置，限制发展生产能力过剩的长线 产品，淘汰耗能、耗材高和污染环境严重的产品。以天然植物纤维和废弃塑料为主要原 料的木塑复合制品挤出技术与装备的研究应予以足够重视，在p s 、p e 挤出发泡生产中 限制使用氟利昂的设备，淘汰超薄型( 小于0 0 1 5 m m ) 塑料袋生产设备，鼓励发展废弃塑 料回收处理和再利用以及降解塑料加工挤出装备的开发研究。 7 第二章文献综述 2 3 螺杆挤出机的发展现状 采用螺杆挤出聚合物迄今已有1 2 0 多年的历史。1 8 7 9 年，m g r a y 取得了世界上第 一个螺杆挤出机的专利。至1 8 8 1 年，英国f r a n c i ss h o w 公司开始生产和销售螺杆挤出机。 挤出机被用于生产铅管、面条、包覆电线。早期的挤出机是柱塞式的，由于工作方式是 间歇的，效率较低，难以满足电线和电缆包覆连续挤出的需要。直到1 9 3 9 年，p t r o e s t e r 公司生产的单螺杆挤出机才从蒸汽加热改为电加热。从5 0 年代至7 0 年代末，塑料工业 进入它的黄金时代，螺杆挤出机也因此得到了飞速的发展。现在，采用螺杆挤出聚合物 的方法在聚合物加工工业中已经占有十分重要的地位。据统计，全世界6 0 以上的塑料 产品是采用螺杆挤出法来加工的，挤出成型制品的产量雄居于其它聚合物成型制品之 上。随着聚合物加工工业的飞速发展，螺杆挤出装备的技术发展和进步也受到人们更多 的关注。 目前全世界的树脂产量已达一亿多吨，其中大约8 0 的树脂要经过挤出工艺来进行 处理和加工( 包括前处理、共混改性以及成型加工等) 。挤出工艺主要是由螺杆挤出机 来完成的，由于螺杆挤出机能将固体输送、增压、熔融、混合、排气、脱水、化学反应、 熔体输送和泵出等操作，全部集中在一台装备上连续的进行，因而生产效率高、应用范 围广。螺杆挤出机有自动化程度高、占地面积小、节能、节省劳动力等优点，不仅用于 聚合物加工，事实上在其他化学工业及建材、造纸、食品、纺织、炸药等工业也已得到 广泛的应用。 与其它成型方法比较，聚合物的螺杆挤出成型法具有一些突出的特点，如生产过程 连续，生产率较高，适用范围广等，其不仅能用于加工几乎所有的热塑性塑料制品，而 且也能用于挤出一些热固性塑料。此外，螺杆挤出设备通常结构较为简单，操作容易， 而且投资少，收效快。因此，螺杆挤出成型法己成为目前最广泛采用的一种聚合物成型 加工方法，螺杆挤出装备也理所当然成为聚合物成型加工机械中的最重要的机种之一。 目前，用螺杆挤出法生产的塑料制品有：管材、板材、片材、棒材、薄膜、单丝、 电缆、中空制品、异型材、各种复合制品等。此外，螺杆挤出还大量用于进行聚合物的 造粒、脱水、共混、增强、反应挤出、合金化、喂料及色母料等作业i n d i a 。 根据螺杆的数量可分为单螺杆挤出机、双螺杆挤出机和多螺杆挤出机。其中普通单 螺杆挤出机是用量最多的一类挤出机，但其混炼效果差，不适于加工粉料。单螺杆挤出 机除普通挤出机外，还有排气式挤出机和混炼式挤出机。排气式挤出机适于加工吸湿性 8 第二紊- 文献综述 大或含挥发物成分较多的物料，可以在加工过程中排出水分和挥发物，得到质量较好的 制品；混炼式挤出机具有较强的分散、混合效果，可以简化物料在挤出成型前的工序， 一次完成混炼和连续挤出制品。双螺杆挤出机进料稳定，挤出量大，混合效果好，可以 直接加工硬p v c 粉料，使之成为制品，也可用于混料，因此其应用范围不断扩大。 2 3 1 双螺杆挤出机的发展现状 双螺杆挤出机于1 9 3 5 年问世，意大利的l m pr o b e r t oc o l o m b o 和p a s q q t t i 分别发 明了同向和异向旋转的双螺杆挤出机。双螺杆挤出机研制成功后，聚合物混炼工艺得到 了飞速的发展。 双螺杆挤出机是在单螺杆挤出机的基础上发展起来的，其组成部件和单螺杆挤出机 基本相似，所不同的是双螺杆挤出机的机筒中并排地安装了两根螺杆。它和单螺杆挤出 机一样都具有传递物料和塑化物料的功能，但双螺杆挤出机塑化能力、排气和混合效果 均比单螺杆挤出机强。此外，双螺杆挤出机还具有强制输送和自洁的能力。这种设备已 在聚合物合成、共混改性、反应性挤出和制品加工等方面得到越来越多的应用。目前国 内外在聚合物造粒、共混改性和管材成型中几乎全部使用了双螺杆挤出机；在板材和型 材的成型中双螺杆挤出机的应用约占8 0 9 0 。此外，在对p v c 粉料的加工方面，双螺 杆挤出机更显示出极大的优越性。无论在国内还是国外，双螺杆挤出机的数量和类型都 增长得很快。西欧在7 0 年代末，双螺杆挤出机已占全部挤出机总数的4 0 左右。 在聚合物工业及聚合物加工工业中，双螺杆挤出机是近年来用途最广的聚合物加工 改性设备。双螺杆挤出机有二大作用：其一是以共混改性为主，如将塑料与另一种塑料、 塑料与无机填料等进行混合以达到塑料物理上和化学上的改性，这方面已广泛应用于生 产；其二是反应挤出，将双螺杆挤出机作为一种特殊的反应器使单体、预聚体及聚合物 等挤出加工成型的同时完成化学反应过程。这一加工技术已在国际上形成新的技术热 点，如国际上反应挤出p u 、p o m 已实现了工业化生产3 。 近几年来，我国在双螺杆挤出机的生产和应用方面都得到快速的发展。目前，双螺 杆挤出机应用较多的机型主要为：啮合型同向旋转双螺杆挤出机、啮合型异向旋转( 平 行和锥型) 双螺杆挤出机以及反应型双螺杆挤出机。此外，双螺杆挤出机还可有全啮合、 部分啮合和无啮合型之分。 9 第二章文献综述 2 3 1 1 同向平行双螺杆挤出机 同向平行排气式双螺杆挤出机的应用领域为：对含一定水分：溶剂和单体的物料直 接进行清洗、凝固、挤压、脱水干燥和造粒；对含各种添加剂的聚合物进行填充、共混、 增强、排气、脱挥发分、均化和造粒；对粉末涂料、色母料、催化剂、油漆、食品、纸 浆等进行分散、混合；以及对特种物料进行混合与成型u 5 。 2 3 1 2 异向旋转平行双螺杆挤出机 在啮合型平行异向旋转双螺杆挤出机中，物料被封闭在绕每根螺杆的c 型小室中， 作类似于齿轮泵中的正位移输送。异向双螺杆挤出机转速较低，物料剪切发热量小，因 此它对物料的热稳定性要求不高，可以在物料成型温度范围的下限进行操作，因此物料 不容易分解，特别适用于热敏性物料( p v c ) 的成型加工。与同向双螺杆挤出机相比，异 向双螺杆挤出机输送效率高、排气效果及熔融效果好，对物料的分散混合效果较差，但 建压能力强，因而可用来直接挤出制品。另外，异向双螺杆挤出机特别适于加工p v c 粉 料，可直接加入粉料而省去造粒工序，使制造成本下降2 0 左右。异向旋转双螺杆挤出 机主要用于挤出p v c 管材、型材、板材和造粒。近几年来，异向旋转双螺杆挤出机在国 内外得到了突飞猛进的发展n 刚。现在国外异向双螺杆挤出机的研究重点为扩大其应用范 围，提高其技术性能指标，提高整个机组的配套性和应用先进的测控系统。 2 3 1 3 异向旋转锥形双螺杆挤出机 锥形双螺杆挤出机自1 9 6 7 年问世以来已经3 0 多年了，其螺杆基本结构先后经历了 三种形式：普通型、双锥型、高效双锥型。其中，高效双锥型是c i n c i n n a t im i l a c r o n 公司8 0 年代末在双锥型设计原理的基础上发展起来的。其特点是：螺杆大端与小端直 径之比大于2 ，螺槽深度沿螺杆全长渐变，螺杆长度比双锥型适当加长。这样使物料在 加料段置于外加热作用下的时间延长，能充分地吸收热量，加快升温，促进塑化。加料 段螺槽容积和表面积的增加不仅意味着高的挤出产量，而且也意味着高的应用灵活性， 如c m 公司9 0 年代推出的c m t 系列n 引。高效双锥型的问世被称为锥形双螺杆挤出机发展 上引入注目的技术进步，其挤出产量较同规格普通型高出1 倍或1 倍以上。目前螺杆直 径为5 5 8 0 m m 的异向双螺杆挤出机多采用锥形双螺杆挤出机，主要用于p v c 类异型 材、管材、板材的挤出成型。北京化工大学已成功地将锥形双螺杆挤出机用于炸药、电 炭、电极材料等的挤出成型，并研制了4 ) 8 0 m m 1 5 6 m m 碳素材料锥形双螺杆挤出机。 1 0 第二章文献综述 2 3 2 单螺杆挤出机的发展现状 单螺杆挤出机与其他挤出机相比，具有结构简单、坚固耐用、维修方便、价格低廉、 操作容易等特点，可得到高背压，并且混合和成型可一次完成。由此可见，如果使用单 螺杆挤出机能取得双螺杆挤出机的混合性能，不但从经济上可以节省资金，又可混合与 成型一次完成，所以如果可能，使用单螺杆挤出机进行混合是很有意义的。单螺杆挤出 机在聚合物加工中应用极为广泛，并且显现出广阔的发展前景。其按加工性能可分为常 规单螺杆挤出机和特种挤出机。 2 3 2 1 常规单螺杆挤出机组 单螺杆挤出机的应用，除常规塑料外，目前盛行的特种功能材料的制备，如木塑复 合材料、高强度增强材料、导电材料、磁性材料、高抗氧性材料以及粘弹性橡胶材料等； 再如航天领域火箭燃料、动力油料的加工：还有如食品业中面料、糕点的制作，各种香 肠的加工，烹调油的提炼，土豆泥、葡萄汁、水果汁以及蜂蜜、花生浆等的制作。如此 广阔的应用，也是得益于单螺杆挤出机设备本身的简单性和经济性。目前，欧美等国单 螺杆挤出机应用的比例是：平膜及片材1 0 ，异型材2 0 ，发泡材3 0 4 0 ，吹膜1 0 0 ， 电缆1 0 0 ，单丝1 0 0 ，配混( 包括双级式) 1 0 。 在常规单螺杆挤出机组的性能方面，我国已能生产螺杆直径为1 2 2 5 0 m m 多种规 格、门类齐全的挤出机组，长径比大多在2 5 - - 3 0 范围内。一些新型的混炼元件如分离 型、屏障型、分流型、变流道型以及流束位置变换型等混炼元件得到了较为广泛的应用； 螺杆最高转速：直径中1 5 0 2 0 0 m m 的大型挤出机加工烯烃类物料时为5 0 7 5 r m i n ，加 工p v c 等热敏性物料时为5 4 2 r m i n ：直径0 3 0 以下的小型机器加工烯烃类物料时为 1 6 0 - - _ ，2 0 0 r m i n ，加工p v c 等热敏性物料时为1 8 、一1 2 0 r m i n ；北京化工大学研制成功的 1 2 m m 手提式单螺杆排气挤出机为1 2 0 0 r m i n 。而国外单螺杆挤出机螺杆直径最小为 6 m m ，最大为中7 0 0 m m ，最大长径比达6 0 。r 本池贝公司0 3 0 单螺杆挤出杌最高嫘杆转 速为3 0 0 0 r m i n ，挤出量为3 0 0 k g h ，远远高于我国同规格机器实际产量1 4 k g h 的水 亚【2 0 】 ，o 由于常规单螺杆挤出机与其它挤出机相比，具有很多方面的优点，在我国相当长时 间内仍有很大市场，因此如何使常规单螺杆挤出机优质、高效、多功能化，仍然是我国 塑机研究工作者的艰巨任务。 第二章文献综述 2 3 2 2 特种单螺杆挤出技术及装备 众所周知，常规单螺杆挤出机的混合能力有限，须采用专门的添加剂，并配备特定 结构的螺纹元件，才能在分散和分布上获得良好的混合效果。多年来，人们采用增加机 筒和螺杆长度的方法来提高熔料的分布混合性能，效果并不理想，同时费用、能量消耗 和技术要求等各方面也都增加晗卜删。随着新型高分子材料和新型加工工艺的不断出现， 传统的常规单螺杆挤出机已不能完全满足生产要求，于是特种单螺杆挤出机应运而生。 经我国广大科技工作者努力，在些主要的机种如排气挤出机、串联式磨盘螺杆挤出机、 往复式销钉螺杆挤出机、发泡挤出机、带熔体齿轮泵的挤出机、串联式多阶挤出机、行 星螺杆挤出机等在国内均有厂家生产，具备了独立研发的能力，并享有自主知识产权， 目前已进入系列化开发研制阶段。华南理工大学发明并研制成功的塑料电磁动态塑化挤 出机以及系列产品，己投入批量生产；北京化工大学最新研制成功出三类特种挤出机即 1 2 手提式高速排气挤出机，中2 8 2 8 熔体齿轮泵挤出机和c p 3 7 5 1 3 5 串联式 磨盘挤出机 2 引。可以看到，经过十几年的努力，我国在特种挤出成型技术与装备的研 究水平和开发能力方面与国际先进水平的差距并不是很大，一些新型混炼装备的主要机 种国内基本都能生产，在某些领域还有所突破。但是如何将样机转化为定型产品，进而 实现系列化生产，尚需段时间。经过多年的研究和生产实践，特种螺杆挤出机的结构 和性能f j 趋完善，已在高分子材料成型加工中发挥出愈来愈大的作用。目前，各国新型 螺杆的相关专利众多，得以实用的主要有以下类型。 ( 1 ) 单螺杆排气挤出机 单螺杆排气挤出机的应用范围为：挤出吸湿性较强的物料( 如尼龙、聚甲基丙烯酸 甲酯等) 和要求除湿较严格的制品；对含一定水分、溶剂和单体的物料直接挤出造粒； 对添加各种助剂( 如防老剂、增塑剂) 的预混料挤出造粒；以及对螺杆高速回转时易卷入 空气的松散物料挤出造粒。这种挤出机的典型例子是北京化工大学研制成功的螺杆直径 1 2 m m 、螺杆转速1 2 0 0 r m i n 、总机重3 5 k g 的$ 1 2 m l , n 微型高速低粘度单螺杆挤出机口们。 单螺杆排气挤出机的研究方向，其一是在理论上主要着眼于排气机理的研究( 气泡 的形成、长大及破碎过程数学模型的描述和理论计算) ；其二是在结构设计方面注重于 多阶排气挤出机和微型挤出机的开发研究。 ( 2 ) 串联式磨盘螺杆挤出机 串联式磨盘螺杆挤出机的主要特点是：在加料段采用大直径螺杆，增强了螺杆的刚 性和强度，适用于大功率、高扭矩挤出：采用深槽、大直径螺杆加料，可大幅度增加产 1 2 第二章文献综述 量；采用多组磨盘反复研磨物料，其破碎、分散、剪切、混合、塑化性能卓越：采用组 合式结构，磨盘和螺杆元件的形状及组合形式可以多种多样，适用范围广；采用可调式 磨盘间隙，适用于多种物料的加工。北京化工大学最新研制成功的c p j 唾，7 5 吐, 1 3 5 串联 式磨盘螺杆挤出机具有上述特点，它主要适用于橡胶、塑料及陶瓷等各类材料的连续混 炼：制取其它螺杆挤出机无法加工的特种高分子合金材料和高填充的物料，例如软硬p v c 混合料：电子复写、传真用调色涂料；陶瓷、塑料和各种有机混合料：磁钢、导电塑料、 热熔涂料、高粘度工程塑料、电池的电极及粉末涂料等b 。 ( 3 ) 熔体齿轮泵的挤出机 带熔体齿轮泵的挤出机的主要特点为：挤出机螺杆末端阻力小，因而挤出量大、挤 出温度低，不但可减小驱动功率和加热功率，而且能降低能耗，减少挤出机的磨损并增 加推力轴承的寿命；由于计量挤出由熔体齿轮泵完成，因而压力及挤出量波动小，挤出 制品尺寸精度高；并且挤出量可由熔体齿轮泵进行线性控制驺2 1 。例如，北京化工大学开 发研制的 ，2 8 r a m 2 8 r l i n 熔体齿轮泵挤出机就是其中一例，主要用于纤维纺丝、树脂造粒， 以及薄片、管材、异型材及电线电缆的精密挤出成型。 ( 4 ) 塑料电磁动态塑化挤出机 华南理工大学发明并研制成功的塑料电磁动态塑化挤出机也是一种新型的特种单 螺杆挤出机，已获得多国专利，目前已投入系列化生产b 引。 ( 5 ) 紊乱型单螺杆挤出机 自2 0 世纪8 0 年代中期以来，一种新的科学方法已用来研究混炼的动力学和运动 学，这就是紊乱。在聚合物流动中仅有一种可能的流体流动形式层流，这个会导致 随机的湍流，能使聚合物流动变为随机流动的唯一途径就是在系统中产生紊乱流动。 1 9 9 4 年，k i m 和k w o n 发现，单螺杆挤出过种中的混炼可以通过在螺槽内插入间隔 排列的屏障棱而得以改善，并称这种螺杆为紊乱型螺杆( c s ) 嘲瑚1 。他们进行了数值和实 验研究，表明这种螺杆具有很高的混炼增强性能。最近的研究也表明c s 中的域平均李 雅普诺夫指数是正的，表明c s 中的流动是紊乱的。此外，与以前提出的螺杆相比，c s 显著的特征是其具有简单的结构以及制造、安装和维修方面的便利性。最近有研究人员 从非线性动力学和紊乱角度描述了c s 的动力学建模。首先，建立一个无扰动的系统， 这是一个仅有屏障棱的螺杆，接着，引入作为扰动的间断排列的无屏