双螺杆挤出机工作原理

PolymerProcessingEngineering,BeijingUniversityofChemicalTechnology,第三章挤出成型（Extrusion）,聚合物加工工程,第一节概述（录像）第二节单螺杆挤出机的基本结构第三节单螺杆挤出理论第四节排气挤出机的工作原理第五节双螺杆挤出机的工作原理第六节挤出成型工艺,第五节双螺杆挤出机的结构及工作原理,一、双螺杆挤出机的结构与分类二、双螺杆的工作原理三、双螺杆挤出机中的功能元件四、双螺杆对物料的混炼与塑化五、螺杆的结构参数,第三章挤出成型（Extrusion）,第五节双螺杆挤出机的工作原理,双螺杆挤出机诞生的背景：双螺杆挤出机是在单螺杆挤出机基础上发展起来的用单螺杆挤出机加工材料：掺混料（纤维与树脂）填充、增强材料（CaCO3、红泥、矿渣等）出现问题：吃料难、熔融难、塑化差70年代以来，双螺杆挤出机发展十分迅速欧洲：100%管、板、异型材制品用双螺杆挤出机加工,双螺杆挤出机的应用领域：聚合物反应挤出：PU、PA、POM、PMMA反应成型为型材、单丝等；TPV的制备等共混、填充改性：PA/玻纤、橡塑共混（PP/EPDM、PP/POE等）、塑塑共混（合金）废塑料再生利用：将形状、比重、品种不同的聚合物回收、利用成型加工HPVC管材、异型材等,第五节双螺杆挤出机的工作原理,1、结构（与单螺杆挤出机相比）相同点：包括挤压系统、传动系统、加热冷却系统功能基本上与单螺杆挤出机相同,一、双螺杆挤出机的结构与分类,第五节双螺杆挤出机的工作原理,双螺杆挤压系统作用：输送（固体、熔体）：连续、稳定、输送率高熔融塑化（固体熔体）：完全、均匀增压、排气、均化,第五节双螺杆挤出机的工作原理,不同点：两根螺杆，水平放置机筒内孔为双孔有排气系统（螺杆有排气段，机筒有排气口）加料装置，定量加料,第五节双螺杆挤出机的工作原理,2、分类（1）按照螺杆结构特点分类平行双螺杆挤出机锥形双螺杆挤出机,一、双螺杆挤出机的结构与分类,第五节双螺杆挤出机的工作原理,平行双螺杆挤出机,第五节双螺杆挤出机的工作原理,锥形双螺杆挤出机,第五节双螺杆挤出机的工作原理,2、分类（2）按照螺杆相对位置（啮合方式）分类全啮合（A=r+R）A-两根螺杆中心距离非啮合（A2R）（体现不出双螺杆的优点）部分啮合（r+RA2R）,一、双螺杆挤出机的结构与分类,第五节双螺杆挤出机的工作原理,全啮合,非啮合,部分啮合,第五节双螺杆挤出机的工作原理,一、双螺杆挤出机的结构与分类,2、分类（3）按照螺纹的旋向与转向分类异向双螺杆：异向螺纹、异向转动（异向向内、异向向外）同向双螺杆：同向螺纹、同向转动,第五节双螺杆挤出机的工作原理,同向,异向,双螺杆挤出机的转动方向：平行双螺杆（异向、同向）锥形双螺杆（异向）,第五节双螺杆挤出机的工作原理,锥形,平行,第五节双螺杆挤出机的工作原理,3、双螺杆间的开放和封闭,物料的流动空间不同,第五节双螺杆挤出机的工作原理,捏合盘,双螺杆挤出机的类型,二、双螺杆挤出机的工作原理,1、输送机理单螺杆输送机理：由摩擦和粘性拖曳输送固体（加料段）：摩擦输送（fs、fb）熔体（计量段）：摩擦和粘性拖曳输送双螺杆输送机理：强制输送(正位移输送）不同类型双螺杆：正位移输送能力不同输送机理有差异,第五节双螺杆挤出机的工作原理,二、双螺杆挤出机的工作原理,非啮合型双螺杆的工作原理不能形成封闭或半封闭的型腔，无正位移输送条件，其输送机理与单螺杆相似。,啮合型双螺杆的工作原理能形成封闭或半封闭的型腔，有正位移输送条件，其正位移输送程度与封闭程度有关。,只讨论全啮合式双螺杆挤出机输送机理。,第五节双螺杆挤出机的工作原理,1、输送机理（全啮合型）,（1）异向双螺杆对物料的输送机理,共轭纵横向全封闭的矩形螺槽，异向旋转,特点（形成C形室沿螺杆轴向移动）,第五节双螺杆挤出机的工作原理,分开看：两根旋向不同的双螺杆合着看：啮合区一根螺杆螺棱插入另一根螺槽中，把两个连续的螺旋通道分割成一段段的封闭“C”形室，室数与螺纹圈数相同。动作：螺杆转动，“C”形室前移（轴向移动）螺杆转动一圈，“C”形室前移一个导程的距离。,（1）异向双螺杆对物料的输送机理,第五节双螺杆挤出机的工作原理,（1）异向双螺杆对物料的输送机理,C形室沿螺杆轴向移动的速度为：,VLtn，其中t为螺杆导程，n为螺杆转速,异向全啮合双螺杆挤出机的理论挤出量：,Q2nV，其中V为单个C型小室的体积,实际上，由于存在螺杆与机筒内壁的间隙，漏流使产量不能达到理论产量。,第五节双螺杆挤出机的工作原理,（1）异向双螺杆对物料的输送机理,异向全啮合双螺杆啮合处的相对速度,具有良好的自洁性,第五节双螺杆挤出机的工作原理,VrA2n(Rb-Rs)VrA为A点处两螺杆侧间隙间的相对速度Rb为螺杆外半径Rs为螺杆内半径,异向向内：在加料口物料被拉入螺槽，螺槽空间暴露少，易充满螺槽，且物料受到强烈的挤压，从而对螺杆产生反压力，即螺杆分离力。,（1）异向双螺杆对物料的输送机理,异向向外：在加料口不断腾出空间，使物料不断进入螺槽，即进入“C”形室，然后随着“C”形室向前输送。,旋向的影响,第五节双螺杆挤出机的工作原理,（1）异向双螺杆对物料的输送机理,两螺杆间存在间隙，两螺杆产生分离力更大。,第五节双螺杆挤出机的工作原理,两螺杆主要设计成螺纹式：有正向螺纹、反向螺纹和特种螺纹之安排两螺杆之间的间隙：间隙越小，剪切速率越大，分散混合效果好,但两螺杆的分离力大。间隙越大，剪切速率越小，但通过量越大，分布混合效果好。,异向双螺杆挤出机的设计及操作特点,第五节双螺杆挤出机的工作原理,（1）异向双螺杆对物料的输送机理,定量加料：控制物料的塑化情况，熔融与单螺杆相似加设排气口：相邻的腔室间没有压差，气体向料斗方向排气比较、困难，必须设置排气口。,异向双螺杆挤出机的设计及操作特点,第五节双螺杆挤出机的工作原理,加强压缩：因为固体输送段螺槽未充满，所以要加强压缩，有利于传热，加速熔融，更好排气。压缩方式：改变螺纹导程、螺棱宽度、螺杆外径、螺杆根径、设置反向螺纹等。,异向双螺杆挤出机的设计及操作特点,第五节双螺杆挤出机的工作原理,结构（与异向转动双螺杆相比）：相同点：在啮合区，螺棱插入螺槽形成“C”形室不同点：“C”形室不封闭，两个螺杆间有一个连续通道（“C”形室相连）。通道形成：在啮合区（开口处），物料沿一根螺杆螺槽的“C”形室进入另一根螺杆螺槽的“C”形室前进，再到啮合区时，又跨回前一根螺杆螺槽的“C”形室。,（2）同向双螺杆对物料的输送机理,第五节双螺杆挤出机的工作原理,（2）同向双螺杆对物料的输送机理,第五节双螺杆挤出机的工作原理,注意：啮合型同向双螺杆的纵向必须开放，否则，螺杆会发生干涉而不能啮合。即螺槽宽度大于螺棱宽度，纵向有通道。,（2）同向双螺杆对物料的输送机理,第五节双螺杆挤出机的工作原理,（2）同向双螺杆对物料的输送机理,同向双螺杆两螺杆之间没有压迫效应,同向双螺杆两螺杆啮合处的相对速度,Vr2n(RbRs),同向双螺杆之间一般制作成紧密啮合，以提高自洁能力。,特点：,具有更强的自洁性,第五节双螺杆挤出机的工作原理,(1)输送元件具有一般螺纹结构，主要起输送作用。,等深、等距、槽宽等于棱宽、纵横向皆封闭的输送元件正位移能力强混合作用差用于固体输送和熔体输送,2、双螺杆挤出机中的功能元件,第五节双螺杆挤出机的工作原理,螺槽和棱宽基本接近，可在较短的时间内建立起较高的压力。,等深、等距、窄棱纵横向皆开放的输送元件,纵横向开放较大的输送元件，混合作用好，漏流大，物料停留时间分布较宽。,纵向开放、横向封闭的输送元件，具有较强的输送能力，但混合作用差。,第五节双螺杆挤出机的工作原理,输送特点,I.优点a.输送率高双螺杆：QP=0双螺杆：Q=Qd+QL需要定量加料（饥饿加料，不能充满）b.螺杆特性线平缓，对机头适应性强Q随P变化小,（1）输送元件,第五节双螺杆挤出机的工作原理,输送特点,I.优点c.自洁性好单螺杆：在螺槽后面易滞料（PVC、PVDC易分解）无自洁性双螺杆：在啮合处有速度差，相互擦离，防止滞料同向：Vr=V1b+V2s（自洁性更强）异向：Vr=V1b-V2s,第五节双螺杆挤出机的工作原理,I.优点d.物料停留时间短而均匀单螺杆：有Qd、QP、QL，各处速度不同，物料历程差异大（同进不同出），停留时间分布宽，少部分停留时间长，易分解，难控制。双螺杆：稳定输送，QP0，QL也很少，物料历程基本相同，停留时间分布窄，停留时间短。,输送特点,第五节双螺杆挤出机的工作原理,第五节双螺杆挤出机的工作原理,II.缺点a.挤出量波动螺纹末端：终啮合点打开：出料终啮合点啮合：不出料异向比同向更突出，必须想办法解决挤出量波动的问题,每转一周，就有一瞬间，无物料挤出。,输送特点,第五节双螺杆挤出机的工作原理,II.缺点b.排气性能差气体被围在螺槽内挤出机要设排气段，并有抽真空系统排气系统。,第五节双螺杆挤出机的工作原理,输送特点,II.缺点c.异向双螺杆易产生压延效应在啮合处，物料被拉入间隙，物料受挤压同时对螺杆产生较大反作用力分离力，使螺杆弯曲，对机筒产生磨损，称为“压延效应”。异向向内双螺杆：压延效应严重，使用甚少异向向外双螺杆：n=850rpm，减轻机筒磨损同向转动双螺杆：不产生压延效应，n=300rpm,输送特点,第五节双螺杆挤出机的工作原理,(2)混合混炼元件,开设垂直于螺棱的沟槽，起到回混作用。,沟槽式混合元件,第五节双螺杆挤出机的工作原理,偏心圆形混合比较难以混合的物料。,菱形剪切不强烈，适用于剪敏性的物料,曲边三角形剪切强烈，适用于能承受剪切的物料,捏合盘,第五节双螺杆挤出机的工作原理,不同螺纹头数的螺纹元件（a）单头（b）（e）多头11头；22头；33头,第五节双螺杆挤出机的工作原理,菱形捏合盘装配图,第五节双螺杆挤出机的工作原理,菱形捏合盘装配图,第五节双螺杆挤出机的工作原理,齿形混合元件可以进行分流，增加界面，有利于分布混合比较难以混合的物料。,第五节双螺杆挤出机的工作原理,双螺杆输送能力强，物料停留时间短必须有强烈的塑化手段和混合方法，以保证物料的熔融和均化。,3、双螺杆对物料的混炼与塑化总结,第五节双螺杆挤出机的工作原理,机筒加热间隙中产生强剪切（间隙比单螺杆多四种间隙）同向螺杆历程长，物料分流、合并，进入不同螺杆C形室。混合效果好用于共混、填充、造粒加入各种混炼元件，提高塑化、混合作用。,3、双螺杆对物料的混炼与塑化总结,第五节双螺杆挤出机的工作原理,三、双螺杆的结构参数,1、D不能太小，从25开始2、L/D达到同样的成型效果时，比较小，18223、h3大,第五节双螺杆挤出机的工作原理,4、压缩比实现方法（a）采用不同螺距的三段螺杆（b）采用连续的渐变螺距（c）螺距不变，螺棱厚度改变（d）螺距不变，连续改变螺槽的深度改变螺槽容积（e）锥形双螺杆螺杆内外径连续变化螺槽容积逐渐减小,第五节双螺杆挤