挤出机螺杆组合原理与应用

工艺系列培训课程 2004年培训 主讲 沈红波培训师 李国明 张志强 赵智源 刘杰 雷勇 李宁 挤出机螺杆组合原理与应用 工艺系列培训之四 沈红波 一 双螺杆挤出发展历程 20世纪40年代 Erdmenger发明了同向完全齿合型双螺杆挤出机 50年代W P公司进一步发展并投向市场 不断完善并成为聚合物工业 化学制品工业以及食品工业中必不可少的设备 2 挤出机设备厂家和螺杆组合定义 1 几大挤出机设备商 型号ZSK型 W莱斯特里公司 Leistritz ZSE型 螺杆组合 就是指挤出机螺杆的结构组成 不同组合以达到不同物料生产需要 螺杆组合能达到分散 剪切两种效果 解决物料的混和均匀要求 对生产稳定性有重要意义 二 螺杆组合原理和应用的主要内容 1 螺杆组合的基本结构和各部分特点 2 螺杆组合设计的基本原则 3 啮合同向双螺杆挤出过程不同功能段的螺杆构型和整根螺杆的组合设计 4 玻纤增强粒料制备的螺杆构型设计 5 特殊螺杆组合元件应用举例 6 类别产品现有组合特点和设计思路 三 螺杆组合的基本结构和各部分特点 1 挤出机螺杆分两大部分 就是芯轴和螺纹套 2 螺纹元件 输送元件和剪切元件 3 螺纹套元件分类和特点 3 1输送元件种类从导程和元件长度来分 96 9672 7256 5672 3256 2872 36L56 28L 3 2剪切元件就是通常说的捏合块 由单个的剪切块捏合在一起 片数不定 一般5 7片 900 5 56300 7 72450 5 36600 5 563 3输送元件输送机理 3 4剪切元件剪切机理 3 5正反元件差异 4 挤出机型的机械设计参数 任意同向旋转双螺杆挤出机的几何参数限定为3个 1 啮合处间隙 2 内外直径比 OD ID 3 比扭矩 功率 容积比 即用扭矩 中心距的三次方 M a3 表示 一根螺杆的螺纹顶部处在与之配合的另一根螺杆螺纹根部和侧面之间 四 螺杆组合设计的基本原则 同向双螺杆的特点是 转速较高并且在啮合区 两螺杆在横截面图中的重叠部分 不同位置处有较接近的相对运动速度 所以可以产生强烈 均匀的剪切 几何形状决定了其纵向流道必定开放 使两螺杆之间产生物料交换 交换时 原处于一根螺杆螺槽底部的物料将运动到另一根螺杆螺槽的顶部 纵向流道的开放还使横向流道开放成为可能 来实现同一螺杆相邻螺槽间物料的交换 这使同向双螺杆具有较好的分布混合能力 螺杆组合是双螺杆挤出工艺制定的关键 同向双螺杆挤出以混炼为主 螺杆组合要考虑到主辅料性能与形状 加料顺序与位置 排气口位置 机筒温度设置等等 4 1混合的两个定义 1 分散混合固态物料 聚合物凝胶以及液滴等粒子尺寸减小的过程 指将少组分细化 如将无机填料粉碎及将玻纤丝切短等 它取决于剪切应力 或剪切速率 2 分布 分配混合改变各组分在混合体系中的空间位置的过程 分布混合与物料粘度无关 与单位能量输入也无关指减少少组分在多组分中分布的非均匀性 它则取决于剪切应变剪切应变很难求得 用周向流量和轴向回流量来衡量分布混合效果 4 2典型螺杆组合图例 4 3捏合段的设计原则 1 凹槽内物料承受的平均剪切速率减小螺棱间隙及增大螺纹头数都可提高平均剪切速率 亦即可增强单块捏合块的混炼能力 2 捏合块间的错列角是决定捏合段工作性能的一个关键参数3 注意捏合段的压力须与和它相连的正 反向螺纹段中的压力相匹配 各自的轴向流量和轴向压力梯度的关系曲线 五 啮合同向双螺杆挤出过程不同功能段的螺杆构型 啮合同向双螺杆挤出过程一般由加料 固体输送 熔融 熔体输送 混合 排气等功能段组成 不同的功能段需要不同的局部螺杆构型与它相适应 以完成不同的功能 5 1加料段和固体输送段的螺杆构型 1 加料段一般采用大导程 正向螺纹输送元件加大螺槽深度的非标准螺纹元件2 固体输送段把物料输送 同时松散的粉状低松密度物料压实或提高粒状物料在螺槽中的充满度 以促进物料在下游的熔融塑化 5 2熔融塑化段的螺杆构型 1 评价用于熔融塑化段局部螺杆构型的好坏的标准应当是它能将机械剪切能变成热能而使物料熔融得最快 最彻底 又不使物料温度升高 即能量利用最合理 2 熔融塑化给定聚合物的最佳螺杆局部构型取决于物料的比热 熔点 熔体粘度及聚合物在固体状态时粒子的大小 5 2用于熔融的局部构型 5 3Berstorff用于熔融的局部螺杆构型 5 4挤出熔融过程影响因素 物料及螺杆的几何尺寸确定1 沿螺槽方向的压力梯度2 机筒温度3 固体颗粒在螺槽内的充满度 它亦可以用来计算所研究的控制体中的固体颗粒的个数4 固体颗粒的初始温度5 螺杆温度6 机筒的拖曳速度 与螺杆速度有相同的意义 沿螺槽方向的分量 5 5排气区和用于熔体输送的螺杆局部构型 1 上游的螺杆上应设置密封元件 将熔体密封 以建立起高压 在排气区 即与排气口对着的螺杆区段 应使物料在螺槽中充满度较低 并与大气或真空泵相通 可采用多头小导程螺纹元件 2 熔体对螺杆的充满长度取决于物料的粘度 螺杆导程 螺杆转数 加料量和口模阻力影响建压能力的有螺纹导程和螺纹头数 返料 5 6混合段的螺杆构型 啮合同向双螺杆挤出机的混合功能最重要 因而混合段的螺杆构型设计具有非常重要的意义啮合同向双螺杆挤出过程的熔融阶段也就是混合开始的阶段 六 整体螺杆组合设计 根据经验 理论 实验相结合的方法进行设计整体螺杆组合设计螺杆示例 6 1整体螺杆设计前的考虑点 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中各组分的形态 性能和配比 因为不同聚合物 不同添加组分及其配比对挤出过程 螺杆构型 运转条件的要求是不同的 2 对各种螺杆 及机筒 元件及各功能区的局部螺杆构型 工作原理和性能及适用场合有较全面而深入的了解3 就整个混合工艺而言 对加料方式 加料顺序有无特殊要求也必须弄清楚 6 1整体螺杆设计前的考虑点 4 挤出过程主要是实现分布性混合 则应使物料在螺杆中流动时能不断重新取向 使其与剪切方向成45 适当松弛提高前面降低的粘度5 挤出过程主要是实现分散性混合 则螺杆构型的设计与分布混合就有所不同 分散混合的关键变量是应力 只有能提供大的剪应力 才能使结块和液滴破裂 这就要在螺杆 机筒 中设置高剪切区 而且要使物料多次通过这些高剪切区 6 2附分布分散混合典型示例 高填充PP典型应用 6 3用于玻纤增强产品的螺杆构型设计 1 一般说来 制品中的玻纤平均长度在0 1 1 0mm之间为好 这既能保证良好的制品性能 又使纤维具有良好的分散性 2 玻纤分散性好坏的标志是 玻纤以单丝而不是以原纱存在于制品中 制品任意单位体积内的玻纤含量大致相等 制品中玻纤长度分布范围大致相同3 影响分散性的因素有 合适的玻纤 合适的单丝直径及支数 及浸润剂 玻纤含量 粒料中玻纤含量越大 制品中玻纤分散性越差 合理的造粒工艺和设备以及合理的注射工艺 4 最佳构型取决于基体聚合物特性 玻纤类型 相容剂和玻纤加入量 同时与玻纤的加入及加入位置和操作条件的选择密切相关 用于玻纤增强的螺杆构型设计 除了遵循同向双螺杆一般构型设计时如何实现固体输送 熔融 熔体输送和建压 排气的螺杆局部构型设计的原则外 应重点考虑玻纤的加入和玻纤与聚合物熔体的混合 6 3 1玻纤加入口上游和入口处的螺杆构型 1 上游进行固体输送和熔融塑化 对与聚合物一起加入的其它助剂进行混合 2 玻纤加入口处应为大导程 使聚合物熔体到达此处时为半充满状态 以留出空间容纳加入的玻纤 3 经验规则 玻纤口前必须熔好 保证性能的前提 6 3 2玻纤加入口下游螺杆构型 1 两个任务 第一是把纤维束打开 第二是把纤维切短并把每一根玻纤分布均匀并被熔体润湿 2 平均长度取决于聚合物和玻纤的比例 也取决于剪切 混合元件的选择3 粘度高的聚合物或加入高填充量玻纤的螺杆构型比低粘度聚合物或加入低百分数玻纤所用的螺杆构型提供的剪切应柔和一些 4 适于玻纤增强的螺杆元件一般是二头的 因为它的剪切比较柔和 对玻纤不会造成过度的折断6 3 3排气段和螺杆的最后区段 均化 6 4螺杆构型实例1 1 6 5螺杆构型实例2 增强PC PC 油 七 双螺杆挤出机特殊螺纹元件的特点和应用 1 齿型盘C182 176 88LS拉伸块3 32 96输送型齿型盘4 96 240强输送元件5 R L斜齿齿型盘 7 1 引言 聚合物共混物的高速增长 大大促进了人们对混合加工设备的开发利用 目前公认高效 连续混合加工设备的同向双螺杆挤出机 螺杆组合逐步成为其应用过程的核心技术 组合设计主要按现代积木组合式原理 首要考虑的是输送混合元件的合理使用 使其应用的物料沿螺杆挤出方向产生有效更迭 形成较好的几何流型 物料获得充分的分散和分布混合 随聚合物共混持续发展 原材料的基料 添加剂 填充物发生变化 本身特点对加工过程的某些方面提出了更特殊的要求 如玻纤增强 润滑剂 多种熔点物质混炼 晶须 易分解材料等等一些特殊原料的引入 对原有螺杆组合的某一方面如剪切 分散 分布作用需加强 或需弱化其中某一作用 原有不同导程输送元件和不同角度的捏合元件组合起来难以达到这些特殊要求 因此 大大推动了特殊作用的新螺纹元件开发和应用 7 2 发展动力 材料对螺杆组合特殊要求 玻纤增强类产品需保证长纤经剪切后长度均匀 且分散分布良好 多种不同表面性质的无机填充物需分散良好 热敏感材料需低剪切热 强塑化分散效果的元件原料中含大量润滑剂 影响塑化效率普通输送元件不能满足低堆积密度物质的输送 高熔点物质需强塑化效果 集中剪切容易导致扭距增大 增加能耗 表一 新螺纹元件类型 特性和应用表 1 齿型盘C18 图 主要在剪切和分散方面有特殊作用 尤其在玻纤剪切上 齿型盘的加入相当于在沿物料流道上所设置的障碍 影响螺槽通道的畅通程度 对轴向混合有直接影响 轴向反混能力强 2 齿型盘和螺纹元件的组合 该齿型盘设计成直齿型 每齿一面通中心轴 这种齿型盘不具有输送物料能力 物料通过该元件主要靠两端压力差 若将齿加工成斜向 则具备正向或反向输送能力 齿型盘作用主要在加强物料混合 在非啮合区 由于齿片对料流的连续分割 增加了物料的接触界面 有利于分布混合 在啮合区 由于一根螺杆上的齿盘与另一个螺杆上的齿盘时错列的 故料流沿轴向被反复切割 分布混合作用比较强烈 在两片齿之间因间隙较小而使物料流经时所受剪切较大 形成一定分散混合作用 增加连续齿型盘对数 混合效率将成倍提高 应用实例一 用于生产玻纤增强阻燃PBT 低水分含量玻纤在使用时相对难剪切 但本身水分低有利于与树脂表面结合 提高力学性能 难剪切表现在使用普通捏合剪切块 在玻纤口到真空口有限距离内 需要剪切元件量大 容易造成剪切热过高温度失控和物料分解 齿型盘C18利用其剪切玻纤的高效性能弥补这一不足 对比如下 图2捏合块组合图3 C18齿型盘2对 表2 两种组合结构效果对比 对比图 2 176 88LS拉伸块 该元件又有称 S 型元件 如图4 5 采用了大的螺棱间隙 小螺棱夹角 引入了双楔形区 螺棱拖曳面和机筒内壁之间的楔形区 啮合区内两螺棱之间的楔形区 内的拉伸流动和螺槽区内物料松弛等概念 设计出该元件 这种设计加大了螺杆与机筒之间的间隙 增加了物料在挤出机流道内的周向流动和轴向回流 使两螺杆间和相邻两螺槽间的物料产生混合 由于物料在流动过程中通过两个楔形区 便受到剪切和拉伸作用 在相对低压区 松弛区 物料产生松弛 这也有利于混合 图4 176 88LS拉伸块外形图5 176 88LS拉伸块端面形状 拉伸块与同等有限长度捏合块对比 相似的构型产生了相似的压力和速度分布 两种元件都在正反向螺旋相接处产生压力高点 从而有效地推动物料轴向和周向的流动 拉伸块元件螺棱前后的压差比捏合块元件的压力差更大 使拉伸块元件流道内的轴向和周向的流动要剧烈一些 使两螺杆间和相邻两螺槽间的物料有更好的混合 捏合块元件的轴向回混较好 而拉伸块元件的周向混合则较好 因而拉伸块元件的分布混合能力要比捏合块元件更好 在得到相似的混合能力的同时 S型元件的挤出能力要比捏合盘组件要好得多 这是因为拉伸块前后运动的压力差相对更大一些 有效地推动物料向前运动 2 拉伸块捏合块对比 玻纤增强尼龙6生产过程为保证其力学性能 要求尼龙树脂在玻纤口前基本塑化熔融良好 进玻纤后才不至于与未融粒子剧烈作用使玻纤过碎 一般需要在3节螺筒长度内完成压缩 塑化 初步混合过程 采用两种方式 捏合块和拉伸块对比 图6 捏合块模型图7 组合拉伸块模型 应用实例 玻纤增强尼龙6 结果讨论 从以上对比 主要体现在两个方面 同等条件下拉伸块运转过程剪切热产生比较低 能耗相对比较低 单位时间产量的提高体现了同等喂料量时主机扭距不一样 拉伸块塑化效率相对高 有利于热敏感材料的加工 加工成本也显示出优势来 表3 两种模型结构效果对比 3 32 96输送型齿型盘 4 96 240强输送元件 齿型盘3296和输送元件96240 5 R L斜齿齿型盘 斜齿齿型盘结构基本类似齿型盘C18 不同的是齿的结构 一个与轴向平行 一个与轴向成一定角度 斜向同时分正反两种 R L斜齿齿型盘采用一正一反结构 右旋齿型盘有一定输送能力 物料在齿的推动下向前流动 而左旋部分 有部分反向输送能力 促使物料回流 形成局部物料循环 具有较好的混合作用 对比之下 斜齿齿型盘的流道压力分布要复杂 且回流系数大于C18的回流系数 损失了较少流量条件下 分布混合性能提高 螺纹元件充满度影响 自由容积 充满度小于30 螺筒间