新型螺杆.doc

第四节 新型螺杆 所谓新型螺杆，是相对于常规全螺纹三段螺杆而言的。新型螺杆在原理、结构设计上有许多特点，它们是在常规全螺纹三段螺杆的基础上发展起来的，目前已得到广泛应用。一、常规全螺纹三段螺杆存在的问题1、熔融效率低、塑化混炼（染色、加填充物）不均匀1) 传热途径 由熔融理论知，固体床熔融的热源有两个:一是来自加热器的外热。一是发生在熔膜中的剪切热，后者是主要的。如果能使固体床在其消失之前始终能以最大的面积与料筒壁相接触，则可以获得最大的熔融效率。2) 固体床变窄，传热面积减少，熔融效率低, 挤出量不高在常规三段螺杆中，熔融段同时有固体床和熔池同居一个螺槽中，熔池不断增宽，固体床逐渐变窄，从而减少了固体床与料筒壁的接触面积，减少了料筒壁直接传给固体床的热量，降低了熔融效率，致使挤出量不高。3) 固体床易破碎，固体碎片传热慢，剪切力小，不易熔融a. 固体床易破碎 在常规三段螺杆中，当固体床宽度减少至它的初始宽度的10%时。其物理性质极不稳定，由于某种原因，固体床出现缝隙，熔体不断挤入其内，当外力（由于工作条件变化及聚合物物理状态改变而形成的张力）超过了固体床的抗张强度时，固体床便解体，形成固体碎片。b. 固体碎片被融体所包围，不能直接获得外部热量，传热慢 固体碎片混到已熔的塑料中，为熔体所包围，形成内部是压实的固体而外部是熔体的状态。固体碎片不能直接与料筒壁接触而获得外部加热器的热量，只能从包围它们的熔体中获得热量。由于熔融聚合物传热性能很差，完全将这些碎片熔融将是很困难的，也是很慢的。c.漂浮在熔体中的固体碎片受的剪切力很小，很难从剪切获得热量 有资料报道，自螺槽底部向上算起的螺槽深度的三分之二处，剪切速率几乎为零。且固体碎片被融体所包围，成漂浮状态，基本上没有剪切发生。4）部分物料得不到彻底熔融，另一部分物料则过热，导致温度、塑化极不均匀。综合上述因素，使固体床不能彻底地熔融。相反，已熔的物料由于与料筒壁相接触，仍能从料筒壁和熔膜中的剪切获得热量，使温度继续升高。这样一来，就形成一部分物料得不到彻底熔融，另一部分物料则过热，导致温度、塑化极不均匀。2、压力波动、温度波动和产量波动大。一般认为，这些波动有三种形式，一种是较高频率的波动，与螺杆的回转频率一致，它是由螺杆的旋转引起的，特别容易发生在固体输送过程中；第二种是低频波动，它是由于熔融过程的不稳定性（可能是由于固体床周期性地解体）所引起的；第三种波动频率就更低了，其周期可以是几分钟或几小时，它是由温控系统的稳定性差或环境因素的变化 （如电网电压不稳定）所引起的。这些波动中以第一、二种影响最大，而这又与螺杆设计有关。常规全螺纹螺杆由于其固有的问题而不可能减少和消除这些波动，这就影响到产品的质量。3、加工物料适应性差常规全螺纹三段螺杆往往不能很好适应一些特殊塑料的加工或进行混炼、着色等工艺过程。4、目前常采取的解决办法为了克服常规全螺纹三段螺杆存在的熔融效率低、塑化混炼（染色、加填充物）不均匀等缺点，目前在常规三段螺杆上常用的方法就是1）加大长径比；2）提高螺杆转数；3）加大均化段的螺槽深度等。这些措施无疑取得了一定的成效，但成效有限，因为采取上述措施并没有从根本上改变常规全螺纹三段螺杆靠全螺纹的几何形状来完成挤出过程所存在的固有缺点这一状况，这就促使人们突破常规全螺纹的形式，探索创造新的螺杆结构。 二、几种常见的新型螺杆针对常规全螺纹三段螺杆存在的上述问题，各国对挤出过程进行了更深入的研究，在大量实验和生产实践的基础上，发展了各种新型螺杆。这些新型螺杆在不同方面、不同程度上克服了常规全螺纹三段螺杆存在的缺点，优点如下：提高了挤出量，改善了塑化质量，减少了产量波动，压力波动和在MD方向的温度波动、TD方向的温差，提高了混合的均匀性和填加物的分散性。新型螺杆越来越引起人们的重视和得到广泛的应用。到目前为止，已应用于生产的新型螺杆的形式很多，但尚无一个全面的科学的螺杆分类，下面仅就目前较为流行的分类方法，重点地介绍几种。 （一）分离型螺杆（主副螺纹螺杆）1、设计思路：（固液相尽早分离，固体尽快熔融，液相低温挤出，保证质量，提高产量）针对常规全螺纹三段螺杆因固液相共存于同一螺槽中所产生的缺点，采取措施，将已熔融的物料和未熔融的物料尽早分离，而促进未熔物料更快的熔融，使已熔融物料不再承受导致过热的剪切，而获得低温挤出，在保证塑化质量的前提下提高挤出量。这类螺杆的典型代表是所谓 BM螺杆。也叫主副螺纹螺杆。1、BM螺杆的原理BM螺杆的原理是这样的:1）结构原理根据熔融理论所揭示的物料在螺槽中的熔融规律，在螺杆的熔融段再附加一条螺纹，也就是熔融段由两条螺纹组成，这两条螺纹就把原来一条螺纹所形成的螺槽分成两个螺槽，一条螺槽与加料段螺槽相通，另一条螺槽与均化段相通。前者用来盛固相，后者用来盛液相。附加螺纹与料筒壁的间隙要比原来的螺纹（主螺纹）与料筒壁的间隙大。2）熔融机理当固体床形成并在输送过程中开始熔融时，已熔的物料将越过间隙而进入液相螺槽，而未熔融的固体粒子不能通过而留在固相螺槽中。由于主阶螺纹的螺距不等，液相螺槽由零逐渐变宽，直至达到均化段整个螺槽的宽度，但其螺槽深度则保持不变；固相螺槽则由宽变窄，至均化段其宽度变为零，但其螺槽深度则由加料段螺槽深度至均化段螺槽深度。总之，在液相螺槽宽度为零的那一点固液相开始分离，在固相螺槽的宽度为零的那一点熔融完成，全部熔融的物料经过均化段的均化作用，定压定量定温地挤入机头。 2、BM螺杆的特点 1）优点：a.塑化效率高，塑化质量好，由于固液相分离b.产量波动、压力波动、温度波动都比较小，由于没有固体床解体，c.排气性能好，由于固液相分离，不混合d.单耗低，由于塑化效率高，减少了能耗e.适应性强，可用于多种用途、适用多种物料f.耐扫膛性能好，由于固液相分离，固体颗粒不能嵌入数值较小的主螺纹与机筒的缝隙中g.能实现低温挤出，已熔融物料不再承受导致过热的剪切，而获得低温挤出故在国内外都得到较广泛的应用。2）缺点尽管BM分离型螺杆具有以上优点，但也存在一定问题。a. 加工制造困难。由于主附螺纹螺距不等给加工制造带来很多困难而影响它的推广；b. 熔融能力受到限制。由于它的固体床的宽度是由宽变窄，因此不能自始至终保持固体床与料筒壁之间的最大接触面积而获得来自料筒壁的最多热量，从而使熔融能力受到限制；c. 可能引起螺槽堵塞而产生挤出不稳定。固体床在宽度方向要发生形变，如果设计不当，即固体床因熔融而发生的宽度的减少与固相螺槽宽度的减少不一致，有可能引起螺槽堵塞而产生挤出不稳定。3) 解决办法- Barr螺杆针对 BM螺杆的这一缺点，人们研制出所Barr螺杆。这也是一种分离型螺杆。它与BM不同之处是a.主附螺纹的螺距相等。固相螺槽和液相螺槽的宽度自始至终保持不变。b.螺槽深度变化。固相螺槽由加料段的深度渐变至均化段的槽深，而液相螺槽深度由零逐渐加深，至均化段固体床全部消失时，液相螺槽变至最深，然后再突变过渡至均化段的螺槽深。从理论上这样就能使固相始终保持与料筒的最大接触面积，因而具有较高的熔融能力。这种螺杆加工比较方便。 （二）屏障型螺杆1、设计思路：所谓屏障型螺杆就是在螺杆的某部位设立屏障段，使未熔的固相不能通过，并促使固相熔融的一种螺杆。2、结构原理：下面是一种常用的直槽屏障型螺杆的屏障段。1） 在该段的圆柱面上等距地开了若干纵向沟槽，分为两组；2）一组是进料槽，其出口在轴线方向是封闭的；3）另一组是出料槽，其入口在轴线方向是封闭的；4）两组槽相间。将进料槽和出料槽隔开的棱面与料筒之间的间隙大小不等，一半为（正常螺杆与机筒的间隙），另一半为（大于正常螺杆与机筒的间隙）。2）熔融机理工作时，物料由进料槽流入。只有熔融的物料和粒度小于间隙的固相碎片才能越过（即图中划剖面线处）而进入出料槽，而那些未熔的粒度较大的固相碎片被屏障阻挡。 a.剪切作用熔料和未熔融但能通过的固相碎片在通过时，受到强烈的剪切作用。所谓剪切，是当料流流经时，由于料流各层间较大的速度差而产生层间滑移而发生的摩擦热，促进了物料的塑化；b.混合作用进入出料槽的物料在槽中产生涡流而得以混合。所谓的混合，指的是物料由原来的带状层流被直槽分为若干股，并在进入和流出屏障沟槽时产生涡流，由此而产生的料流方向改变、各部分物料重新分布的混合过程。这种剪切和混合就将机械能转变为热能，而促使物料熔融均化。4、特点a.经验表明，如果设计得当，这种带有屏障段螺杆的产量、质量、单耗等项指标都优于常规全螺纹三段螺杆。b.从制造方面来说，也比较容易。c.它适于加工聚烯烃类塑料。5、屏障螺杆的设计关于屏障螺杆的设计包括两个方面，一是屏障段本身的设计，一是屏障段设在螺杆上的位置。1）屏障段本身的设计屏障段的主要参数有屏障长度L、剪切间隙、剪切长度I、流通面积F，屏障槽数。剪切间隙剪切间隙是个重要量，它的大小影响着剪切速率和剪切强度，反映了料层之间的内摩擦的大小和机械能转变为热能的强弱。它对挤出量、质量、压力、单耗都有影响。对于设在计量段末的屏障段来说。其上述参数的选择如下：a.一般不宜取得过大，因为这样会降低屏障段的剪切混合效果；b.但也不能太小，否则会降低产量，因为产量与3成正比。屏障段长度L L不宜过大，否则会增加沿程的阻力。整个屏障段长度约（12）D。对容易塑化的物料（如聚乙烯）可取短些，而对难塑化的物料可以取长一些，其具体数值视螺杆直径大小而定。2) 屏障段设在螺杆上的位置关于屏障段设在螺杆上的位置，如果作为螺杆头设在计量段末，应当使得物料到达屏障段时，残余固相最好保持在X/W0.2-0.3，这样能发挥屏障头的最大功效，即可获得塑化好、产量高、波动小的低温挤出。3）其它形式的屏障段除了直槽屏障段以外，还有其它型式的屏障段。a.斜槽屏障段在改进自洁性的同时，增大了对物料的推进作用。b.三角形沟槽屏障段的进料槽和出料相都不是平行的，每个槽都是三角形的，进料槽的入口较宽，随着料流在屏障上翻越，逐渐缩小进料槽的宽度，同时增大出料槽的宽度。c. 屏障段可以是一段，也可以将两个屏障段串接起来，形成双屏障段。 （三）分流型螺杆 1、设计思路：在螺杆的某一部位设置许多突起部分或沟槽或孔道。将螺槽内的料流分割，以改变物料的流动状况，促进熔融、增强混炼和均化的一类螺杆。销钉螺杆是它们的代表。2、熔融机理如前所述，常规全螺纹三段螺杆的一系列缺点是由于在挤出过程中固液相共存于一个螺槽并形成两相流动造成的，固相不易熔融。设置销钉的作用如下：1）打碎固体床，增大传热面积，对料流产生摩擦剪切将固体床打碎，破坏熔池，打乱两相流动，并将料流反复地分割，改变螺槽中料流的方向和速度分布，使固相和液相充分混合，增大固体床与熔体之间的传热面积，对料流产生一定阻力和摩擦剪切，而促进熔融。2）通过销钉将熔料多次分割、分流而增加对物料的混炼、均化和填加剂的分散性，获得低温挤出。 销钉螺杆和销钉的分流作用示意图。 3、设计销钉的设置位置、数目和大小要根据所加工的物料、加工的要求和设置销 钉的目的来确定。1）位置设置a.如果设置销钉是为了增加熔融速率，销钉一般要设在熔融区；b.如果是为了混炼、均化和获得低温挤出，销钉一般设置在均化段。2）销钉的排列形式销钉的排列有各种形式，如人字形，环形等。3）销钉之间的距离销钉之间的距离不应超过销钉直径的15倍，4）销钉的直径与其高度之比为0.252。销钉的直径和数量与螺杆直径的关系如下： 螺杆直径 销钉直径 销钉数目（环形排列） 50 约3 30 90 4 34 115 5 36 150 5.5 42 200 6.4 48 5）销钉形状销钉可以是圆柱形的，也可以是方形的，或菱形的；可以是装上去的，也可以是铣出来的。4、特点1）销钉螺杆可以提高产量（可提高30一100%），2）减少 MD方向温度波动和TD方向的温差（如国外某厂家的一种销钉螺杆头，可以使TD方向温差仅为l），3）改善塑化质量，提高混合均匀性和填充物的分散度，获得低温挤出。4）与其它新型螺杆相比，销钉螺杆的一个突出优点是加工制造容易。5、其它形式的分流型螺杆DIS螺杆也是一种分流型螺杆。是在常规全螺纹螺杆的均化段加上一段DIS段而形成的。1）结构特点a.在该段的圆周上设有若干个进料槽和出料槽，进出料槽具有与螺杆的螺纹线相同的螺旋角。b.其进出料槽间按一定规律用小孔通道连接。c.物料由进料槽分流，出料槽合流。物料到达该段时被进料槽分成若干股，各股料分别通过各自的小孔通道进入出料槽，由出料槽流出的各股料流在合并室（混炼区）汇合。d.如果后面还有一组相同的进出料槽和连接通道，物料的流动就再次重复上述的分流过程。与销钉螺杆和其它螺杆相比，DIS螺杆的一个突出优点就是提高了MD、TD方向的均匀性，混炼效果好，混色均匀，分散性好，生产出的制品内应力小，尺寸精度得到提高。这种混炼段可用于一般物料的挤出，也可用于挤出泡沫塑料，有的注射机螺杆上也采用了。 （四）组合螺杆以上我们介绍了几种新型螺杆。可以看出：1、分离型螺杆是在熔融段附加螺纹或螺槽，它只能和原螺杆作成一体；2、屏障型、分流型螺杆多在均化段或熔融段来增设非螺纹形式的各种区段，我们称之为螺杆元件。它们可以与螺杆做成一体，也可以用连接的方法加到螺杆本体（由加料段和压缩段组成）上。根据这些区段的作用的不同，将它们分别称为输送元件、压缩元件、剪切元件、均化元件等等。1、结构组成1）组合螺杆由螺杆主体和各种不同职能的螺杆元件（如输送元件、压缩元件、混炼元件、剪切元件等）组成的。2）改变这些元件的种类、数目和组合顺序，可以得到各种特性的螺杆，以适应不同物料和不同制品的加工要求，并找出最佳工作条件。2、特点组合螺杆突破了传统常规全螺纹三段螺杆的框框，螺杆可以不再是整体的，也可以不再是由三段组成。这是螺杆设计中的一大进步。1）可根据需要，任意组合。1）最大特点是适应性强，专用性也强，易于获得最佳的工作条件，在一定程度上解决了“万能”和“专用”之间的矛盾。得到了越来越广泛的应用。2）这种螺杆设计较复杂，在直径较小的螺杆上结构实现有困难。 三、新型螺杆设计中应注意的几个问题 以上我们从原理上介绍了常见的几种新型螺杆。所谓新型螺杆，就是螺杆上采用各种混炼段，或改变常规全螺纹三段螺杆结构型式的那些螺杆、由于它们是在常规全螺纹三段螺杆的基础上发展起来的，尽管有别于常规全螺纹三段螺杆，但其中心问题还是围绕着提高挤出产量和挤出质量。由于它们在挤出机中所处的位置和常规全螺纹螺杆相同，因此。在前一节中我们介绍的评价螺杆的标准和设计螺杆应当考虑的因素同样适用于新型螺杆。但是，为了合理地选择和设计各种新型螺杆。有必要强调以下几点。 （一）首先必须确切地弄清各种新型螺杆的工作原理，以及其适用的场合。这是因为，不同的新型螺杆有不同的作用，因而有不同的适用场合。1、一种是以混炼作用为主的新型螺杆，如销钉螺杆，DIS螺杆。显然，这一种